分組網絡中同步標準的進展及分析

摘要：如何解決同步信號地面鏈路傳遞問題，是目前分組傳送網絡中研究的一個重要課題。傳統同步體系中的標準僅適用基于電路交叉技術的網絡，并不適用于指導分組傳送網絡中面臨的問題。目前雖已有運營商應用1588v2，滿足移動回傳網絡中的時間同步需求，但隨著網絡復雜性的逐步增強，以及對設備時間(時鐘)能力要求的不斷提高，亟待相關標準的出臺及完善。文章對分組網絡中的同步標準進行了討論，并就當前包交換技術實現頻率和時間同步的熱點應用給出了建議。

關鍵詞：分組包網絡；時分復用技術；同步以太網；時間同步

同步網是輔助電信網絡業務正常運轉的三大支撐網絡系統之一。早先的同步網采用的是準同步數字系列(PDH)傳輸技術，它可以利用N×2Mhit/s系統的PDH鏈路對Ⅳ個網元進行獨立授時。與PDH不同，同步數字體系(sDH)自身需要時鐘同步技術的保障，同時又可以對同步網中的定時信號起到傳送作用。SDH系統中的各個網元，均可以從該系統中獲得同步信息并為自身傳送業務服務。也就是說，SDH網絡既是同步網的使用者，又是同步網的承載者。正是因為在SDH系統中傳定時不需要占用額外的負載空間，而且經過時鐘規劃，能夠滿足線路系統中所有網元的時鐘同步需求。因此該時鐘同步方式仍廣泛使用，并逐漸滿足傳送網絡中的時鐘同步要求。

隨著3G技術應用服務的普遍開展以及長期演進(LTE)時代的逐漸到來，分組設備越來越多地被引入到傳輸網絡中。目前，分組傳送網(PTN)被首先引入到本地網絡的建設范圍中，承擔3G移動信號回傳的重要任務，將來還會有更多的分組設備引入到干線網絡中。由此可見，分組設備在傳送網絡中所占的比重越來越多。現在我們面臨的問題是如何在分組網絡環境中實現同步信號(時鐘和時間)的地面鏈路傳遞。一些3c移動通信技術需要保證在基站空口之間維持嚴格的時間同步關系，這在原有SDH系統中是無法實現的。業界傾向于采用IEEE 1588v2的技術來實現在分組傳送網絡中傳送同步信息以替代全球定位系統(GPS)方式。目前，該技術已在中國多個本地網中開展了廣泛的應用。

1、分組網絡同步標準的討論

ITU－T 013/15主要研究網絡同步、定時以及相關設備時鐘性能參比方法等，并且它制訂了大量的網絡同步標準。早先的同步標準主要面向時分復用模式(TDM)網絡，并且針對SDH系統傳送時鐘同步信號的標準已經得到了大量的應用。近兩年來，隨著分組設備在傳輸網絡中所占比重的不斷加大，需要考慮在分組環境中如何實現同步信號的傳遞。另外，除了滿足時鐘同步需求外，更要思考解決時間同步的方法。比如，目前一些時分同步碼分多址(TD－SCDMA)的基站仍然采用安裝GPS天線接收機的方式，以解決基站之間時間同步關系的難題，但GPS提供時間同步存在施工難、維護重、成本高和安全度低等弊端。目前各大運營企業及通信設備制造商都積極投身于時間(時鐘)同步地面鏈路傳遞的研究中。

國際標準化組織，如國際電信聯盟遠程通信技術標準化組織(ITU－T)，正在抓緊制訂在分組環境下時間(時鐘)同步的相關建議及規范。本章對于已出臺的分組網絡同步的標準進行解讀，對于早先的TDM環境下的標準將不再贅述。圖1列舉了目前由ITU－T主導的同步標準。

1.1 分組網絡中同步的相關術語和定義

ITU－TG.810為同步(時鐘)協議族提供了技術術語解釋及定義。G.8260則是對分組網絡的頻率及時間同步規范中使用到的術語、縮略語進行了定義。該建議分兩大部分：一是用數學方法對分組網絡中同步的穩定性及時鐘質量進行了度量；二是針對分組網絡中采用包交換取定時的方式進行描述，并就包網絡中定時損傷的產生及影響進行了說明。另外在附錄中對于包的分組延遲測量也進行了補充陳述。

1.2分組網絡中的頻率定時技術要求

G.8261是ITU－T第一個討論分組網絡同步的建議，它規定了分組網的網絡定時和同步概貌，討論了分組網絡的同步需求和同步方法。G.8262則是定義了如何通過以太網的物理層實現整個網絡同步信息的傳送。

1.2.1 分組網絡實現時鐘同步的總體需求及框架

ITU－TG.8261規定了分組網絡內同步結構的整體概貌。分組網絡同步的一個很重要的目的是要在分組網絡上支持TDM業務，因此該建議還規定了抖動和漂移的最大網絡限值及包交換的邊界TDM接口上必須具備的最小設備容限。

仿照G.823中的TDM網絡同步定時信息的分配方法，G.8261對參考定時信號在分組網絡內的分配進行了說明，并且針對同步以太和基于信息包的方式給出了整體上的需求建議。

另外，G.8261還對于分組網絡內從固定比特率業務中獲得定時同步信息的方法進行了規定。在補充建議中新增了部分以太網接口的工程規范。

1.2.2 同步以太網設備時鐘性能規范

2007年6月ITU－T通過了“G.8262同步以太網設備從時鐘(EEC)的定時特性”建議。該建議定義了同步以太網設備時鐘的性能參數，如同步以太網設備從時鐘上的頻率準確度、保持范圍、牽引入(出)范圍、鎖定狀態下的漂移限值及抖動容限等。

同步以太技術與SDH系統對時鐘進行恢復的原理相同，并且由于與網絡中所承載的業務無關、時鐘恢復性能好、技術成熟，因此被運營商普遍看好。雖然G.8262是作為分組網絡同步系列的建議，但它提出的很多性能指標均與傳統網絡設備有相似的要求。如前所述，EEC的部分參考指標及計量方式與ITU－TG.813相關部分對應，僅是對網絡進行了優化。所以傳統TDM網絡同步規劃方法基本可以應用到分組網絡中。

該建議的最后描述了當在分組網內進行定時分配和業務時鐘恢復時，網絡報文的損傷給同步定時信號的恢復所造成的影響。

1.3 同步以太網的實現機制

ITU－TG.8261規范了采用同步以太方式進行定時恢復的相關要求，而G.8264則詳細規定了分組網絡中采用同步以太的方式是如何傳送定時同步信息的。

ITU－TC，8264詳細描述了在以太網環境中，同步狀態信息(SSM)報文的格式、時鐘等級分類、采用同步以太傳送時鐘頻率信息的定時分配原則、同步以太設備時鐘優選原則等。SSM算法源于SDH的時鐘同步控制，使用規則和時鐘選擇算法符合ITU－TG.781的規范。同步以太網的SSM控制繼承了SDH網絡特性，在傳統時鐘同步網的基礎上通過增加以太網同步消息信道(ESMC)豐富了對同步以太網的支持。

1.4 基于分組的時鐘同步網絡規范

目前主要有兩種方式可以實現時鐘同步信號的地面傳遞，分別為物理層定時信息方式和分組報文傳遞方式。前述的同步以太方式就屬于物理層同步定時的方法。分組報文傳遞方式是將本地時間信息以時間戳的形式被報文所攜帶，當報文到客戶端后通過算法恢復本地時鐘，從而達到同步定時。ITU－TG，8265就是用于規范利用包進行的時鐘同步。該建議對分組報文用于解決網絡時鐘定時傳遞問題的總體框架、功能需求結構以及相關的技術進行了描述，同時對目前常用的解決方法——IEEE1588v2中的技術進行了分析。

ITU－T G.8265.1則是在IEEE 1588技術的基礎上，提出了采用單播的通信方式在分組網絡環境中實現時鐘傳遞。該建議中對使用精確時間傳輸協議(PTP)實現時鐘定時信號的傳送中遇到的問題進行了說明，包括IEEE 1588協議使用原則(PTP的通信模式、封裝格式及報文頻率等)和最佳主時鐘選擇算法。在該建議的附錄I中，針對在PTP報文交互中采用單播還是組播的問題，分析了兩種方式的利弊，并給出了在具體工程應用實施中的相關建議。

2、分組網絡同步標準的展望

ITU－T組織為早先TDM網絡的同步架構及性能指標，制訂了詳細的規范和分配定義。ITU－T SGl5 WP3中的013課題組在同步標準的制訂上，做了大量的工作和努力，輸出了不少標準建議。尤其是在近幾年，傳統傳輸設備(尤其是以SDH、MSTP為代表的傳統意義上的傳輸設備)受到來自向IP化轉型傳輸設備的挑戰，分組包交換環境將是今后同步領域研究的重要平臺。目前Q13已經完成了分組網絡環境中解決時鐘同步(即：頻率同步)的絕大多數標準議題，在完善時鐘同步體系標準的同時，也在積極開展對時間/相位同步標準的研究工作。

2.1 Q13/15標準

從近幾次013會議上的白色文稿討論來看，目前標準組成員主要關注3方面內容。

(1)分組設備時鐘特性

和G.81x系列相比，ITU－TG.826x體系缺少一項重要的標準，即分組網元設備的時鐘質量評定方法。G.8262對EEC的時鐘特性進行了定義和規范，如何考量一個采用包交換的方式進行時鐘信號恢復的時鐘質量就成為需要關注的問題之一。

(2)利用包交換解決時間同步

·概貌和功能框架

2010年013深圳會議上，多個議題集中在了時間同步的需求及定位上。關于時間/相位同步的需求基本上已經達成一致。但目前利用1588v2技術，能否在大范圍區域內建立多級時間同步網，還存在比較大的爭議。

·時間同步網的技術規范

目前，時間同步地面傳遞的解決方案更多是傾向于采用IEEE 1588v2技術，但ITU－T并未明確指定將其作為唯一解決時間同步信號傳遞的技術。從時間同步網建設發展來看，同步標準族中缺少采用PTP進行組網的系列指導意見。盡管IEEE 1588v2設計的初衷就是為滿足電信網絡應用的需要，但是站在ITU的角度，僅依靠IEEE的現有規范，仍然無法直接指導日益發展的時間同步網，時間同步系列的標準是目前013組織研究的中心內容之一。

·采用包交換的傳輸節點時鐘

傳統SDH網元設備時鐘(sEC)的設備結構，如果引入時間同步需求，則內部的時鐘處理單元和時間處理單元的協調工作就需要重點考慮。另外針對1588v2技術引入電信同步網絡后，新出現的主用基準時鐘(PRTC)、邊界時鐘(Bc)、透明時鐘(Tc)和普通時鐘(Oc)等設備的時鐘特性也需要進一步規范。

(3)實際應用中的問題

目前從中國電信運營商采用1588v2的應用領域來看，主要還是集中于本地網絡無線信號回傳中基站間的同步問題。但如網絡范圍較大，城域核心層則多采用光傳送網(OTN)發備，同時出于多種因素的考慮，有必要把1588服務器移至核心節點位置上。另外OTN設備也需要采取適當措施保證各類同步信息的精準傳輸，并與下游分組網絡構建端到端的統一同步網。如此一來，同步信息就有可能要穿越核心層的OTN網絡到達匯聚層的PTN設備。中國移動等單位已就在OTN上傳1588報文并進行了前沿性的技術分析及外場測試，積累了大量第一手的數據，為推動ITU－T在該項技術上制訂相關的標準，提供了詳實可用的素材。ITU－TG.8251對OTN接口上的時鐘特性(抖動和漂移)進行了規范，但如何考慮在OTN上進一步承載PTP信號，以及對應OTN設備時鐘的進一步改造，需要進一步討論。

另外，隨著寬帶接入網的發展，無源光網絡(PON)以其能很好的承載移動網絡回傳信號，推動了網絡大融合的進一步拓展，因此接入網的移動業務就需要同步做以支撐。針對使用IEEE 1588協議來同步的端到端網絡，需要實現PON系統上的時間傳遞。但由于PON的結構特殊性，導致光纜終端設備(OLT)和光節點(ONU)之間的上下行時延差距很大，影響了，1588算法的實施。ITU－T02/15正在研究通過CPON本身的管理通道來解決延時信息和OLT精確時間信息的傳遞問題，如何能夠保證精度和實現的可操作性，都需要標準組織仔細考慮。另外，Q13/15也需把OLT的時鐘特性列為近期輸出的建議之一。

2.2 IETF的相關研究

早先的互聯網及以太網技術不考慮沒備之間的定時同步的問題，其技術自身的開發、維護是靠IEEE來支持。但互聯網工程任務組(IETF)看到了數據互聯網中提供同步定時信號的必要性。TICTOC標準工作組，成立于2008年3月，隸屬IETF組織中的網際互聯研究領域。一方面網絡時間協議(NTP)工作組的任務定位已無法滿足目前高精度時間同步的嚴格需求；另一方面，IETF專家認為未來的定時信息將統一采用IP/多協議標簽交換(MPLS)封裝的形式予以傳遞。該工作組目前的研究重點在于把同步定時信息，如NTP或是PTP包，封裝到MPLS幀中，實現在IP/MPLS網絡中端到端1588v2時間傳遞方式。在這一研究過程中也產生了多篇很有價值的文稿，其內容包括報文的封裝格式、定時信息鏈路的保護倒換及安全性等方面。但現階段，ITU－T則認為把PTP報文封裝進業務里，形式復雜，而且其性能恢復指標還有待進一步驗證。因此ITU－T希望PTP報文的封裝和轉發與業務轉發能分開考慮。

3、結束語

中國電信運營商對于在分組網絡上傳送同步定時信號的需求強勁，尤其是對于采用TD－WCDMA技術的基站來講，更需要在空口上具備嚴格的時間同步條件。近些年來，中國通信科研人員在該領域向國際標準組織輸出了大量的文稿，為推動分組網絡中同步標準的完善貢獻了力量。