GPON系統1588時(shí)間同步技術(shù)的研究與應用

摘要：GPON作為移動(dòng)通信的基站回傳方案需要支持高精度的時(shí)間同步，本文首先簡(jiǎn)單介紹了IEEE 1588v2協(xié)議基本機制，然后分析了在GPON系統中實(shí)現1588的幾大難點(diǎn)，并介紹了烽火GPON特殊系統框架下的時(shí)間同步實(shí)現方案架構，給出了可靠的測試數據，最后針對GPON系統時(shí)間同步還存在的問(wèn)題提出了針對性的建議。

關(guān)鍵詞：基站回傳;時(shí)間同步;IEEE 1588v2;GPON;內部同步機制

近年來(lái)，隨著(zhù)3G技術(shù)的普及和4G時(shí)代的來(lái)臨，無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)出現了爆炸式的增長(cháng)。如果仍采用租用E1/T1的回傳方式，網(wǎng)絡(luò )的OPEX將因為帶寬業(yè)務(wù)的增長(cháng)而不斷上升，因此急需成本低廉而且業(yè)務(wù)安全和質(zhì)量有保證的基站回傳解決方案。利用GPON的多業(yè)務(wù)匯聚能力可以實(shí)現基站回傳，并且相對于PTN和IP RAN方案有著(zhù)巨大的成本優(yōu)勢，有望成為未來(lái)小型基站回傳的主導模式。在現網(wǎng)的移動(dòng)通信制式中，3G的CDMA2000、TD—SCDMA制式以及4G的 WiMAX/LTE制式，都使用了同步基站技術(shù)，基站工作的切換、漫游等都需要高精度的時(shí)間同步提供精確的時(shí)間控制?，F階段應用最為成熟和廣泛的時(shí)問(wèn)同步技術(shù)是GPS衛星授時(shí)方式，但是存在成本高，選址施工困難，故障率高，政治不安全因素等問(wèn)題，不是大規模使用的理想方案?；谟布r(shí)間戳技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步協(xié)議的IEEE1588v2時(shí)間同步可以達到ns級的時(shí)間同步精度，克服了GPS衛星授時(shí)的各種弊端，已經(jīng)被運營(yíng)商接受為未來(lái)的主流的時(shí)間同步技術(shù)。由此可見(jiàn)，PON必須支持IEEE1588v2時(shí)間同步才能應用于回傳網(wǎng)絡(luò )中。

1 IEEE1588v2時(shí)間同步技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 IEEE1588v2協(xié)議簡(jiǎn)介

IEEE1588中文全稱(chēng)是“網(wǎng)絡(luò )測量和控制系統的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標準”，它定義了一種精確時(shí)間協(xié)議PTP(Precision Time Protocol)，用于實(shí)現網(wǎng)絡(luò )中不同設備間的精確時(shí)間同步。協(xié)議共有兩個(gè)版本，v2版本針對通信網(wǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，更適合通信領(lǐng)域的應用。IEEE1588v2時(shí)間同步需要軟件協(xié)議和硬件高精度時(shí)間戳技術(shù)結合實(shí)現。

1.2 時(shí)延測量機制

時(shí)延測量機制是1588時(shí)間同步的最為核心的部分，基本原理是采用主從時(shí)鐘方式，通過(guò)節點(diǎn)之間交換PTP協(xié)議報文測量對稱(chēng)網(wǎng)絡(luò )之間的時(shí)延確定主從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差，由此糾正從時(shí)鐘的時(shí)間實(shí)現同步。因此需要軟件協(xié)議和硬件時(shí)間戳技術(shù)的結合才能完成。時(shí)延測量機制幾種報文交換和時(shí)戳獲取的一般過(guò)程如圖1所示。

圖中t1是Master時(shí)鐘發(fā)送Sync報文時(shí)，Master時(shí)鐘本地的時(shí)間;t2是Slave時(shí)鐘接收Sync報文時(shí)，Slave時(shí)鐘本地時(shí)間;t3是 Slave時(shí)鐘發(fā)送Delay_Req報文時(shí)，Slave時(shí)鐘本地時(shí)間;t4是Master時(shí)鐘接收Delay_Req報文時(shí)，Master時(shí)鐘本地的時(shí)間，并寫(xiě)入Delay_Resp報文中發(fā)送給Slave時(shí)鐘。假設主從時(shí)鐘之間的鏈路時(shí)延是對稱(chēng)的，即報文交互的上下行所用時(shí)間相同時(shí)，從時(shí)鐘根據已知的 4個(gè)時(shí)間值，可以計算出與主時(shí)鐘的時(shí)間偏移量和鏈路時(shí)延。設主從時(shí)鐘之間的鏈路時(shí)延為Delav，主從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差為Offset，可以得到

時(shí)延測量機制的前提是：主從時(shí)鐘之間的鏈路時(shí)延是對稱(chēng)的，也就是tms=tsm=Delay。如果不對稱(chēng)的時(shí)延是固定的，可以在實(shí)際測試中通過(guò)補償來(lái)修正，時(shí)延不固定將帶來(lái)直接誤差，1588自身機制無(wú)法檢測和消除這種誤差，并且能夠累積傳送到下游時(shí)間節點(diǎn)。

需要注意的是，t1時(shí)戳的獲取方式有one_step模式和two_step模式兩種，one_step模式由Svnc報文直接獲取，而two_step 模式是由一段時(shí)間后發(fā)送的Follow_Up報文發(fā)送獲取，如圖1中所示。這兩種模式只與芯片處理能力有關(guān)，不影響時(shí)延測量計算方式。

1.3 時(shí)鐘模型

IEEE1588v2將網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)支持1588的節點(diǎn)設備定義為一個(gè)時(shí)鐘，根據不同的應用場(chǎng)景協(xié)議定義了OC、BC、TC這3種時(shí)鐘模型：

1)普通時(shí)鐘OC(Ordinay Clock)。網(wǎng)絡(luò )始端或終端設備，該設備只有一個(gè)PTP端口，只工作在Slave或Master狀態(tài)。

2)邊界時(shí)鐘BC(Boundary Clock)。網(wǎng)絡(luò )中間節點(diǎn)設備，該設備有多個(gè)PTP端口。其中一個(gè)端口可作為Slave，設備系統時(shí)鐘和時(shí)間通過(guò)此端口同步于上一級設備，其他端口作為 Master，提供給下一級時(shí)間節點(diǎn)的Slave端口用作同步，實(shí)現逐級的時(shí)間傳遞。

3)透傳時(shí)鐘TC(Transparent Clock)。網(wǎng)絡(luò )中間透傳時(shí)間設備，該設備不終結PTP同步報文，也不用同步于上一級設備。只是對報文中修正域數據進(jìn)行更新，并轉發(fā)到下一節點(diǎn)。按照鏈路時(shí)延計算方式，可分為E2E(END TO END)和P2P(PEER TO PEER)兩種。

E2E模式：在始端和末端交互報文，進(jìn)行線(xiàn)路時(shí)延的計算。在中間節點(diǎn)只計算駐留時(shí)間并修正correction Field。

P2P模式：在始端到末端的每一段都進(jìn)行線(xiàn)路時(shí)延和節點(diǎn)駐留時(shí)間的計算，將計算的值累加并修正correction Field，傳送給末端。

1.4 BMC算法

IEEE1588v2中定義了最優(yōu)時(shí)間源算法BMCA (Best Master Clock Algorithm)，能夠自動(dòng)選擇時(shí)間同步網(wǎng)中的最優(yōu)時(shí)間服務(wù)器，自動(dòng)選擇同步路徑，并能在時(shí)間源故障和鏈路故障時(shí)，自動(dòng)實(shí)現時(shí)間源和同步路徑的切換。 BMC算法通過(guò)每個(gè)PTP端口接收到的Announce報文獲取每條同步路徑對應的GM(祖父時(shí)鐘)的信息，根據數據集比較算法按照一定的順序依次比較不同GM之間的各項時(shí)鐘信息，選出最優(yōu)的時(shí)鐘，最后通過(guò)狀態(tài)決策算法決策最佳的GM對應的PTP端口，完成選源操作。這3個(gè)流程會(huì )根據設定的周期重復進(jìn)行。對于同一個(gè)域中的時(shí)鐘節點(diǎn)設備，不論網(wǎng)絡(luò )中部署了幾個(gè)不同的時(shí)間服務(wù)器，只要各節點(diǎn)時(shí)鐘都是統一于IEEE1588v2的BMC算法，協(xié)議就能根據GM不同的參數配置，實(shí)現有條不紊的時(shí)間源選擇和切換。

2 GPON系統時(shí)間同步技術(shù)研究

2.1 OLT與ONU之間的同步機制

在GPON系統中，OLT和ONU與一般的時(shí)間同步節點(diǎn)應用場(chǎng)景一致，可以直接參考PTN設備的設計理念，OLT與ONU之間的同步則不能參考。OLT下行和ONU上行通過(guò)不同的波長(cháng)在同一根光纖中實(shí)現波分復用(WDM)，但是OLT下行采用廣播方式，時(shí)延較小，ONU上行使用TDMA方式發(fā)送數據，依照OLT的授權時(shí)間片來(lái)發(fā)送，因而上行時(shí)延難以控制，對于鏈路對稱(chēng)性有嚴格要求的1588時(shí)延測量機制來(lái)說(shuō)，這是不可容忍的。

在GPON系統中，下行時(shí)延可以通過(guò)測距獲得，因此可以不使用IEEE 1588v2的延時(shí)測量機制計算時(shí)延。OLT從上級時(shí)間同步源同步了時(shí)間后，OLT與ONU之間可以通過(guò)其內部機制進(jìn)行時(shí)間同步，ONU通過(guò)由OLT下行某一幀中所帶精確時(shí)間信息，加上通過(guò)測距算得的時(shí)延來(lái)同步自身的時(shí)間，其基本原理如圖2所示，GPON基于125us幀傳輸，每個(gè)幀頭固定有一個(gè) super frame指示位，以此來(lái)標記時(shí)間。

GPON系統中OLT與ONU之間的這種機制由ITU—T在G.984.3_AMD_2中進(jìn)行了詳細定義，包含高精度時(shí)間信息的的ToD消息通過(guò)OMCI通道發(fā)送給ONU。具體步驟如下：

1)OLT選取未來(lái)的super frame計數為N的某下行幀發(fā)送時(shí)間作為同步時(shí)間參考點(diǎn)，并計算出陔下行幀幀頭到達零距離時(shí)延ONU的時(shí)間TstampN，如式3所示

TsendN表示預測的未來(lái)超幀計數為N的超幀發(fā)送時(shí)的內部參考時(shí)間點(diǎn)，△OLT表示在OLT內部的時(shí)延。n1310和n1490分別表示波長(cháng)為1 310 nm和1 490 nm的上下行光對應的折射率;

2)計算出該時(shí)間TstampN并存儲同步時(shí)間關(guān)系對(N，TstampN)，在此后的任意時(shí)刻，OLT都可選取某一下行幀將此關(guān)系對通過(guò)OMCI通道下發(fā)給任意某ONUi;

3)該ONUi根據自身的EqD以及處理時(shí)間等計算出序號為N的下行幀幀頭到達本地的準確時(shí)間TrecvN,i，如式(5)所示

△i表示在ONU內部的時(shí)延;

4)當序號為N的下行幀到達ONUi時(shí)，ONUi將本地時(shí)間調整為T(mén)recvN,i，從而完成與OLT的時(shí)間同步。

2.2 GPON系統的時(shí)鐘模型

GPON系統由于自身架構的復雜，在時(shí)鐘模型的分析上相對于PTN設備也有所不同。若將GPON作為一個(gè)整體分析，OLT上接承載網(wǎng)時(shí)鐘節點(diǎn)，ONU下接基站，即有Slave端口也有Master端口，應該視作一個(gè)BC;但是將GPON各個(gè)部分分開(kāi)分析，OLT和ONU幾乎是兩個(gè)獨立的時(shí)鐘節點(diǎn)，并且 OLT處終結了1588，ONU處是作為起點(diǎn)發(fā)起1588，這就可以將OLT和ONU視為OC模型。因此，可以將GPON看作一個(gè)由兩個(gè)背靠背的OC組成的BC模型，如圖3所示。

2.3 GPON系統的時(shí)鐘同步

高精度的時(shí)間同步是以高精度的時(shí)鐘同步為基礎的，目前的1588時(shí)間同步方案中，為了實(shí)現穩定的時(shí)間同步性能，都使用了1588+SyncE的混合同步方式。在GPON系統架構下OLT可以從上游的物理線(xiàn)路中提取同步以太網(wǎng)時(shí)鐘，也可以通過(guò)純1588v2協(xié)議來(lái)實(shí)現頻率同步，這個(gè)頻率也是與上游同源的，并且都可以向下游傳遞;OLT到ONU之間也支持SvncE同步以太網(wǎng)時(shí)鐘同步;ONU再將從OLT獲得的時(shí)鐘繼續向下游基站傳輸，這樣就與核心網(wǎng)組成了不間斷的SyncE頻率同步網(wǎng)絡(luò )。

3 GPON系統時(shí)間同步系統設計

在整個(gè)GPON系統實(shí)現時(shí)間同步需要經(jīng)過(guò)3個(gè)部分的流程：OLT與上游設備的同步、OLT和ONU之間的同步、ONU與下游基站的同步。 OLT作為GPON的時(shí)間接入點(diǎn)，支持帶內1588方式同步于上游承載網(wǎng)時(shí)間節點(diǎn)，同時(shí)還需要預留帶外1PPS+TOD接口同步于GPS時(shí)間作為備用;在 ONU側，ONU作為GPON的時(shí)間輸出點(diǎn)，支持帶內1588方式與下游基站進(jìn)行同步，同時(shí)還需要預留帶外1PPS+TOD接口直接輸出給支持帶外方式的基站使用;OLT與ONU之間則是通過(guò)ITU—T在G.984.3_AMD_2中定義的內部機制由OMCI通道下發(fā)ToD給ONU進(jìn)行同步。在頻率同步方面，GPON整個(gè)系統都支持SyncE頻率同步，并且OLT預留了BITS時(shí)鐘接口，ONU也能直接輸出2 M時(shí)鐘。系統框架如圖4所示。

4 實(shí)驗與結論

文中提出的這套方案已經(jīng)在烽火通信GPON設備中得到實(shí)現，并且進(jìn)行了全面的系統測試，獲得了全面的測試數據。使用OLT的帶外接口同步GPS的1PPS+TOD，并由ONU的1PPS+ TOD接口直接輸出，這里主要驗證OLT與ONU之間的內部機制，測試時(shí)間150000 s左右，TIE性能為-0.5～+1.5 ns，曲線(xiàn)如圖5所示，結果表明內部機制完全符合指標。

配置OLT和ONU都使用帶內1588方式同步，驗證整個(gè)系統時(shí)間同步性能，測試時(shí)間65 000s左右，儀表Slave端口的CTEDTE性能，滑動(dòng)平均窗口10 s，性能為-42～22.5 ns，曲線(xiàn)如圖6所示，系統的時(shí)間同步性能穩定，并且符合測試指標，此套設計方案可行。

5 結束語(yǔ)

本文提出的GPON系統時(shí)間同步方案在烽火的GPON設備中得到實(shí)現，用大量的實(shí)驗室測試進(jìn)行了驗證，目前已經(jīng)在武漢電信、湛江移動(dòng)、福州移動(dòng)等LTE基站回傳現網(wǎng)試點(diǎn)進(jìn)行了測試，測試性能良好，已具備商用條件。GPON有著(zhù)優(yōu)異的多業(yè)務(wù)承載能力，時(shí)間同步技術(shù)發(fā)展也十分迅速，相信未來(lái)將成為小型基站回傳的主流方案;同時(shí)，GPON對1588時(shí)間同步的支持，彌補了1588在接入網(wǎng)側的空白，有助于全網(wǎng)組建1588時(shí)間同步網(wǎng)。