PTN時鐘同步技術及應用

3 時間同步技術

時間同步技術是頻率同步的進一步發展。分組時間同步技術采用分組協議數據單元作為時鐘或時間信息的載體，是實現主時鐘與從時鐘時間之間同步比較好的方式。其基本原理如圖3所示。

3.1 網絡時間協議

在IEEE 1588v2技術出現以前，在分組網絡中用于時間同步的協議主要的有3種：時間協議、日時協議和網絡時間協議(NTP)。NTP由純軟件實現，精度比較低。目前廣泛使用的NTPv3可以達到10 ms左右的同步精度。IETF正在進行NTPv4的標準工作，支持IPv6和動態發現服務器，預計同步精度可達到10 μs級。NTP的穩定性和精度還不能滿足電信網的高要求。

3.2 1588v2協議

3.2.1 1588v2協議的實現原理

1588v2是未來統一提供時間同步和頻率同步的方法，能適合于不同傳送平臺的局間時頻傳送，既可以基于1588v2的時間戳以基于分組的時間傳送(TOP)方式單向傳遞頻率，也可使用IEEE 1588v2的協議實現時間同步，在PTN設備中得到廣泛應用。

1588v2時間同步的核心思想是采用主從時鐘方式，對時間信息進行編碼，利用網絡的對稱性和延時測量技術，通過報文消息的雙向交互實現主從時間的同步。

1588v2協議原理如圖4所示。圖中，Delay=(T2-T1+T4-T3)/2，Offset=(T2-T1-T4+T3)/2。
主時鐘(Master)與從時鐘(Slave)之間發送Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp消息。通過T1、T2、T3、T4這4個值，主從時種可計算出Master與Slave之間延遲(Delay)，以及Master與Slave的時間差(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)本身不進行時戳處理，它可以攜帶事件消息(如Sync)的準確發送或接收時間，還具有完成網絡配置、管理，或PTP節點之間通信的功能。事件消息本身需要進行時戳處理，并可攜帶或不攜帶時戳。從時鐘根據事件消息的時戳或由一般消息攜帶的時戳計算路徑延遲和主從時鐘之間的時間差。

3.2.2 時鐘類型

1588v2基于Ethernet/IPv4/v6/UDP等協議之上，共定義了3種基本時鐘類型：普通時鐘(OC)、邊界時鐘(BC)和透明時鐘(TC)。

普通時鐘是單端口器件，可以作為主時鐘或從時鐘。一個同步域內只能有唯一的主時鐘。主時鐘的頻率準確度和穩定性直接關系到整個同步網絡的性能。一般可考慮PRC或同步于全球定位系統(GPS)。從時鐘的性能決定時戳的精度以及Sync消息的速率。

邊界時鐘是多端口器件，可連接多個普通時鐘或透明時鐘。邊界時鐘的多個端口中，有一個作為從端口，連接到主時鐘或其他邊界時鐘的主端口，其余端口作為主端口連接從時鐘或下一級邊界時鐘的從端口，或作為備份端口。

透明時鐘連接主時鐘與從時鐘，它對主從時鐘之間交互的同步消息進行透明轉發，并且計算同步消息(如Sync、Delay_Req)在本地的緩沖處理時間，并將該時間寫入同步消息的CorrectionField字節塊中。從時鐘根據該字節中的值和同步消息的時戳值Delay和Offset實現同步。TC又可分為E2E TC和P2P TC。

3.2.3 1588v2協議的延遲

延遲是影響1588v2精度的主要因素之一。延遲主要有時戳處理延遲、節點緩沖延遲和路徑延遲。

(1)時戳處理延遲

1588v2的時戳處理由硬件完成，時戳處理單元的位置處于物理層與MAC層之間。如圖5所示。

硬件時戳處理可以補償1588v2協議幀通過協議棧時消耗的時間，保證端口消息發送和接收時戳的精度。

(2)節點緩沖與路徑延遲

1588v2定義兩種透明時鐘，用于節點緩沖延遲補償：E2E TC和P2P TC。對于傳輸路徑的補償，有兩種方式：時延請求反應方式和點對點時延方式。

時延請求反應方式結合E2E TC使用。TC只需要在入口和出口處在報文上標記處理時戳，時間延遲補償的計算全部由Slave完成。

點對點時延方式結合P2P TC使用。TC參與端點間的時間延遲計算，每個端點分別與TC交互，并計算P2P之間的時間延遲。Slave利用計算結果計算延遲補償。

3.2.4 1588v2協議在PTN上的實現

1588v2的同步精度在實際網絡部署中受到多方面因素的影響，復雜網絡環境(如微波和交換網絡的混合組網)的使用目前還在研究當中。在純分組的測試網絡中，1588v2可以達到100 ns級的精度，但是由于網絡時延復雜性和1588v2的雙向路徑非對稱性的不可控，導致單純依賴1588v2協議和數理分析算法去適應網絡環境，存在著難以預知的風險。例如在網絡負荷較重時，由于單純1588v2報文發包頻率很高，在網絡中1588v2報文容易受到業務報文的影響，對時間延遲精度產生很大的影響。而降低報文發包頻率，又會導致時間收斂速度較慢。另外在實際工程中，需要對1588v2算法進行雙向路徑非對稱性補償。非對稱性主要來源于光纖不對稱。測量光纖不對稱通常做法是采用昂貴的時間同步測試儀和示波器進行時間誤差測量，再進行非對稱性時延補償。由于PTN接入節點數量多，工作量大且需要專業人員操作，而且時間同步測試儀和示波器等相關儀器工程人員攜帶不方便，難以普遍推廣實施，導致1588v2在工程可實施性上存在爭論。

中興通訊的PTN產品針對上述問題，提出了同步以太網基礎的1588v2時間傳遞方案。方案核心思想是建立時鐘和時間分離且高度可控的網絡，排除了不可預知的風險。在同步以太網物理層穩定頻率同步的基礎上實施1588v2，有助于時間同步的快速收斂，而且可以降低1588v2報文發送頻率，在網絡負荷較重時，也不影響時間精度，使PTN時間同步具有更高可靠性和更高精度。為了解決PTN非對稱性測量的工程問題，接入層PTN設備上集成了時間誤差測量功能，迅速準確，不需要專業儀表，容易操作實施。

4 典型應用

4.1 同步以太網應用

同步以太網的組網應用和SDH類似，支持環網和樹狀網組網，通常由無線網絡控制器(RNC)提供時鐘源，時鐘信息通過同步以太網傳送后到達各個基站，從而保持全網同步狀態。在樹狀組網中，無時鐘路由保護；在環網組網中，如果當前時鐘路由發生故障，通過告警、SSM信息等相關網元可以從其他方向跟蹤源時鐘，從而實現時鐘路由保護。同步以太網組網實例如圖6所示。