時鐘同步是分組傳送網(wǎng)(PTN)需要考慮的重要問題之一。可以采用同步以太網(wǎng)、IEEE 1588v2、網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)等多種技術(shù)實現(xiàn)時鐘同步。同步以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的同步狀態(tài)信息(SSM)算法存在時鐘成環(huán)，以及難以對節(jié)點跟蹤統(tǒng)計的問題。中興通訊提出了一種擴展SSM算法可以改進(jìn)時鐘同步問題。在時間同步方面，由于NTP的精度還無法滿足電信網(wǎng)的需求，僅采用1588v2又會帶來收斂時間較慢、在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時時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時間傳遞方案，對提高PTN網(wǎng)絡(luò)中時間同步的精度起到了較好的作用。
當(dāng)運營商對分組傳送網(wǎng)(PTN)取代傳統(tǒng)時分復(fù)用(TDM)傳輸網(wǎng)的需求日益明顯時，如何解決時鐘同步成為重要問題之一。對分組傳送網(wǎng)的同步需求有兩個方面：一是可以承載TDM業(yè)務(wù)并提供TDM業(yè)務(wù)時鐘恢復(fù)的機制，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)參考時鐘，滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(如基站)的同步需求。
1 同步技術(shù)
時鐘同步包括：頻率同步和時間同步。頻率同步要求相同的時間間隔，時間同步要求時間的起始點相同和相同的時間間隔。
無線技術(shù)不同制式對時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需要時間同步，TD- SCDMA的精度要求為±1.5 μs。
從2004年開始，國際電信聯(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)定義了一種精確時間同步協(xié)議(PTP)。IEEE1588是針對局域網(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[1-5]。
因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議(NTP)實現(xiàn)了Internet上用戶與時間服務(wù)器之間時間同步。
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。每個節(jié)點可從物理鏈路提取線路時鐘或從外部同步接口獲取時鐘，從多個時鐘源中進(jìn)行時鐘質(zhì)量選擇，使本地時鐘鎖定在質(zhì)量最高的時鐘源，并將鎖定后的時鐘傳送到下游設(shè)備。通過逐級鎖定，全網(wǎng)逐級同步到主參考時鐘(PRC)被實現(xiàn)。對分組網(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個比特就要插入一個附加比特，這樣在其所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼流中不會出現(xiàn)連續(xù)4個1或者4個0，可有效地包含時鐘信息。在以太網(wǎng)源端接口上使用高精度的時鐘發(fā)送數(shù)據(jù)，在接收端恢復(fù)并提取這個時鐘，時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A)將高精度時鐘注入以太網(wǎng)的物理層芯片，物理層芯片用這個高精度的時鐘將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接收側(cè)的設(shè)備(B節(jié)點)的物理層芯片可以從數(shù)據(jù)碼流中提取這個時鐘。在這個過程中時鐘的精度不會有損失，可以與源端保證精確的時鐘同步。同步以太網(wǎng)傳遞時鐘的機制與SDH網(wǎng)絡(luò)基本相似，也是從以太網(wǎng)物理鏈路恢復(fù)時鐘，因此從恢復(fù)的時鐘質(zhì)量不受鏈路業(yè)務(wù)流量影響，可提供與SDH/SONET網(wǎng)絡(luò)相同的時鐘樹部署和時鐘質(zhì)量，完全滿足G.823規(guī)定的定時接口指標(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的時鐘同步控制，使用規(guī)則和時鐘選擇算法符合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報文的SSM信息選擇最優(yōu)的時鐘源。
雖然標(biāo)準(zhǔn)SSM算法能夠很好地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時鐘的同步，但是它有兩個不足之處：一是不能很好地處理同步時鐘成環(huán)的問題。需要在工程上和時鐘配置的時候特別注意，保證避免出現(xiàn)時鐘成環(huán)的情況。二是時鐘信號的衰減問題。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使定時基準(zhǔn)信號的質(zhì)量逐漸劣化，因此在同一個同步鏈路上實際的可同步網(wǎng)元的數(shù)目是受限的，而通過標(biāo)準(zhǔn)SSM難以對節(jié)點進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計。
中興通訊PTN設(shè)備采用了改進(jìn)的擴展SSM算法，在ESMC報文里使用兩個類型-長度-取值(TLV)傳遞SSM信息。第一個TLV傳遞原SSM字節(jié)的信息為同步質(zhì)量等級，遵循ITU-T標(biāo)準(zhǔn);另外一個TLV用于路徑保護(hù)。改進(jìn)的算法具有如下優(yōu)勢：
從根本上防止了時鐘成環(huán)。當(dāng)存在多條時鐘路徑時，自動選擇最優(yōu)(最短)路由。只要存在到達(dá)主時鐘的路由，網(wǎng)元就會跟蹤主時鐘，而不會進(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)備的對接。
3 時間同步技術(shù)
時間同步技術(shù)是頻率同步的進(jìn)一步發(fā)展。分組時間同步技術(shù)采用分組協(xié)議數(shù)據(jù)單元作為時鐘或時間信息的載體，是實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議
在IEEE 1588v2技術(shù)出現(xiàn)以前，在分組網(wǎng)絡(luò)中用于時間同步的協(xié)議主要的有3種：時間協(xié)議、日時協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)。NTP由純軟件實現(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和動態(tài)發(fā)現(xiàn)服務(wù)器，預(yù)計同步精度可達(dá)到10 μs級。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)議的實現(xiàn)原理
1588v2是未來統(tǒng)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(xié)議實現(xiàn)時間同步，在PTN設(shè)備中得到廣泛應(yīng)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(jìn)行編碼，利用網(wǎng)絡(luò)的對稱性和延時測量技術(shù)，通過報文消息的雙向交互實現(xiàn)主從時間的同步。
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。
主時鐘(Master)與從時鐘(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(jìn)行時戳處理，它可以攜帶事件消息(如Sync)的準(zhǔn)確發(fā)送或接收時間，還具有完成網(wǎng)絡(luò)配置、管理，或PTP節(jié)點之間通信的功能。事件消息本身需要進(jìn)行時戳處理，并可攜帶或不攜帶時戳。從時鐘根據(jù)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。
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