韋宇鵬,周桂虔,高宇晨
新郵通信設(shè)備有限公司
根據(jù)TD-SCDMA空中接口要求,各基站間時(shí)間精度相差不超過3 μs。在傳統(tǒng)的應(yīng)用中,所有時(shí)間同步都采用基站直接外掛GPS接收器的方式。此方式成本較高,安裝、施工、維護(hù)困難,也存在資源使用安全隱患。為了解決這個(gè)問題,基于以太網(wǎng)的IEEE 1588(簡稱1588)精確時(shí)間協(xié)議(precision time protocol,PTP)得到了極大的重視和迅速的發(fā)展。
IEEE 1588同步系統(tǒng)是一種主從同步系統(tǒng)。在系統(tǒng)的同步過程中,主時(shí)鐘(Master)通過PTP報(bào)文周期性發(fā)布時(shí)間信息,從時(shí)鐘(Slave)接收主時(shí)鐘發(fā)來的時(shí)間信息,據(jù)此計(jì)算出主從線路時(shí)間延時(shí)及主從時(shí)間差,并利用該時(shí)間差調(diào)整本地時(shí)間,使從設(shè)備時(shí)間與主設(shè)備時(shí)間保持頻率與相位的一致。1588協(xié)議協(xié)商流程如圖1所示。
目前現(xiàn)網(wǎng)基站回傳多采用MSTP的承載方式,即基于SDH構(gòu)建多業(yè)務(wù)剛性管道。MSTP的內(nèi)核是傳統(tǒng)的電路交換,適合于承載語音等TDM業(yè)務(wù),但是隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷增多,業(yè)務(wù)的全I(xiàn)P化已經(jīng)成為事實(shí)。MSTP在承載大顆粒IP業(yè)務(wù)方面,不支持統(tǒng)計(jì)復(fù)用,效率低下,不適應(yīng)IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)帶寬突發(fā)性高的特點(diǎn),不利于未來的業(yè)務(wù)擴(kuò)展和網(wǎng)絡(luò)升級(jí)。在這種情況下,更適應(yīng)IP業(yè)務(wù)的分組化傳輸網(wǎng)(PTN)逐步成為基站回傳網(wǎng)絡(luò)的主流。
PTN傳承了以太網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)和簡潔,吸收了ATM的分組化思想,基于MPLS標(biāo)簽的靈活性,繼承了SDH強(qiáng)大的OAM能力,正表現(xiàn)出越來越旺盛的生命力。由于PTN的傳輸介質(zhì)為以太網(wǎng),因此可以天然支持1588精確時(shí)間協(xié)議。
采用PTN網(wǎng)絡(luò)承載基站回傳業(yè)務(wù)的同時(shí),將1588技術(shù)移植到PTN網(wǎng)絡(luò)中,則可以充分利用1588微秒級(jí)的傳遞精度實(shí)現(xiàn)RNC到各基站的同步時(shí)間分發(fā),把GPS接收器集中上移到RNC側(cè),這樣不僅能降低系統(tǒng)組網(wǎng)成本,而且也降低了安裝維護(hù)的困難。典型的PTN、1588和TD-SCDMA組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。
RNC側(cè)和基站側(cè)的實(shí)現(xiàn)比較簡單,一般RNC側(cè)配置時(shí)間同步設(shè)備,工作于OC Master模式;基站側(cè)工作于OC Slave模式,通過接收PTN設(shè)備傳遞的PTP報(bào)文獲取時(shí)間信息。
PTN支持設(shè)備1588協(xié)議,可以有以下三種方案。
第一種是給PTN配置外置時(shí)間設(shè)備,由PTN給相連接的基站授時(shí),此時(shí)PTN設(shè)備工作在OC Master模式。此模式實(shí)現(xiàn)簡單,結(jié)構(gòu)清晰,但是需要為每臺(tái)PTN設(shè)備配置額外的時(shí)間設(shè)備,同時(shí)并未真正實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)間同步,所以僅作為網(wǎng)絡(luò)改造的過渡性方案。
第二種方案是PTN接收PTP報(bào)文,按照正常協(xié)議報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā),即PTN設(shè)備工作在非PTP節(jié)點(diǎn)模式。此模式下PTN設(shè)備不需要承擔(dān)額外的工作,實(shí)現(xiàn)簡單,但一旦網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加重,其時(shí)間質(zhì)量將無法保證。對(duì)此模式的改進(jìn)措施是:PTN設(shè)備區(qū)分PTP報(bào)文,考慮本設(shè)備處理延時(shí),將此延時(shí)補(bǔ)償?shù)絇TP報(bào)文的時(shí)間戳內(nèi),這種工作方式就是1588協(xié)議內(nèi)的TC模式。
第三種方案是PTN接收來自上級(jí)設(shè)備的PTP報(bào)文,解析報(bào)文并得到上級(jí)的時(shí)間信息,相對(duì)于上級(jí)設(shè)備,PTN設(shè)備工作在OC Slave。同時(shí),PTN設(shè)備生成自己的PTP報(bào)文,并通過1588協(xié)議將此報(bào)文送往下級(jí)設(shè)備,相對(duì)于下級(jí)設(shè)備,PTN設(shè)備工作在OC Slave。這種工作方式就是BC模式。
要分析PTN應(yīng)用于基站回傳時(shí)1588精確時(shí)間協(xié)議的性能,就要先分析時(shí)間偏差是如何產(chǎn)生的,以一個(gè)最簡單的網(wǎng)絡(luò)模型為例說明,如圖3所示。
網(wǎng)絡(luò)設(shè)備A,工作于OC Master模式;網(wǎng)絡(luò)設(shè)備B,工作于OC Slave模式。兩者通過PTP報(bào)文的交互,將A的時(shí)間信息同步到B。1588協(xié)議的時(shí)間計(jì)算公式內(nèi)部包含一個(gè)重要的假設(shè):(即A至B、B至A其傳輸時(shí)間是一致的)
實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中,兩端的硬件處理時(shí)間并不相同,PTP報(bào)文在物理鏈路中的傳輸延時(shí)也不相同,與總是存在一定偏差。設(shè)定,則就是由于傳輸路徑不對(duì)稱而引入的偏差。包含兩部分分量,靜態(tài)偏差和抖動(dòng)偏差。為理想狀態(tài)下,A、B間因物理介質(zhì)和ASIC處理速度不同造成的靜態(tài)不對(duì)稱偏差。為由于網(wǎng)絡(luò)變化或硬件隊(duì)列變化引起的動(dòng)態(tài)不對(duì)稱偏差。造成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備B的同步時(shí)間與理論值之間存在一個(gè)固定差值,表現(xiàn)為一個(gè)離散量,造成同步時(shí)間在兩側(cè)反復(fù)抖動(dòng)。
理想狀態(tài)下,PTP報(bào)文發(fā)送的周期是恒定的,同類PTP報(bào)文之間相隔固定的時(shí)間差。但是實(shí)際情況下,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備A的頻率并非恒定,頻率的抖動(dòng)就造成PTP報(bào)文的間隔時(shí)間存在一定的離散性。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備B同步一個(gè)PTP報(bào)文間隔時(shí)間不斷變化的時(shí)間源,結(jié)果就是其得到的時(shí)間信息隨著PTP報(bào)文的間隔時(shí)間不斷變化,也呈現(xiàn)出一定的離散性。通過算法,可以降低此離散性的影響,但無法完全消除,因?yàn)槔碚撋喜淮嬖谝粋€(gè)標(biāo)準(zhǔn)的間隔時(shí)間差作為參考。這個(gè)偏差記為 Δty。
我們發(fā)現(xiàn)Δtx在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的影響也可以等效為PTP報(bào)文的時(shí)間間隔差,因此合并 Δtx和 Δty,記為 Δt,得到了1588的偏差時(shí)間t=t0+Δt,其表現(xiàn)如圖4所示,最終的時(shí)間偏差會(huì)在陰影范圍內(nèi)浮動(dòng)。
要進(jìn)一步分析和,需要探討1588模塊的具體實(shí)現(xiàn)。
在一個(gè)同步設(shè)備實(shí)現(xiàn)1588協(xié)議棧的軟硬件架構(gòu)中,主要考慮發(fā)送、接收PTP事件消息的時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生的時(shí)間戳,這個(gè)時(shí)間戳的精度將對(duì)系統(tǒng)同步精度產(chǎn)生較大影響,理想的時(shí)間戳值應(yīng)該是PTP事件消息剛好穿過PTP節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的邊界處的時(shí)間。所以在PTP的實(shí)現(xiàn)中,時(shí)間戳的產(chǎn)生越靠近物理層,相對(duì)的時(shí)間精度越高,在分析1588同步系統(tǒng)的時(shí)延精度時(shí),硬件如何支持時(shí)間戳的產(chǎn)生是影響時(shí)延精度的重要因素之一。目前主流的硬件實(shí)現(xiàn)方案有三種,如圖5所示。
方案一是通過物理層的PHY芯片完成PTP報(bào)文的獲取以及時(shí)間的標(biāo)記,將標(biāo)記好的PTP報(bào)文信息通過專用接口送到算法處理模塊,其余報(bào)文送往業(yè)務(wù)處理模塊。此時(shí),引入的同步時(shí)間偏差包含:傳輸路徑造成的靜態(tài)偏差t0,本端PHY芯片與遠(yuǎn)端PHY芯片的頻率偏差Δt1,即:t=t0+Δt1。
方案二是通過專用MAC芯片 (FPGA或ASIC)完成PTP報(bào)文的獲取以及時(shí)間的標(biāo)記,與第一種方案相比,同步時(shí)間偏差增加了因?qū)S肕AC芯片造成的頻率偏差Δt2,即:t=t0+Δt1+Δt2。
方案三依靠報(bào)文的MAC地址區(qū)分PTP報(bào)文,使用Switch將PTP報(bào)文送往1588專用處理模塊,而專用處理模塊集成時(shí)間戳模塊和算法處理模塊,完成1588協(xié)議的相關(guān)處理。與前兩種方案相比,除了靜態(tài)偏差t0、PHY引入的頻率偏差Δt1、Switch引入的頻率偏差Δt2、專用處理模塊引入的頻率偏差Δt3,還包括由于Switch流量不均衡造成的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間偏差。轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間偏差影響PTP報(bào)文的時(shí)間間隔,因此也可以等效為頻率偏差,記為 Δt4,即:t=t0+Δt1+Δt2+Δt3+Δt4。
對(duì)比三種實(shí)現(xiàn)方案,第一種方案的精度最高,但要求物理層芯片能夠滿足PTP協(xié)議的相關(guān)要求,一般由PHY芯片供應(yīng)商提供專用PHY芯片,配合CPU或FPGA作為算法實(shí)現(xiàn)模塊;第二種方案精度與第一種相差不大,一般由轉(zhuǎn)發(fā)芯片供應(yīng)商提供專用MAC芯片;第三種方案引入的Δt4是一種基于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的延時(shí),受流量影響大,在流量負(fù)載較小的情況下,Δt4會(huì)趨近于0;在流量負(fù)載較大的情況下,Δt4會(huì)迅速增加,甚至成為影響1588協(xié)議時(shí)鐘精度的主要原因,但此方案的優(yōu)勢(shì)在于不改變?cè)布?、軟件架?gòu),可實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。
首先分析頻率偏差的影響,工作在主從模式下的兩臺(tái)設(shè)備各使用本地晶振來獲取時(shí)間,影響時(shí)延精度的一個(gè)重要因素就是晶振頻率誤差。對(duì)高穩(wěn)晶振的時(shí)頻誤差分析可以使用阿倫方差的分析方法,阿倫方差的定義是:
其中yn表示在第n個(gè) 采樣周期上的平均頻率偏差,尖括號(hào)表示在一段有限時(shí)間內(nèi)的平均:
xn為采樣點(diǎn)n處測(cè)得的時(shí)間(相位)誤差,對(duì)某時(shí)鐘穩(wěn)定度的度量可以用前后兩個(gè) 時(shí)間間隔上的平均頻率偏差的差值來反映,將式(2)代入式(1),可以得到:
阿倫方差的值越小,意味著相應(yīng)的時(shí)鐘穩(wěn)定度越好。
在一個(gè)主從時(shí)間同步系統(tǒng)中,如果已知主、從設(shè)備晶振的阿倫方差σy()以及兩設(shè)備間時(shí)間同步消息的收發(fā)周期Tsync,則有可能算出由于晶振誤差造成的系統(tǒng)時(shí)間誤差:對(duì)阿倫方差在Tsync上積分一次,加上一個(gè)固定的頻率偏差值,可以得到經(jīng)過 Tsync后的頻率偏差 y(t),對(duì) y(t)積分,加上固定的時(shí)間偏差值,則可知經(jīng)過Tsync后的時(shí)間誤差值,假設(shè)時(shí)間偏差值可以通過PTP算法得到補(bǔ)償,且主從設(shè)備的晶振統(tǒng)計(jì)獨(dú)立,則經(jīng)過Tsync后的時(shí)間誤差值:
其中yM和yS分別表示主從設(shè)備的頻率偏差。從式(4)可以看出,影響一個(gè)主從時(shí)間同步系統(tǒng)時(shí)間誤差的因素除了主從設(shè)備的晶振阿倫方差外,設(shè)備間時(shí)間同步消息的收發(fā)周期Tsync也是一個(gè)重要的影響因素。
圖6為分別采用兩種不同精度的晶振作為主從時(shí)鐘,對(duì)應(yīng)不同Tsync測(cè)得的時(shí)間誤差值。從圖中可以看到精度越高的晶振在相同的同步周期Tsync下誤差越小。對(duì)于同一晶振來說,為了物理實(shí)現(xiàn)上的簡化,希望同步周期Tsync越大越好,在圖中曲線開始上升的拐點(diǎn)則意味著無法再通過提高時(shí)間信息的收發(fā)頻率來提高系統(tǒng)性能,隨著同步周期Tsync的增加,誤差開始增加,因此這個(gè)拐點(diǎn)對(duì)于設(shè)計(jì)PTP同步周期具有指導(dǎo)意義。
以圖 7為例分析網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延,A為 OC Master,C為OC Slave,B為線路節(jié)點(diǎn),實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中B節(jié)點(diǎn)可視為一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。B節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的流量負(fù)載不均衡,會(huì)影響PTP報(bào)文的時(shí)間間隔,等效于引入了新的偏差量Δt5。同時(shí),由于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中,A與C之間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑變化,等效于產(chǎn)生了新的靜態(tài)偏差和抖動(dòng)偏差Δt6。相比于單節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)偏差t0,t1遠(yuǎn)大于t0,合并兩個(gè)變量并將新的變量仍然標(biāo)記為。最后得出實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的1588時(shí)間精度偏差:
其中,t0為收發(fā)不對(duì)稱造成的靜態(tài)延時(shí),Δt1為PHY的頻偏引入的抖動(dòng)延時(shí),Δt2為MAC芯片頻偏引入的抖動(dòng)延時(shí),Δt3為專用1588處理模塊頻偏引入的抖動(dòng)延時(shí),Δt4為Switch芯片轉(zhuǎn)發(fā)引入的延時(shí),Δt5為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí),Δt6為轉(zhuǎn)發(fā)路徑變化造成的延時(shí)。
隨著網(wǎng)絡(luò)的增大和PTP報(bào)文跳數(shù)的增加,1588精確時(shí)間協(xié)議的累積偏差呈上升趨勢(shì)。從主時(shí)鐘源到基站之間有兩種時(shí)鐘組網(wǎng)方案:邊界時(shí)鐘和透明時(shí)鐘,其區(qū)別主要在傳遞時(shí)間信息的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是工作在BC模式還是在TC模式。
工作在邊界模式的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò),可以視為多個(gè)主從設(shè)備的級(jí)連。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,時(shí)間誤差產(chǎn)生的原因是每級(jí)主從設(shè)備時(shí)鐘晶振頻率誤差造成的時(shí)間抖動(dòng)誤差。所以,邊界時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)最遠(yuǎn)端的時(shí)間誤差TD可以表示為:TD=∑N-1TXO,其中N為網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備數(shù),TXO為主從設(shè)備間由于時(shí)鐘晶振頻率誤差造成的時(shí)間抖動(dòng)誤差。如果B節(jié)點(diǎn)工作于BC模式,則B節(jié)點(diǎn)同步A節(jié)點(diǎn)時(shí)間到本地后,根據(jù)本地時(shí)間再生成PTP報(bào)文與C節(jié)點(diǎn)交互,實(shí)際的PTP報(bào)文并未經(jīng)過B節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā),因此Δt5近似為 0。
工作在透明模式的時(shí)間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),時(shí)鐘設(shè)備如何獲取本地時(shí)延將是影響系統(tǒng)時(shí)延誤差的重要因素,在PTP協(xié)議中介紹了兩種方法:①通過估計(jì)主時(shí)鐘頻率來計(jì)算本地時(shí)延;②使用自由運(yùn)行的本地時(shí)鐘頻率來計(jì)算本地時(shí)延。如果B節(jié)點(diǎn)工作于TC模式,則理論上可以將B節(jié)點(diǎn)視為透明的偽線,不會(huì)引入額外的頻率抖動(dòng)Δt5。但是實(shí)際情況中,TC模式嚴(yán)重依賴于硬件實(shí)現(xiàn),引入了內(nèi)部處理的誤差,特別是專用芯片對(duì)PTP報(bào)文的過濾和處理速度,并且TC模式下PTP報(bào)文仍然會(huì)通過B節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),因此TC模式難以完全消除的Δt5影響。
15 88協(xié)議時(shí)延的消除,依賴于硬件設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃兩個(gè)方面。
硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)中,盡量采用圖5中的方案一,通過PHY直接處理 PTP報(bào)文時(shí)間戳信息,可以屏蔽 Δt2、Δt3、Δt4帶來的影響,如果采用其他方案,盡量選擇較高精度的晶振,并提高PTP報(bào)文發(fā)送頻率。通過引入同步以太網(wǎng)技術(shù),可以減小由于PHY頻偏造成的偏差Δt1。一般提供給PHY芯片時(shí)鐘精度為幾十ppm,而同步以太網(wǎng)可以達(dá)到的時(shí)鐘精度為0.05 ppm,Δt1的影響可以大幅減小。
在PTN網(wǎng)絡(luò)中,由于面向連接,采用固定LSP轉(zhuǎn)發(fā),轉(zhuǎn)發(fā)路徑不會(huì)發(fā)生變化,因此Δt6恒為0。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)只需要考慮網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)延時(shí)Δt5和靜態(tài)延時(shí)t0的影響即可。
對(duì)于Δt5,按照?qǐng)D7的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?,?dāng)中間節(jié)點(diǎn)B工作在BC模式時(shí),Δt5恒為0。網(wǎng)絡(luò)簡單、負(fù)載較小的情況下,中間節(jié)點(diǎn)工作于BC、TC性能差異不大,但隨著網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化,由于TC模式嚴(yán)重依賴于硬件實(shí)現(xiàn),Δt5的影響將被逐漸放大。如果節(jié)點(diǎn)B為非PTP節(jié)點(diǎn),可以考慮A節(jié)點(diǎn)的PTP報(bào)文使用專用VLAN,封入專用偽線,B節(jié)點(diǎn)采用高優(yōu)先級(jí)方式轉(zhuǎn)發(fā)此偽線的信息,以盡量減小Δt5的影響。
t0受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境制約,在單點(diǎn)情況下影響很小,但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大、跳數(shù)不斷增加、環(huán)境不斷復(fù)雜后,t0的離散度將逐漸放大。1588時(shí)間域越大,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境越復(fù)雜,t0離散度越大,對(duì)1588時(shí)間精度產(chǎn)生的偏差影響也越大。解決辦法是各網(wǎng)元盡量采用專用PTP節(jié)點(diǎn),特別是避免PTP報(bào)文經(jīng)過無法保證優(yōu)先級(jí)和帶寬的網(wǎng)元。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)安排BC節(jié)點(diǎn),將一個(gè)較大的1588時(shí)間域分割為數(shù)個(gè)較小的1588時(shí)間域。t0偏差是可補(bǔ)償?shù)模梢栽诮ㄕ緯r(shí)測(cè)試實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的偏差給予補(bǔ)償,也可以根據(jù)某些動(dòng)態(tài)算法適時(shí)調(diào)整。
對(duì)于基站設(shè)備,應(yīng)用場景簡單,多工作于OC Slave模式。相對(duì)目前的轉(zhuǎn)發(fā)交換ASIC,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量較小,產(chǎn)生的偏差Δt5影響也較小。同時(shí)基站作為1588時(shí)間協(xié)議的最終端,容許的偏差范圍也較大。因此可以根據(jù)情況,靈活選擇解決方案,但盡量不要將交換系統(tǒng)前置,同時(shí)盡量采用同步以太網(wǎng)技術(shù)。
對(duì)于PTN設(shè)備,由于網(wǎng)絡(luò)層次較高,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量大,因此建議配置為PTP節(jié)點(diǎn),并采用圖5所示的硬件方案一,同時(shí)必須使用同步以太網(wǎng)。PTN設(shè)備應(yīng)盡量屏蔽內(nèi)部交換系統(tǒng)帶來的影響,由于此偏差隨負(fù)載的增大而增大,因此對(duì)于匯聚層和接入層設(shè)備,要求不同——匯聚層設(shè)備由于負(fù)載流量較大,現(xiàn)階段應(yīng)采用BC模式;接入層設(shè)備可以根據(jù)流量實(shí)際情況靈活選擇。特別需要說明的是,有條件的接入層PTN設(shè)備可以選擇采用TC+OC的模式,以避免1588時(shí)間域過多,合理劃分時(shí)間域,此模式的另一個(gè)好處是,現(xiàn)網(wǎng)中接入層多采用雙歸屬的方法,通過兩個(gè)核心節(jié)點(diǎn)接入?yún)R聚層,因此此模式下每個(gè)接入層PTN設(shè)備都可以接收到兩個(gè)匯聚層核心節(jié)點(diǎn)的時(shí)間信息,可以實(shí)現(xiàn)多主情況下時(shí)鐘源的選擇和保護(hù)。
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