時(shí)鐘同步是分組傳送網(wǎng)(PTN)需要考慮的重要問題之一?？梢圆捎猛揭蕴W(wǎng)、IEEE 1588v2、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。同步以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的同步狀態(tài)信息(SSM)算法存在時(shí)鐘成環(huán)，以及難以對(duì)節(jié)點(diǎn)跟蹤統(tǒng)計(jì)的問題。中興通訊提出了一種擴(kuò)展SSM算法可以改進(jìn)時(shí)鐘同步問題。在時(shí)間同步方面，由于NTP的精度還無法滿足電信網(wǎng)的需求，僅采用1588v2又會(huì)帶來收斂時(shí)間較慢、在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)時(shí)間延遲精度容易受到影響等問題。中興通訊提出了同步以太網(wǎng)基礎(chǔ)的1588v2時(shí)間傳遞方案，對(duì)提高PTN網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步的精度起到了較好的作用。

　　當(dāng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)分組傳送網(wǎng)(PTN)取代傳統(tǒng)時(shí)分復(fù)用(TDM)傳輸網(wǎng)的需求日益明顯時(shí)，如何解決時(shí)鐘同步成為重要問題之一。對(duì)分組傳送網(wǎng)的同步需求有兩個(gè)方面：一是可以承載TDM業(yè)務(wù)并提供TDM業(yè)務(wù)時(shí)鐘恢復(fù)的機(jī)制，使得TDM業(yè)務(wù)在穿越分組網(wǎng)絡(luò)后仍滿足一定的性能指標(biāo)(如ITU-TG.823/G.824規(guī)范);二是分組網(wǎng)絡(luò)可以像TDM網(wǎng)絡(luò)一樣，提供高精度的網(wǎng)絡(luò)參考時(shí)鐘，滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(如基站)的同步需求。

　　1 同步技術(shù)

　　時(shí)鐘同步包括：頻率同步和時(shí)間同步。頻率同步要求相同的時(shí)間間隔，時(shí)間同步要求時(shí)間的起始點(diǎn)相同和相同的時(shí)間間隔。

　　無線技術(shù)不同制式對(duì)時(shí)鐘的承載有不同的需求，GSM/WCDMA采用的是異步基站技術(shù)，只需要做頻率同步，精度要求0.05 ppm，而TD-SCDMA/CDMA2000需要時(shí)間同步，TD- SCDMA的精度要求為±1.5 μs。

　　從2004年開始，國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)部門(ITU-T)Q13/SG15開始逐步制訂關(guān)于分組網(wǎng)同步技術(shù)的系列建議書，主要有：G.8261(定義總體需求)、G.8262(定義設(shè)備時(shí)鐘的性能)、G.8264(主要定義體系結(jié)構(gòu)和同步功能模塊)。

　　IEEE在2002年發(fā)布了IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種精確時(shí)間同步協(xié)議(PTP)。IEEE1588是針對(duì)局域網(wǎng)組播環(huán)境制訂的標(biāo)準(zhǔn)，在電信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜環(huán)境下，應(yīng)用將受到限制。因此在2008年又發(fā)布了IEEE1588v2(以下簡(jiǎn)稱1588v2)，該版本中增加了適應(yīng)電信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)[1-5]。

　　因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議(NTP)實(shí)現(xiàn)了Internet上用戶與時(shí)間服務(wù)器之間時(shí)間同步。

　　2 同步以太網(wǎng)技術(shù)

　　物理層同步技術(shù)在傳統(tǒng)同步數(shù)字體系(SDH)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用廣泛。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可從物理鏈路提取線路時(shí)鐘或從外部同步接口獲取時(shí)鐘，從多個(gè)時(shí)鐘源中進(jìn)行時(shí)鐘質(zhì)量選擇，使本地時(shí)鐘鎖定在質(zhì)量最高的時(shí)鐘源，并將鎖定后的時(shí)鐘傳送到下游設(shè)備。通過逐級(jí)鎖定，全網(wǎng)逐級(jí)同步到主參考時(shí)鐘(PRC)被實(shí)現(xiàn)。對(duì)分組網(wǎng)絡(luò)也可采取相似的技術(shù)，其原理如圖1所示。

　　2.1 同步以太網(wǎng)原理

　　分組網(wǎng)絡(luò)中的同步以太網(wǎng)技術(shù)是一種采用以太網(wǎng)鏈路碼流恢復(fù)時(shí)鐘的技術(shù)。以太網(wǎng)物理層編碼采用4B/5B(FE)和8B/10B(GE)技術(shù)，平均每4個(gè)比特就要插入一個(gè)附加比特，這樣在其所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼流中不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)4個(gè)1或者4個(gè)0，可有效地包含時(shí)鐘信息。在以太網(wǎng)源端接口上使用高精度的時(shí)鐘發(fā)送數(shù)據(jù)，在接收端恢復(fù)并提取這個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘性能可以保持高精度。

　　同步以太網(wǎng)原理如圖2所示。在圖2中發(fā)送側(cè)設(shè)備(節(jié)點(diǎn)A)將高精度時(shí)鐘注入以太網(wǎng)的物理層芯片，物理層芯片用這個(gè)高精度的時(shí)鐘將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接收側(cè)的設(shè)備(B節(jié)點(diǎn))的物理層芯片可以從數(shù)據(jù)碼流中提取這個(gè)時(shí)鐘。在這個(gè)過程中時(shí)鐘的精度不會(huì)有損失，可以與源端保證精確的時(shí)鐘同步。同步以太網(wǎng)傳遞時(shí)鐘的機(jī)制與SDH網(wǎng)絡(luò)基本相似，也是從以太網(wǎng)物理鏈路恢復(fù)時(shí)鐘，因此從恢復(fù)的時(shí)鐘質(zhì)量不受鏈路業(yè)務(wù)流量影響，可提供與SDH/SONET網(wǎng)絡(luò)相同的時(shí)鐘樹部署和時(shí)鐘質(zhì)量，完全滿足G.823規(guī)定的定時(shí)接口指標(biāo)。

　　2.2 同步以太網(wǎng)SSM算法

　　同步狀態(tài)信息(SSM)算法源于SDH的時(shí)鐘同步控制，使用規(guī)則和時(shí)鐘選擇算法符合ITU-T G.781的規(guī)范。同步以太網(wǎng)的SSM控制繼承了SDH網(wǎng)絡(luò)特性，在傳統(tǒng)時(shí)鐘網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過增加以太網(wǎng)同步消息信道(ESMC)豐富了同步以太網(wǎng)的支持。G.8264里對(duì)其進(jìn)行了描述。以太網(wǎng)同步消息信道是媒體訪問控制(MAC)層的單向廣播協(xié)議信道，用于在設(shè)備間傳送同步狀態(tài)信息SSM。設(shè)備根據(jù)ESMC報(bào)文的SSM信息選擇最優(yōu)的時(shí)鐘源。

　　雖然標(biāo)準(zhǔn)SSM算法能夠很好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的同步，但是它有兩個(gè)不足之處：一是不能很好地處理同步時(shí)鐘成環(huán)的問題。需要在工程上和時(shí)鐘配置的時(shí)候特別注意，保證避免出現(xiàn)時(shí)鐘成環(huán)的情況。二是時(shí)鐘信號(hào)的衰減問題。隨著同步鏈路數(shù)的增加，同步分配過程的噪聲和溫度變化所引起的漂移都會(huì)使定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)的質(zhì)量逐漸劣化，因此在同一個(gè)同步鏈路上實(shí)際的可同步網(wǎng)元的數(shù)目是受限的，而通過標(biāo)準(zhǔn)SSM難以對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)。

　　中興通訊PTN設(shè)備采用了改進(jìn)的擴(kuò)展SSM算法，在ESMC報(bào)文里使用兩個(gè)類型-長(zhǎng)度-取值(TLV)傳遞SSM信息。第一個(gè)TLV傳遞原SSM字節(jié)的信息為同步質(zhì)量等級(jí)，遵循ITU-T標(biāo)準(zhǔn);另外一個(gè)TLV用于路徑保護(hù)。改進(jìn)的算法具有如下優(yōu)勢(shì)：

　　從根本上防止了時(shí)鐘成環(huán)。當(dāng)存在多條時(shí)鐘路徑時(shí)，自動(dòng)選擇最優(yōu)(最短)路由。只要存在到達(dá)主時(shí)鐘的路由，網(wǎng)元就會(huì)跟蹤主時(shí)鐘，而不會(huì)進(jìn)入自由振蕩狀態(tài)。算法為低層分布式處理，因此各網(wǎng)元地位等同，操作簡(jiǎn)單。標(biāo)準(zhǔn)的S1字節(jié)可以直接使用，不影響與其他廠家設(shè)備的對(duì)接。

　　3 時(shí)間同步技術(shù)

　　時(shí)間同步技術(shù)是頻率同步的進(jìn)一步發(fā)展。分組時(shí)間同步技術(shù)采用分組協(xié)議數(shù)據(jù)單元作為時(shí)鐘或時(shí)間信息的載體，是實(shí)現(xiàn)主時(shí)鐘與從時(shí)鐘時(shí)間之間同步比較好的方式。其基本原理如圖3所示。

　　3.1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議

　　在IEEE 1588v2技術(shù)出現(xiàn)以前，在分組網(wǎng)絡(luò)中用于時(shí)間同步的協(xié)議主要的有3種：時(shí)間協(xié)議、日時(shí)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)。NTP由純軟件實(shí)現(xiàn)，精度比較低。目前廣泛使用的NTPv3可以達(dá)到10 ms左右的同步精度。IETF正在進(jìn)行NTPv4的標(biāo)準(zhǔn)工作，支持IPv6和動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)服務(wù)器，預(yù)計(jì)同步精度可達(dá)到10 μs級(jí)。NTP的穩(wěn)定性和精度還不能滿足電信網(wǎng)的高要求。

　　3.2 1588v2協(xié)議

　　3.2.1 1588v2協(xié)議的實(shí)現(xiàn)原理

　　1588v2是未來統(tǒng)一提供時(shí)間同步和頻率同步的方法，能適合于不同傳送平臺(tái)的局間時(shí)頻傳送，既可以基于1588v2的時(shí)間戳以基于分組的時(shí)間傳送(TOP)方式單向傳遞頻率，也可使用IEEE 1588v2的協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，在PTN設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

　　1588v2時(shí)間同步的核心思想是采用主從時(shí)鐘方式，對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行編碼，利用網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱性和延時(shí)測(cè)量技術(shù)，通過報(bào)文消息的雙向交互實(shí)現(xiàn)主從時(shí)間的同步。

　　1588v2協(xié)議原理如圖4所示。圖中，Delay=(T2-T1+T4-T3)/2，Offset=(T2-T1-T4+T3)/2。

　　主時(shí)鐘(Master)與從時(shí)鐘(Slave)之間發(fā)送Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp消息。通過T1、T2、T3、T4這4個(gè)值，主從時(shí)種可計(jì)算出MaSTer與Slave之間延遲(Delay)，以及Master與Slave的時(shí)間差(Offset)。

　　同步消息類型有一般消息和事件消息。一般消息(例如Follow_Up)本身不進(jìn)行時(shí)戳處理，它可以攜帶事件消息(如Sync)的準(zhǔn)確發(fā)送或接收時(shí)間，還具有完成網(wǎng)絡(luò)配置、管理，或PTP節(jié)點(diǎn)之間通信的功能。事件消息本身需要進(jìn)行時(shí)戳處理，并可攜帶或不攜帶時(shí)戳。從時(shí)鐘根據(jù)事件消息的時(shí)戳或由一般消息攜帶的時(shí)戳計(jì)算路徑延遲和主從時(shí)鐘之間的時(shí)間差。