曹強 朗訊科技光網(wǎng)絡有限公司工程師，上海交通大學在讀碩士研究生

OTN設備時間同步方案研究與硬件實現(xiàn)

曹強 朗訊科技光網(wǎng)絡有限公司工程師，上海交通大學在讀碩士研究生

根據(jù)移動網(wǎng)絡對時間同步的要求，對比了在不同層次的網(wǎng)絡部署時鐘源設備的優(yōu)劣，分析了光傳送網(wǎng)（OTN）實現(xiàn)時間同步的多種技術(shù)，提出了OTN網(wǎng)絡中時間同步的硬件實現(xiàn)方案。

1588v2 PTP 同步以太網(wǎng) OTN OSC

1 引言

移動網(wǎng)絡對高精度時間同步有嚴格的要求，基站工作的切換、漫游等都需要精確的時間控制。傳統(tǒng)的在每個基站直接部署GPS的方案成本高且安裝難度大。近年來，通過地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)來傳遞時間同步已成為運營商的共識，這種趨勢已經(jīng)在最近部署的分組傳送網(wǎng)（PTN）中集中體現(xiàn)，通過支持1588v2協(xié)議來實現(xiàn)時間傳遞的方案進入商用階段，而傳輸核心層網(wǎng)絡如OTN對于承載1588v2協(xié)議目前尚無正式標準。本文比較了幾種OTN網(wǎng)絡承載1588方案的優(yōu)缺點，并提出了OSC傳送時間同步的一種硬件實現(xiàn)方案。

表1 時間相位同步要求分級

3.1 同步概念

通信網(wǎng)中同步首先是指時鐘同步，也即時鐘頻率的誤差在標準范圍之內(nèi)，如ITU-TG.813定義了SDH網(wǎng)絡的時鐘性能。隨著移動通信的發(fā)展，僅有頻率同步已經(jīng)不能滿足新業(yè)務的要求，時分雙工（TDD）模式無線系統(tǒng)要求嚴格的時間誤差來滿足移動業(yè)務的漫游和切換，稱為時間同步，就是通信網(wǎng)絡上各種通信設備的時間信息（年、月、日、時、分、秒）基于協(xié)調(diào)世界時（UTC）的時間偏差限定在足夠小的范圍內(nèi)的過程。G.8271將同步應用做了分級（見表1），部分應用所需時間誤差已進入納秒級。

2 OTN同步需求

在城域網(wǎng)中，PTN設備一般處于接入層和匯聚層中，基于PTN的移動基站的回傳網(wǎng)絡已經(jīng)廣泛部署。OTN一般位于匯聚層和核心層，隨著成本的降低，也逐漸在向接入層滲透的趨勢，把時鐘源上移到核心層的OTN部署，這樣大大的減少了時鐘源設備，OTN通過適當方式保證精確同步信息的傳遞，與PTN構(gòu)建成端到端的統(tǒng)一同步網(wǎng)絡，同步信息就可以由時間源穿越OTN網(wǎng)絡與PTN網(wǎng)絡到達基站，真正實現(xiàn)端到端的同步。

3 OTN網(wǎng)絡中的同步技術(shù)

3.2 同步技術(shù)

頻率同步是實現(xiàn)時間同步的基礎。類似于SDH的時鐘同步，同步以太網(wǎng)技術(shù)通過在以太網(wǎng)物理層的串行數(shù)據(jù)碼流中恢復出時鐘，實現(xiàn)時鐘傳遞，G.8262定義的同步以太網(wǎng)時鐘性能與G.813一致，同步精度與現(xiàn)有同步網(wǎng)（SDH）完全兼容，時鐘質(zhì)量等級由ESMC（以太網(wǎng)同步狀態(tài)管理通道）傳送。由CDR從物理層碼流恢復時鐘來實現(xiàn)頻率同步，方案簡單，引入抖動小。隨著運營商網(wǎng)絡的分組化演進，PTN網(wǎng)絡已經(jīng)逐漸取代SDH/MSTP網(wǎng)絡，而同步以太網(wǎng)也隨著PTN網(wǎng)絡的廣泛部署成為一種成熟的時鐘同步技術(shù)。

傳統(tǒng)的移動網(wǎng)授時方式都是靠直接大量在基站部署GPS來達到同步時間，而替代GPS的方案則由空中轉(zhuǎn)為地面網(wǎng)絡授時。NTP協(xié)議是一種廣泛應用的網(wǎng)絡時間協(xié)議，它基于軟件方式在應用層加蓋時間戳可以實現(xiàn)毫秒級同步精度，但這遠無法滿足如表1的電信級應用需求。IEEE1588v2是一種精準時間傳輸協(xié)議，也稱為PTP（精確時間協(xié)議），需要專門的硬件支持并在最靠近物理層打時間戳，排除了協(xié)議棧和操作系統(tǒng)引入的抖動和延時，從而可以實現(xiàn)納秒級的時間同步精度，完全能滿足電信級的同步精度需求；另一方面，PTP協(xié)議同時可支持從報文中恢復同步時鐘，因而在某些應用場合，只需通過支持PTP協(xié)議就可以實現(xiàn)頻率和時間的同步。

3.3 PTPoverOTN

OTN網(wǎng)絡承載1588v2，目前標準尚在制訂，業(yè)界主要有3種方式，即透傳、ESC、OSC。

●透傳方式，是經(jīng)時間源或者其他設備載有1588v2信息的GE接口直接透明封裝到ODU0，復用后在OTN線路中傳輸，或者通過GFP封裝后傳送。

●帶內(nèi)開銷方式（ESC），時間源設備通過1PSS+ ToD接口將時鐘信號接入到OTN設備，利用ODU或OTU的預留開銷實現(xiàn)1588v2時間信息的傳遞。

●帶外OSC方式，OTN的OSC通道是用來傳送網(wǎng)管、公務、控制平面、用戶通道等信息，稍加改造也可以用來承載1588v2的時間信息。

從公開的測試結(jié)果來看，透傳方式主要由于路徑上多個FIFO引入的時延不確定，實現(xiàn)精度比較差，適用于10μs量級以上；ESC和OSC都能實現(xiàn)較高的精度，但目前缺乏標準支持，各個廠商有各自實現(xiàn)，無法互通組網(wǎng)，ESC實現(xiàn)成本比較大，需要OT單盤支持PTP功能，適合新建網(wǎng)絡，而OSC方式則對網(wǎng)絡升級影響較小，只需增加支持PTP處理功能的板卡，網(wǎng)絡略作升級便可部署。

圖1 PTP overOSC系統(tǒng)實現(xiàn)

4 PTPoverOSC的硬件實現(xiàn)

傳統(tǒng)OTN網(wǎng)絡是異步網(wǎng)絡，為了支持時間同步需要改造光監(jiān)控通道（OSC），利用既有OSC通道同時傳送PTP報文，同時新增一個時鐘同步模塊來處理頻率同步和時間同步，圖1為PTPoverOSC的一種系統(tǒng)實現(xiàn)。

4.1 OSC傳送時間同步的系統(tǒng)實現(xiàn)

OSC是一個傳送控制管理和監(jiān)控的通道，特點是：不限制光放大器（EDFA）所用的泵浦波長，不限制兩個光放之間距離，不限制未來1310nm波長上的業(yè)務，當光放失效時它能繼續(xù)工作。選擇1510nm波長的快速以太網(wǎng)信號來傳送OSC（OSC一般支持快速以太網(wǎng)和SDH兩種方式），略加改造使其支持同步以太網(wǎng)便可實現(xiàn)傳遞同步頻率，同時增加PTP處理模塊利用OSC信道傳送1588報文實現(xiàn)時間同步，這個方案改造成本小且也減少了網(wǎng)絡升級的影響。

由于OSC是帶外波長，需要在線路信號進入光放之前通過光分路器把1510nm波長信號分路下來進入網(wǎng)元管理單元處理，待線路側(cè)信號放大后再通過光合路器把1510nm的OSC插入進來，這樣跟隨著OSC，時鐘頻率（EEC/SEC）和時間（PTP）實現(xiàn)了跨段的傳遞。

以圖1從左到右的一個業(yè)務流向為例，在OADM/ TM節(jié)點，合波器（WDMMUX）將光發(fā)射機發(fā)出的業(yè)務彩光進行合路后由功率放大器（BA）進行放大，其后OSC被插入線路信號中一起傳送到下一個線路放大器（ILA）節(jié)點，在進入ILA之前OSC被分下來進入同步模塊處理，從而ILA節(jié)點的時鐘與左側(cè)OADM/TM節(jié)點實現(xiàn)了同步。類似的右側(cè)的另一個OADM/TM節(jié)點又與ILA節(jié)點同步，這樣可以實現(xiàn)節(jié)點之間逐級同步。

4.2 硬件方案

如圖2所示，實現(xiàn)方案由修改后的OSC板卡和新增的時鐘板卡構(gòu)成。OSC板卡中以太網(wǎng)物理層芯片VSC8574支持1588v2和SyncE，負責打時戳和物理層時鐘恢復，對外通過SFP光電收發(fā)模塊將時鐘頻率和網(wǎng)管、時鐘報文轉(zhuǎn)成光以太網(wǎng)信號，再由光濾波器插入波分線路信號傳送或者分路下來進行同步處理。FPGA分離網(wǎng)管報文和時鐘報文（PTPPacket/ESMC Frame），前者送到網(wǎng)元管理板卡處理，后者時鐘相關(guān)報文送至時鐘板卡集中處理。時鐘板卡包含了兩部分功能，一是實現(xiàn)基于物理層信號的頻率同步處理，再者基于1588分組報文的時間同步處理。

（1）物理層時鐘處理

作為一個網(wǎng)絡時鐘節(jié)點，時鐘板卡或者CRU（時鐘恢復單元）負責根據(jù)輸入?yún)⒖紩r鐘的質(zhì)量和優(yōu)先級選擇參考時鐘源，經(jīng)鎖相環(huán)濾波后產(chǎn)生網(wǎng)元內(nèi)部使用的時鐘（T0）和外部輸出時鐘（T4），T0可通過承載OSC的同步以太網(wǎng)物理碼流與攜同該時鐘狀態(tài)信息SSM傳送到下一個網(wǎng)元，再由PHY芯片接收側(cè)CDR恢復出該時鐘，這樣網(wǎng)元之間實現(xiàn)了逐級的頻率同步。

時鐘頻率同步處理主要通過鎖相環(huán)和FPGA中SSM處理單元來實現(xiàn)。鎖相環(huán)的輸入時鐘源可以是BITS或者承載OSC的以太網(wǎng)物理層恢復時鐘，它們攜帶的SSM會被送進FPGA進行時鐘精度優(yōu)先級比較處理后擇優(yōu)選擇一組時鐘送給鎖相環(huán)的參考輸入，并設定好優(yōu)先級，鎖相環(huán)鎖定在優(yōu)先級最高的參考時鐘，一旦參考時鐘源丟失鎖相環(huán)可自動切換到第二高優(yōu)先級的時鐘源。這里用到了兩個鎖相環(huán)，鎖相環(huán)A在去抖動去漂移濾波后生成125MHz時鐘作為VSC8574的參考時鐘；鎖相環(huán)B則去抖后生成2.048MHz經(jīng)驅(qū)動器輸出為作為BITS時鐘。

SSM是同步狀態(tài)消息，如同SDH在開銷S1的低四位比特來傳送時鐘質(zhì)量的同步狀態(tài)消息，2Mbits的BTIS用第一個時隙（TS0）的部分比特來傳送SSM，同步以太網(wǎng)則使用G.8264規(guī)范的ESMC傳送。SSM處理器解析出所有接收到的參考時鐘源的等級和精度，系統(tǒng)選擇最高等級的時鐘源作為鎖相環(huán)的參考時鐘，其他時鐘源可設定優(yōu)先級作為切換備份。G.703標準接口的BITS，有120ohm和75ohm兩種線路阻抗，并有2Mbit/s與2MHz兩種信號，差別在于前者可攜帶SSM而后者只是時鐘。

圖2 PTP overOSC硬件框圖

目前，商用系統(tǒng)同步器方案可集成模擬和數(shù)字鎖相環(huán)，輸出頻率合成器，支持各種業(yè)務時鐘頻率，如同步以太網(wǎng)、SDH、SONET。以Zarlink公司的ZL30143為例，其支持ITU-TG.8262同步以太網(wǎng)時鐘，支持北美TelcordiaGR-1244三級鐘和GR-253標準，ITU-TG.813 SDH時鐘，以及G.781同步設備時鐘源功能（SETS），支持ITU-T G.823、G.824、G.8261的2048kbit/s和1544kbit/s接口，能輸入并產(chǎn)生幾乎所有標準的傳輸業(yè)務時鐘頻率，并有兩個獨立鎖相環(huán)，一個用于產(chǎn)生設備內(nèi)部公共時鐘參考，帶有抖動和漂移濾除；另一個專門用于SETS功能，濾波器只過濾抖動。

（2）PTP時鐘處理

圖3 TSU模塊框圖

PTP時鐘處理主要包括了打時間戳、PTP協(xié)議處理和時間恢復。時間同步的精度跟打時間戳的位置有很大關(guān)系，1588v2跟NTP的本質(zhì)區(qū)別在于1588時間戳需要專門硬件支持從而大幅提高時戳精度，本方案選擇在OSC板卡的PHY芯片的時間戳更新單元（TSU）上打時戳可以達到最接近物理層的位置更新時間戳，使得芯片內(nèi)部收發(fā)方向FIFO的不對稱性減少到了最低；PTP報文被OSC板卡的FPGA過濾出來后送由時鐘板卡的PTP引擎終結(jié)和處理。

VSC8574有4個獨立PHY通道，每個通道都集成一個TSU。TSU包括了輸入處理器，輸出處理器和本地時間計數(shù)器。如圖3所示，收發(fā)兩個處理器結(jié)構(gòu)是相似的，從物理層來的數(shù)據(jù)會首先進入幀首定界符SOF偵測模塊，隨后被送入可編程時間延時FIFO和分析器，F(xiàn)IFO會根據(jù)完成PTP幀更新所需時間延遲數(shù)據(jù)，分析器通過內(nèi)部的一組比較器在數(shù)據(jù)流中搜索PTP幀（可能被多個的協(xié)議在不同層封裝，如Ethernet，UDPover IPv4、UDPover IPv6、MPLS等），沒有匹配的幀則會透傳。時戳模塊等待SOF偵測指示，然后從本地計時器中獲取時戳，為改寫器生成新的時戳域（Timestamp_Field）或者修正域（Correction Field）。在接收方向，時戳模塊為改寫器計算出相應PTP幀到達PHY芯片的時間戳；在發(fā)送方向，時戳模塊為改寫器計算出物理編碼子層（PCS）發(fā)射PTP幀的時間戳。對于E2E透傳時鐘（TC），PTP事件包穿越TC設備的駐留時間會更新到PTP事件包、Sync、Follow_up的修正域中。對于P2P透傳時鐘，除了駐留時間還會把計算的端口間的鏈路延時更新到Sync、Follow_up的修正域中。改寫器（Rew riter）則實際負責把時戳寫到PTP幀里，同時計算和更新UDP的校驗和，并最終計算出新幀的FCS。本地計時器（LocalTimeCounter）頻率需要同步到時鐘板卡的鎖相環(huán)輸出的系統(tǒng)內(nèi)部時鐘，由時鐘板卡CPU修正TSU的ToD使之與系統(tǒng)保持時間同步。

時鐘板卡上的1588協(xié)議處理單元的包含了PTP引擎負責協(xié)議處理和時間恢復，ToD編解碼器，以及1PSS/ToD收發(fā)器。

PTP引擎是本地OC/BC處理1588報文和恢復時鐘的核心，這里終結(jié)PTP報文，執(zhí)行BMC算法選擇最佳主時鐘，進行1588協(xié)議處理，時間恢復，產(chǎn)生1588報文。

1PPS＆ToD是中國移動定義的高精度時間同步接口，采用RS422電平方式，可用于傳輸設備和時間源設備之間或者傳輸設備之間的互聯(lián)，實現(xiàn)時間對接。輸入接口可作為PTP主時鐘，為本地設備提供了一個外部時間同步參考，ToD解碼器接收來自外部主時鐘的Announce/sync消息，通過最佳主時鐘算法（BMCA）來實現(xiàn)最佳主時鐘的選擇；輸出方向，本地時鐘作為主時鐘，ToD編碼器則通過RS422發(fā)送器向外部設備發(fā)送時間信息。

5 結(jié)束語

通過1588v2來替代GPS實現(xiàn)端到端的時間同步已是業(yè)界廣泛共識，在核心層的OTN網(wǎng)絡實現(xiàn)時間同步已是趨勢。ITU-T正在積極推進電信網(wǎng)中時間同步標準的制訂，OTN網(wǎng)絡PTP的OSC承載方案在保證同步精度的情況下實現(xiàn)相對簡單，下一步將是優(yōu)化方案和進一步提高精度，并實現(xiàn)不同廠商設備之間的互聯(lián)互通。

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2 李曉珍.基于IEEE1588的網(wǎng)絡時間同步系統(tǒng)研究.中國科學院研究生院(國家授時中心).2011,5

3 ITU-T G.8271/Y.1366.Time and Phase Synchronization Aspects of Packet Networks(S).ITU-T Recommendation. 2013,8

4胡昌軍.PTPoverOTN的若干實現(xiàn)方式及其優(yōu)劣分析.電信網(wǎng)技術(shù).2011,12

5劉欣,張賀.基于省際OTN層面的1588v2時間同步技術(shù)應用初探.郵電設計技術(shù).2014,4

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2015-01-01）