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解决方案

1.        前言

 

1.1  背景

随着中国4G牌照的发放,就需要支撑4G移动回传的分组传送网络的建设,因为以SDH为基础的传统网络过渡到以IP为基础的以太承载网络目前还存在很多困难,一个关键技术是解决新网络对传统TDM业务的承载。而分组传送网络既能承载传统的TDM业务,也能面向现在以及将来的4G大数据IP业务。同时,针对4G网络的建设,移动基站需要支持频率和时间同步。本文主要针对有关频率和时间同步的相关技术----同步以太及IEEE1588v2进行简单的介绍。

 

1.2  同步的概念

同步的物理意义是指:两个或多个随时间变化的量,在变化过程中保持一致或一定的相对关系。在通信领域,同步一般可以包含频率同步和时间同步两层含义。

频率同步

频率同步,就是所谓时钟同步,是指信号之间的频率或相位上保持某种严格的特定关系,其相对应的有效瞬间以同一平均速率出现,以维持通信网络中所有的设备以相同的速率运行。 

数字通信网中传递的是对信息进行编码后得到的PCMPulse Code Modulation)离散脉冲。若两个数字交换设备之间的时钟频率不一致,或者由于数字比特流在传输中因干扰损伤,而叠加了相位漂移和抖动,就会在数字交换系统的缓冲存储器中产生码元的丢失或重复,导致在传输的比特流中出现滑动损伤。

时间同步

一般所说的时间有两种含义:时刻和时间间隔。前者指连续流逝的时间的某一瞬间,后者是指两个瞬间之间的间隔长。

时间同步的操作就是按照接收到的时间来调控设备内部的时钟和时刻。时间同步的调控原理与频率同步对时钟的调控原理相似,它既调控时钟的频率又调控时钟的相位,同时将时钟的相位以数值表示,即时刻。与频率同步不同的是,时间同步接受非连续的时间信息,非连续调控设备时钟,而设备时钟锁相环的调节控制是周期性的。

时间同步有两个主要的功能:授时和守时。用通俗的语音描述,授时就是对表。通过不定期的对表动作,将本地时刻与标准时刻相位同步;守时就是前面提到的频率同步,保证在对表的间隙里,本地时刻与标准时刻偏差不要太大。

频率同步和时间同步的区别

 

1:频率同步示意图

 

2:时间同步示意图

上图给出了时间同步与频率同步的区别。如果两个表的时间不一样,但是保

持一个恒定的差,比如6小时,那么这个状态称为频率同步(Frequency

synchronization);如果两个表(Watch AWatch B)每时每刻的时间都保持一

致,这个状态叫时间同步(Phase synchronization);

 

1.3  通讯网络对同步的需求

传统固网TDM业务对时钟同步的需求

传统固网的TDM的业务主要是语音业务。如果承载网络两端的时钟不一致,

长期积累后会造成滑码造成语音业务中断等问题。ITU-TG.823中定义了对固网TDM业务的需求和测试标准,称为TRAFFIC接口标准。

   无线接入对同步的需求

通讯网络对时钟频率最苛刻的需求体现在无线应用上,不同基站之间的频率

必须同步在一定精度之内,否则基站切换时会出现掉线。与前面提到的固网TDM

应用不同的是,这里的时钟是指无线的射频时钟。在这个应用场景下,对时钟频

率的需求要高于前者。

目前的无线技术存在多种制式,不同制式下对时钟的承载有不同的需求,如下表所示。


 

 

制式

频率精度

时间精度

GSM

0.05ppm

N/A

WCDMA

0.05ppm

N/A

TD-SCDMA

0.05ppm

3us

CDMA200

0.05ppm

3us

WiMax FDD

0.05ppm

N/A

WiMax TDD

0.05ppm

1us

FDD LTE

0.05ppm

4us(MBMS)

TDD LTE

0.05ppm

0.4us 0.1us(定位业务)

1:不同制式对时钟的承载的需求

总的来看,以GSM/WCDMA为代表的欧洲标准采用的是异步基站技术,此时只需要做频率同步,精度要求0.05ppm(或者50ppb)。而以CDMA/CDMA2000代表的同步基站技术,需要做时钟的相位同步(也叫时间同步)。

对于时间同步,目前业界只能GPS来解决,GPS也能同时解决时钟的频率同步,所以CDMA系列的承载网络不需要再提供额外的同步功能。

对于GSM/WCDMA网络,因为不需要部署GPSGPS存在成本和军事上的风险),需要由承载网络为它提供时钟。传统的解决方案是采用PDH/SDH来提供,IP化后,需要IP网络提供。

因为PTN/IP RAN这个应用是以前没有的,所以ITU-T 制定了关于在包网络频率同步的基本需求的G.8261标准,要求满足ITU-T G.823 traffic接口同时保持50ppb的频率精度。

 

2.        同步以太网技术

同步以太网是一种采用以太网链路码流恢复时钟的技术。

因为以太网是一个异步系统,不需要高精度时钟也能正常工作,所以一般的

以太网设备都不提供高精度时钟。但是这并不是说以太网不能提供高精度时钟。

实际上,在物理层,以太网与SDH一样采用是串行码流方式传输,接收端必须具备时钟恢复功能,否则无法通讯。换句话说,以太网其实本身就已经具备传送时钟的能力,只是我们之前没有使用而已。

从技术角度,因为物理层编码以太网物理层提取时钟的精确度甚至是超过SDH的。我们知道,从线路码流中提取时钟的前提是码流必须保持足够的时钟跳变信息,换句话说就是码流要避免连续的长1或者长0SDH技术的做法是做一次随机扰码,这样可以大大降低连10的概率,但这只不过是降低,连续的1或者0还是会出现的。而以太网的物理层编码是4B/5BFE)和8B/10BGE),平均每4BIT就要插入一个附加比特,这样绝对不会出现连续41或者40,更加便于提取时钟。

 

2.1  同步以太网的技术实现

ITU-T制定的用以太网的物理层数据码流传递时钟的方案被称之为Sync-E

以太网物理层编码格式中带有足够的恢复时钟的跳变信息(即使在没有数据

发送的时候也会跳变),因此天然的提供时钟恢复功能,所要做的工作是在发送

端使用较高精度的时钟,在接收端将从链路上恢复出来的时钟经过抖动衰减电

路减小链路影响,就可以作为同步时钟使用。

其中: 10Base-T 曼彻斯特编码 不支持时钟恢复

100Base-TX MLT-3编码 支持时钟恢复

100BASE-FX 4B5B编码 支持时钟恢复

1000Base-X 8B10B编码 支持时钟恢复

1000Base-T PAM5编码 支持时钟恢复

10GBase-R 64B66B编码 支持时钟恢复

同步以太网络实现起来比较简单,系统需要支持一个时钟模块(时钟板),

统一输出一个高精度系统时钟给所有的以太接口卡;以太接口上的PHY器件利用

这个高精度时钟,将数据发送出去。在接收侧,以太网接口的PHY器件将时钟恢

复出来,分频后上送给时钟板。时钟板要判断各个接口上报时钟的质量,选择一

个精度最高的,将系统时钟与其同步。

为了正确选源,在传递时钟信息的同时,必须传递时钟质量信息(SSM)。

传统SDH同步和SyncE同步以太均采用SSM协议实现时钟源的保护,SDHSSM协议在G.781里面定义,SyncE同步以太的SSM协议在G.8264里面定义。

 

2.2  SSM介绍

同步状态信息(Synchronization Status Message, SSM,传统SDH同步接口STM-NSSM信息通过开销字节S1传递;E1SSM信息在E10时隙的SA4-8bit传递,可以配置在SA4~SA8的任意bit传递,一般默认为SA4;同步以太通过ESMC 慢协议报文传递SSM信息。SSM用于在同步定时链路中标示定时信号的质量等级,控制时钟倒换,避免形成定时环,并且可以防止低级时钟同步高级时钟。

 

同步质量等级

SDH S1Bit5-8

E1 Sa bit

同步质量未知

0000

0000

PRC;G.811时钟信号

0010

0010

SSU-A;G.812转接局时钟信号

0100

0100

SSU-B;G.812本地局时钟信号

1000

1000

SEC;G.813

1011

1011

不应用作同步

1111

1111

保留

其他值

其他值

2SSM质量级别

3Sync-ESSM的消息传递(摘自ITU-T G.8264

ESMC采用IEEE 802.3 Organization Specific Slow ProtocolOSSP)进行

传输,并且ESMC是独立于ESSMQL)的发送的,以支持非Sync-E端口,满足兼容性。

SSM质量等级通过ESMCEthernet Synchronization Messaging Channel)报文的TLV字段进行传递。主要包含ESMC imformaton PDU:含当前QL信息,1秒钟发一个;ESMC Event PDUQL等级变化时发送Event报文,包含变化后的新QL信息。

                                                 

3ESMC的报文格式(摘自ITU-T G.8264

 


 

SSM TLV信息包含在Data and Padding的开始字节中

                                                                       

4QL TLV格式(摘自ITU-T G.8264

   ESMC工作过程基本上就是每1秒钟发送一个Information报文,当接收端5秒钟未收到Information报文,将端口置为同步质量未知状态,同时触发源倒换计算;当时钟质量发送变化时,立刻发送带有新QLEvent报文,接收端收到Event报文后更新端口QL状态并且将出发源倒换计算,同时复位Information接收定时器。发送端复位Information发送定时器,重新以1秒钟为间隔发送Information报文。

总的来说,同步以太的时钟恢复质量接近SDH的水平,达到了0.01ppm;系统时钟架构和SDH方案类似,实现方案成熟,所以已经在运营商得到了大规模的应用。但是同步以太不能支持时间同步。

 

3.        IEEE1588v2 PTP介绍

 

3.1  IEEE1588v2 PTP技术概述

IEEE1588v2 PTP协议借鉴了NTP技术,具有容易配置、快速收敛以及对网络带宽和资源消耗少等特点。IEEE1588标准全称是网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准(Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems,简称PTP(Precision Timing Protocol),它的主要原理是通过一个同步信号周期性的对网络中所有节点的时钟进行校正同步,可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步,IEEE1588v2 PTP时钟同步技术也也可以应用于任何组播网络中。

下面是PTP的五种基本设备类型:

OC(Ordinary clock):仅有一个物理接口同网络通信,既可作为Grandmaster Clock,也可作为Slave Clock。支持PTP消息的收发,支持同步层次确定机制。支持延迟请求机制和PDELAY机制。

BC(Boundary clock):有多个物理接口同网络通信,每个物理端口行为都类似于OC的端口,可连接多个子域。 可作为中间转换设备。

E2E TC(End-to-end transparent clock)E2E TC设备有多个接口,它转发所有PTP消息, 可以对PTP事件消息进行驻留时间修正。端口不包含协议引擎,不参与主从层次的确定。

P2P TC(Peer-to-peer transparent clock)P2P TC设备有多个接口,每个端口包含一个Pdelay处理模块,支持Pdelay机制。端口不包含协议引擎,不参与主从层次的确定。

PTP管理设备:该设备具有多个接口,提供PTP管理消息的管理接口

 

同时,PTP拥有数种类型的消息用以设备间的同步和控制:

Event报文:定时消息,发送和接收事件消息时要生成准确的时间戳

Sync

Delay_Req

Pdelay_Req

Pdelay_Resp

General报文:不要求生成准确的时戳

Announce

Follow_Up

Delay_Resp

Pdelay_Resp_Follow_Up

Management

Signaling

PTP消息作用

Sync, Delay_Req, Follow_UpDelay_Resp报文用于产生和通信用于同步普通时钟和边界时钟的时间信息。

Pdelay_Req, Pdelay_RespPdelay_Resp_Follow_Up用于测量两个时钟port之间的链接延时。

Annouce报文用于建立同步分层结构。

 Management报文用于查询和更新时钟所维护的PTP数据集。

Signaling报文用于其他的目的,例如在Mater-Slave之间协调单播报文的发送频率。

IEEE 1588V2协议的关键技术点可以分为三个:BMC(最佳主时钟)算法、主从同步原理、透明时钟TC模型。

1588V2采用握手的方式,利用精确的时间戮完成频率和时间同步。

                                                 

4IEEE1588v2 PTP基本工作原理

 

3.2  PTP技术实现

 

IEEE1588v2的工作机制分为两部分。

首先,建立主从次序(Master-Slave Hierarchy)。网络中的各个节点通过最佳主时钟算法(Best Master Clock Algorithm, BMC”,选举出祖母时钟(Grandmaster)、主时钟(Master)和从时钟(Slave)。祖母时钟的精度最高,主时钟次之,从时钟最低。

其次,低等级的时钟向高等级的时钟进行同步。网络中的主、从时钟通过握手机制进行报文的交换。从时钟通过提取同步报文里头的时间戳,计算出Delay(路径时延)本身和主时钟的Offset(误差),从而得到校正和同步。从时钟向主时钟同步,主时钟向祖母时钟同步。如此,整个网络中的节点在IEEE1488标准的运作下,都想网络中质量最优的Grandmaster同步了。

                                                  

5:简单主从层次结构(摘自IEEEE1588-2008

 

主从层次确定机制---BMC算法

网络中的各个设备可能参考不同的时间源,在执行时钟同步之前,需要确定整个域的主从跟踪关系。

从网络层面看,目标为:

确定和最佳参考时钟源相连的grandmaster时钟设备

确定各个时钟设备到达grandmaster时钟设备的路径(避免环路)。

从设备层面看,目标为:

确定各个端口的状态:MASTER/SLAVE/PASSIVE

BMC算法流程:

计算端口最佳消息Erbest:时钟设备的每个端口各自对本端口收到的Announce消息进行优先级比较,最优者为该端口的最佳消息Erbest。计算完成后时钟设备的每个端口都得到一个Erbest

计算节点最佳消息Ebest:对各端口上报的Erbest进行优先级比较,最优者为该节点的最佳消息Ebest

计算端口推荐状态:每个端口独立比较EbestdefaultDS和本端口Erbest

来确定各自的推荐状态。

主从层次确定过程

                                                           

6:主从同步确定过程示意图

Announce消息收发:OC/BC通过Announce消息彼此发送本设备确定的

grandmaster时钟的时钟参数; Announce消息的信息来源于各个设备时钟数据集的信息;

BMC算法:收到Announce消息的设备,分别运行最佳主时钟算法(BMC),比较各个grandmaster时钟参数,确定最佳grandmaster时钟参数的接收端口或确定自身为grandmaster时钟,并给出各个端口的推荐状态;

数据集更新:BMC算法的推荐状态,设备数据集更新各个数据集的信息。

端口状态确定:各个端口分别运行的端口状态机根据BMC算法的推荐状态和端口当前状态,最终确定各个端口的主从状态,从而确定整个域的主从体系。

主从同步机制

主从同步机制包含了时间同步和频率同步两个部分。

                                                                  

7:主从时间同步机制(摘自IEEEE1588-2008

如上图所示,时间同步过程

1 t1时刻主时钟发送Sync报文,t1时刻信息

2 t2时刻从时钟收到Sync报文

3 t3时刻从时钟发送Req报文

4 t4时刻主时钟收到Req报文

5 Resp报文随后把t4带给从时钟

在网络中存在着offsetdelay

1 Offset:主时钟和从时钟的时间差。

2 Delay:网络传输造成的延迟时间

OffsetDelay的计算方法:

1 t2t1=DelayOffset

2 t4t3=DelayOffset

3 Offset=( (t4t3) (t2t1) ) / 2

4 Delay=( (t4t3) (t2t1) ) / 2

但是,IEEE1588的理论依据是需要来回路径严格对称,协议默认收发两根光纤上的时延相等;而实际应用当中来回路由肯定有误差,而这个误差就等于来回路径时延差的一半,物理长度1米光纤引入的延时为5ns400米的不对称就会引入1us的误差,在1588实际应用中,必须考虑不对称因素。

8:主从频率同步机制

如上图所示,频率同步过程

IEEE1588V2报文频率同步通过交换Sync报文产生的时间戳来实现

1)  t1时刻主时钟发送Sync报文,t2时刻从时钟接收到Sync报文

2)  t1时刻主时钟发送Sync报文,t2时刻从时钟接收到Sync报文

3)  如果主从时钟频率完全同步,则t2-t2应与t1-t1相等

4)  (t2-t2)>(t1-t1),说明从时钟频率比主时钟要快,需要将从时钟频率调慢,反之则应该将从时钟频率调快

IEEE1588v2频率同步要求主从时钟之间路径延时固定,如果路径延时不固定,会对频率同步性能造成不良影响

PTP消息穿过节点内的协议栈时,消息时间戳点通过协议栈定义的特定参考点(如ABC点)时产生时间戳。参考点越靠近实际的物理连接点,引起的定时误差就越小,下图中的A点即为最佳参考点。


                                                                                                        

 

 

9:时间戳产生位置

 

3.3  PTP消息格式

所有PTP消息都由报头(header),主体(body),后缀(suffix)组成

报头:通用报头,固定34字节,放在10PTP消息的最前端。

主体:PTP10个消息通过主体里面的内容不同来区别。

后缀:可以在这个域添加0或多个TLV,对PTP协议功能进行扩展。可添加的TLV类型参见TLV实体定义

                                                                                         

10PTP消息格式

PTP通用消息报头

transportSpecific字段:

0表示PTP消息由1588协议使用

1表示PTP消息由802.1as协议使用

messageType字段:表示消息类型

0Sync

1Delay_Req

2Pdelay_Req

3Pdelay_Resp

4-7Reserved

8Follow_Up

9Delay_Resp

APdelay_Resp_Follow_Up

BAnnounce

CSignaling

DManagement

E-FReserved

versionPTP字段:表示1588协议的版本

messageLength字段:PTP消息的长度

domainNumber字段:表示发送该消息时钟所属的域。

correctionField字段:以纳秒为单位的修正值并乘以216,例如2.5ns表示为0x28000

sourcePortIdentity字段:发送该消息时钟的ID和端口号。

sequenceld字段:表示消息的序列号,以及关联消息的对应关系

controlField字段:由消息类型决定,为和1588v1版本兼容

logMessageInterval字段:PTP消息的发送时间间隔,由消息类型决定

 

4.        1PPS+ToD时间同步技术

中国移动根据自身TD-SCDMATD-LTE系统高精度时间地面传送需求的出现,要求网络设备和基站设备等提供各种类型的高精度时间同步接口等要求,提出了1PPSTOD高精度时间同步接口的技术标准

 

4.1  基于1PPS+ToD方式的时间同步功能需求

基站应支持通过1PPS 信号和TOD 信息输入,获得同步定时信息,使基站与传输网络上游时间同步设备之间实现满足空口时间和频率精度要求的同步。

TOD 信息波特率默认为9600,无奇偶校验,1 个起始位(用低电平表示),1 个停止位(用高电平表示),空闲帧为高电平,8 个数据位,应在1PPS 上升沿1ms 后开始传送TOD 信息, 并在500ms 内传完,此TOD 消息标示当前1PPS 触发上升沿时间。TOD 协议报文发送频率为每秒1 次。

                                          

111PPS+ToD

对于1PPS 秒脉冲,采用上升沿作为准时沿,上升时间应小于50ns,脉宽应为20ms200ms

1PPSTOD信息传送采用422电平方式,物理接头采用RJ451PPS+ToD接口线序如下表。

PIN

信号定义

说明

1

NC

默认态为悬空(高阻)

2

NC

默认态为悬空(高阻)

3

422_1_N

1PPS

4

GND

RS422电平GND

5

GND

RS422电平GND

6

422_1_P

1PPS

7

422_2_N

TOD时间信息

8

422_2_P

TOD时间信息

5 1PPS+ToD接口线序(物理接口为RJ45

 

4.2   ToD的帧定义

ToD的帧结构如下图所示,

                                          

12ToD帧结构

TOD 消息使用完整的8bit 一个字节的数据进行传输,采用校验和保护,使用消息类型和消息ID 两级的方式对消息进行分类。bit0 代表字节中的最低有效位(LSB),每个字节发送时,bit0 最先发送。对于超过一个字节的域(消息长度域和净负荷域),需遵循Big Endian 规范。

TOD 帧解释:

1 帧头

由帧头1SYNC CHAR 1)和帧头2SYNC CHAR 2)两个字节组成。

SYNC CHAR 1 :一个字节固定数值0x43 表示,表示ASCII 码中“C”字符。

SYNC CHAR 2 :一个字节固定数值0x4D 表示,表示ASCII 码中“M”字符。

2 消息头

由消息类(CLASS)和消息ID 两个字节组成。

 CLASS :消息类规定了TOD 消息的基本分类,一字节长度。

 ID :消息ID 定义了具体TOD 消息的编号,一字节长度。

3 消息长度域

由两个字节组成。

消息长度域计算的有效范围只包括消息的净负荷(payload),不包含帧头、消息头、消息长度域和帧校验序列域。

4 净负荷域

消息内容,由若干字节组成。

5 帧校验序列(FCS)域

由一个字节组成。

检验范围包括消息头、消息长度域和帧校验序列域,不包含帧头。

帧校验序列的生成多项式为: G(X)=X8+X5+X4+1

检验码初始值设置为0xFF,输入数据无需取反。校验算法采用右移算法。输出校验数据无需取反。校验字节发送时,最低有效位bit0 最先发送,与数据字节一致。

 

5.        OPWILL公司对同步测试的实现

针对4G网络建设当中对同步测试的需求,OPWILL公司全新推出 ETS-300 4G IEEE1588时间测试仪是专门针对承载4G移动回传的IP RAN/PTN网络对时钟时间的精准的要求,同时对以太网网络部署和综合测试以及E1测试所设计,全面符合IEEE1588v2G.826x系列,以太网和E1标准,可提供完备的PTN/IP RAN时钟时间,以太网和E1测试功能,具有可靠、简便、灵活等特点,是运营商测试IP RAN/PTN 网络的高效测试工具。适用于TD-SCDMATD-LTEFDD-LTECDMAWCDMACDMA2000等制式,可用于科研、生产、工程安装、验收和维护。

              

13ETS-300 4G IEEE1588时间综合测试仪

ETS-300 4G IEEE1588时间综合测试仪提供丰富的时间测试接口,包含1PPS/PP2SToDIEEE1588v2 PTP光口、IEEE1588v2 PTP电口、E1/2MHz/10MHz外时钟等。ETS-300 4G IEEE1588时间综合测试仪内置精密授时型GPS,以及GPS驯服的铷原子钟或恒温晶振, 可以复现高精度UTC时间及产生高精度的时钟,5分钟快速锁定GPS/北斗时间信号作为测试基准,以便进行TOD时间偏差测试和时间补偿,PTP时间偏差测试和时间补偿以及测试保护倒换对时间信息的影响等。

同时OPWILL公司的PTN测试仪以及多业务测试仪,支持IEEE1588v2 PTP的协议仿真和分析,以及Sync-E的频率精准测试功能。

 

6.        参考资料

1)ITU-T G.8260: Definitions and terminology for synchronization in packet networks

2)ITU-T G.8261: Timing and synchronization aspects in packet networks

3)ITU-T G.8261.1Packet delay variation network limits applicable to packet-based methods (Frequency synchronization)

4)ITU-T G.8264Distribution of timing information through packet networks

5)IEEE1588-2008Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems

6)中国移动通信企业标准QB-B-016-2010中国移动高精度时间同步1PPSTOD接口规范V1.0

7)中兴IEEE1588同步技术白皮书

8)OPWILL ETS-300 4G IEEE1588时间综合测试仪datasheet

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