ＩＥＥＥ １５８８協議在ＷｉＭＡＸ基站定時中的應用

摘要：針對目前WiMAX基站必須使用GPS接收機的現狀，本文提出采用IEEE 1588協議來實現基站與中心局的同步，該協議優良的特性使其成為一種方便可靠而成本低廉的替代方案。

關鍵詞：IEEE1588 PTP；WiMAX；網絡

在通信網絡中，接入技術自始至終都是發展的熱點。從時分、頻分、碼分到目前的空分，從TDMA、CDMA到OFDMA，從單天線到智能天線，先進的技術日新月異，層出不窮。而隨著這些新技術的涌現，WiMAX網絡也逐漸成為下一代通信系統的競爭者。國際電信聯盟(ITU)宣布，已經批準WiMAX成為ITU移動無線標準，WiMAX正式成為IMT-2000 3G標準家族的一員，這將使得運營商部署網絡將更加方便。

WiMAX是全IP網絡，在標準中規定了分組CS和ATM CS兩種匯聚子層(CS)，其中分組CS用于在WiMAX上傳輸IP幀、以太網幀和802.1QVLAN幀，ATMCS用于在WiMAX上傳輸ATM信元，但它并沒有規定匯聚子層如何處理TDM電路，所以它無法像TDM應用一樣從線路中恢復定時同步。在移動通信中，通常在無法從PDH、SDH等TDM網絡中獲取同步信號時采用GPS接收機，GPS可以提供一個高精度的同步時鐘參考。然而在現在網絡基礎設施投資逐漸減少的情況下，采用昂貴的GPS接收方式并不是一個最佳方案，因此在進行WiMAX基站設計時必須找到一個成本低且效率高的時鐘參考。

IEEE 1588協議的出現成為GPS接收的一種替代方案。它是專門針對分組網絡設計的一種定時傳送機制，采用時間分布機制和時間調度概念，客戶端或從設備可以使用普通振蕩器，通過軟件調度與主機的主時鐘保持同步，過程簡單可靠，占用帶寬很少，與部署GPS相比可以顯著減低成本，也更加便于維護。即使不完全取代GPS，在GPS衛星不可用時作為一種備用方案將其部署在網絡的主時鐘處，在基站中部署IEEE 1588的從時鐘，也可以保證網絡始終處于同步狀態。

WiMAX網絡

WiMAX是全球微波接入互通(Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess)的簡稱，它是基于OFDM調制方式的一種寬帶接入技術，共享數據率最高可以達到70Mbps，傳輸距離可以達到3至5公里，目前主要有用于固定無線服務的IEEE802.16-2004(802.16d)和用于移動服務的IEEE 802.16-2005(802.16e)兩個版本。WiMAX的結構設計具有低延時、低抖動的特點，保證了實時服務，而WiMAX提供的多等級QoS適合于多種不同的應用和用戶需求，在互聯網接入、流媒體、互動游戲、視頻點播VoD、以及語音服務(VoIP或TDMoIP)等方面都可得到應用。以IP為核心架構的WiMAX可以成為個人寬帶服務的基礎，因為采用IP網絡相當于搭建了一個開放的移動數據網絡，可以顯著降低網絡的運營費用和復雜度。WiMAX技術的興起正使其成為下一代寬帶無線移動應用的推動技術，成為最后一英里接入、熱點、蜂窩回程以及移動高速寬帶接入等的備選方案。在全國很多地方，WiMAX的實際部署已經開始，廣東網通目前已在全省所有地市同步建設WiMAX網絡，主要用來無線上網，而英特爾公司與大連、成都政府也達成了WiMAX部署合作協議。

WiMAX網絡的基站設計通常采用時分雙工(TDD)或頻分雙工(FDD)兩種方式與客戶端(CPE)進行通信。TDD基站在上行和下行鏈路中使用同一個頻率，為了保證發送器和接收器處理的是連續的信息流，這種單頻工作基站需要很快地從時間上劃分信道。它的主要優點是信道占用時間可以調整，非常適合于需要在上行或下行鏈路上開展不對稱業務的場合。因為上下行業務流量不對稱時FDD模式會產生一定的信道空閑時間，而TDD模式下信道空閑時間很短，因此與FDD模式相比TDD效率更高。FDD模式下，通信信道的上下行鏈路頻率不同，它更適合于那些需要提供對稱業務的系統。在全雙工FDD基站中，每個PHY或者處理發送，或者處理接收，因此需要用2個獨立的射頻模塊，所以FDD模式的系統總體成本會比較高。為了降低收發器的成本和復雜度，大部分WiMAX基站硬件實現都采用時分雙工技術，只有在面臨頻譜分配或規范要求時才考慮使用頻分雙工模式。

WiMAX網絡的同步需求

雖然視頻點播、在線游戲等高帶寬需求的業務是WiMAX網絡的最佳應用場合，但是在目前需求并不明確的情況下，如何通過WiMAX網絡提供高質量的語音服務仍然是運營商要考慮的首要因素。而WiMAX采用IP網絡的最主要缺點就是失去了同步鏈，基站沒有了可靠精準的時鐘參考，同步分配遭到破壞最終會導致掉話，直接后果就是用戶滿意度下降，運營商減少營收。

由于在WiMAX系統中，下行鏈路采用TDM數據流，在上行鏈路采用TDMA方式，即每個客戶端只有在分配給自己的時隙內發送數據，如果它的一秒鐘比實際短，那么這個定時數據就失去了準確性，基站就會提前發送數據，隨著誤差的增加，這個基站就有可能在屬于別的基站的時隙內發送數據，導致沖突。

同樣的，定時同步在WiMAX基站的效率方面也有很重要的作用。FDD模式下，可用頻譜被分為上行和下行頻道，但是在TDD模式，整個頻譜被分為上下行的時隙，通過上行和下行之間的保護間隔，基站和客戶端實現發送和接收的轉換。IEEE 802．16標準將這種保護間隔定義為接收/發送的發送間隔(RTP)和發送/接收的發送間隔(TTP)。然而當基站時鐘出現漂移失去了同步準確性，它的TDD幀將會超出保護間隔影響到相鄰的站點。時鐘源越不準確，間隔保護間隔就要越大，否則TDD幀就會超越發送間隔，引起錯誤。為了提高容量，標準中容許RTG和TTG最小為5μs，在這樣的條件下需要及其精確的同步。如果基站間同步很差，那就需要加大保護帶寬，這就浪費了寶貴的頻譜資源。良好的同步可以降低保護帶寬，相應地增加有效帶寬，提高工作效率。

所以WiMAX系統需要有一個同步架構實現時間和頻率的同步。標準要求在FDD模式下頻率準確度達到8×10^-6，在TDD模式下除了要求頻率準確度達到8×10^-6外，時間準確度要求在5到25μs內。只有有了既精確(precise)又準確(accurate)的定時，才能保證網絡最高效的工作，減少掉話和掉線，保證用戶持續的得到最佳的服務質量，增加運營收入。

IEEE 1588 PTP標準

為了解決以太網定時同步能力不足以及測量和控制應用中分布網絡定時同步的需要，網絡精確時鐘同步委員會起草了IEEE 1588Precision TimeProtocol(PTP)標準，它的全稱是“網絡測量和控制系統的精確定時同步協議標準”。IEEE 1588在起草過程中主要參考以太網來編制，是通用的提升網絡系統定時同步能力的規范，它可以使分布式通信網絡能夠具有嚴格的定時同步。其基本構思是通過軟硬件配合，記錄同步時鐘信息的發出時間和接收時間，并且給每一條信息加上時間標簽，有了時間記錄，接收方就可以計算出自己在網絡中的時鐘誤差和延時，從而實現網絡上從設備的內時鐘與主控機的主時鐘同步，達到同步建立時間小于10μs，與不支持IEEE 1588的以太網延遲時間1ms相比，整個網絡的定時同步指標有顯著的改善。

一個簡單的IEEE 1588 PTP系統包括一個主時鐘和多個從屬時鐘。如果同時存在多個潛在的主時鐘，那么將根據最佳主時鐘算法選取最精確的時鐘同步所有其他時鐘。所有的時鐘不斷地與主時鐘比較時鐘屬性，如果新時鐘加入系統或現存的主時鐘與網絡斷開，則其他時鐘會重新決定主時鐘。當多個PTP子系統需要互聯時，則必須由具有多個PTP端口的邊界時鐘來實現。邊界時鐘的某個端口會作為從屬端口與子系統相聯，并且為整個系統提供時鐘標準。因此這個子系統的主時鐘是整個系統的原主時鐘。邊界時鐘的其他端口會作為主端口，通過它們將同步信息傳送到子系統，邊界時鐘的端口對子系統來說是普通時鐘。

每一個從設備通過與主時鐘交換同步信息保持與主站的同步，為此PTP協議定義了四個傳送的信息類型：一個是同步信息，簡稱Sync；一個是Sync之后的信息，簡稱Follow_Up；一個是延時要求信息，簡稱Delay_Req；還有一個是Delay_Req的回應信息，簡稱Delay_Resp。

Sync信息是從主時鐘周期性發出的(默認為每兩秒一次)，它包含了主時鐘選取算法所需的時鐘屬性，精確描述數據包發出的預計時間的時間標簽等。由于信息包含的是預計的發出時間而不是真實的發出時間，所以Sync信息的真實發出時間被測量后在隨后的Follow_Up信息中發出。Sync信息的接收方記錄下真實的接收時間。使用Follow_Up信息中的真實發出時間和接收方的真實接收時間，可以計算出從屬時鐘與主時鐘之間的時差，并據此更正從屬時鐘的時間。理想狀態傳輸路徑上沒有延時，此時主從時鐘達到同步。但是實際此時計算出的時差包含了網絡傳輸造成的延時，所以使用Delay_Req信息來定義網絡的傳輸延時。Delay_Req信息在Sync信息收到后由從屬時鐘發出。與Sync信息一樣，發送方記錄準確的發送時間，接收方記錄準確的接收時間。準確的接收時間包含在Delay_Resp信息中，從而計算出網絡延時和時鐘誤差。為了降低從設備的負荷，延時測量并不周期進行，默認是在4到60秒的時間間隔內隨機進行。在延時測量中主到從和從到主的延時是否對稱對精度有很大的影響。同步的精確度與時間標簽和時間信息也緊密相關，純軟件的方案可以達到100 μs的精度，軟硬件結合的方案可以達到10μs的精度。

IEEE 1588 PTP的基本架構如圖1所示。

從圖中我們可以看到硬件部分主要由一個高精度的實時時鐘和時間標簽單元組成，軟件部分通過實時時鐘和時間標簽完成IEEE 1588協議。時間標簽接口用來給PTP協議提供Sync和Delay-Req信息中的時間標簽。根據對精度需求的不同，時間標簽既可以由硬件單元也可以由軟件生成。時鐘接口用來讀取和調整本地時鐘。另外，它還包含用來控制時間同步質量的算法，包括準確度、穩定度以及瞬變切換。端口接口用來調度或接收PTP信息，IEEE 1588的報文采用UDP/IP多播包，因此它不局限于以太網，只要支持多播的總線系統都可以采用PTP，在任何IP協議棧的套接字接口上都可以發送和接收。PTP節點上也無需進行地址管理，所以PTP可以支持很多個節點。

將IEEE 1588應用于WiMAX基站

在傳統同步網中定時同步分配主要有三種可實現的途徑：地面傳輸主要利用PDH網或SDH的STM-N，空中分配主要利用全球定位系統GPS。

在移動通信諸如GSM和UMTS的基站設計中一直以來都是通過TDM方式的T1/E1回程來實現頻率同步，TDM網絡在物理層通過實際信道來傳送定時信息，避免了定時參考的劣化，構建了一個可靠的端對端同步鏈。但是WiMAX協議中并沒有明確規定如何處理本原TDM信號，即使是加入本原TDM CS層，它也只能終止于WiMAX的MAC層，對于沒有PSTN上行鏈路的WiMAX基站仍然無法實現這種方式。其次在網絡的營運成本中，租用傳統TDM回程的費用會占到總支出的30％到50％。由于這個原因，許多的運營商希望能夠通過IP或以太網方式來實現這一過程，實現在擁有更寬的數據通路的同時降低運營成本。隨著需求與技術的發展，在未來的分組網絡里PDH方式必將被淘汰，所以將T1/E1傳時鐘的方式引入WiMAX基站設計并不可行。

因此，IEEE 802.16標準要求使用GPS接收機來提供WiMAX網絡所需的準確時鐘參考。GPS提供一個高度準確和精確的一級時鐘參考源(PRS)，精度可以達到10^-11，提供時間和位置數據，廣泛運用于無線基站的同步，例如在IS-95中規定，CDMA空中序列的絕對準確度必須在3μs以內，為了滿足這一要求，目前的CDMA基站都配置了GPS系統。GPS性能優良，但在部署時卻面臨一些問題：GPS需要每個基站都有一個接收機，并且保證衛星處于地面基站的視野范圍內，當基站無法放在室外時，GPS的安裝和天線的空間視野都會成為棘手的問題；安裝和維護GPS天線需要較多的運營支出，因此成本高昂，難于應用和管理；當GPS信號丟失時需要有一個保持振蕩器，當長期無法接收到衛星信號時基站就會無法正常工作；GPS接收機完全依賴于美國的全球定位導航系統，它受到美國軍方控制，所以無法避免面臨政治、戰爭等方面的風險。IEEE 1588的出現成為GPS的有力替代者，它的時間分布機制和時間調度概念，容許從設備使用普通振蕩器，通過軟件調度與主控機的主時鐘保持同步，過程簡單可靠，通過IP或以太回程傳送定時，可大幅降低每個WiMAX基站的設備和安裝成本。它既可以是單獨的方案，可以在有GPS接收機的基站里提供一個可靠的時鐘參考備份，當GPS信號變的不可用出現保持狀態時，基站可以在GPS未恢復前通過IEEE 1588保持同步。這樣的話，同步永遠不受損，網絡狀態也不會有變化。

在部署采用IEEE 1588 PTP的新基站時，如圖2所示，可以把PTP時鐘配置為點對多點即主從模式，將IEEE 1588主時鐘安裝在中心局匯聚點的現有BITS或SSU系統中，然后將從設備安裝在遠端基站中。主時鐘通過分組網絡與遠端從設備建立雙向通信，傳送準確的時間和頻率同步。在WiMAX應用中，IEEE 1588 PTP在節點間提供一個價廉質優的方式來傳遞準確的時鐘參考，無論是FDD還是TDD模式它都可以滿足系統的同步要求。

結語

IEEE 1588 PTP技術現在已經進入許多電信應用的測試階段，但是它推出的時間尚短，還有一些地方需要完善和修正：例如它不如GPS準確，在IEEE 1588版本2中才會針對電信應用有進一步的改進；它對透明網絡可提供很好的定時同步，但還未克服經過路由器等具有不確定性網絡的定時；作為一種新興的技術它沒有足夠的實際應用。

雖然目前還有上述諸多不完善的地方，但是IEEE 1588 PTP在設計時就特別考慮到盡量減少資源需求，對內存和CPU沒有特殊要求，工作時只需要很少的帶寬和監控，支持冗余主時鐘，自動選取最佳時鐘，特別適合于WiMAX這種新興的技術。采用IEEE1588協議的分組網絡，可以解決通用以太網延遲時間長和同步能力差的瓶頸，因此將IEEE 1588引入WiMAX基站的設計，通過GPS與IEEE 1588主備方案或者單獨的IEEE1588方案，運營商可以在降低成本的同時可靠高效的開展WiMAX業務。