基于承載網的IEEE1588時間同步能力分析驗證

楊淑媚,王 凱

(1.中國電信股份有限公司北京研究院,北京 100035;2.北京郵電大學 信息光子學與光通信研究院,北京 100876)

1 引 言

目前,3G、WiMax/LTE等無線接入技術以及未來通信新業務均對通信網時間同步的指標提出了要求,例如CDMA2000基站間時間誤差應小于±3μs、TD-SCDMA基站間時間誤差應小于±1.5μs,以滿足基站切換/漫游、時隙對準等性能要求。目前,國內廣泛使用全球定位系統(GPS/“北斗”)對基站設備進行同步,雖然性能優越,但也存在諸多不足:當前暫時還沒有與其同精度的備用方案,若出現丟星對現有通信網系統來說是敏感的;未來大量的基站建設需求,其內置GPS配套設施的成本不容小覷;另外,GPS故障率高、維護困難、易受天氣影響而且對基站的建設存在很多限制。因此,新的時間同步技術亟待開發。

對運營商來說,網絡共享是降低建設、運營成本的一個通用方案。IEEE1588可通過現有運營商已廣泛覆蓋的地面承載網來傳送時間同步信息,理論上達到全網微秒級的時間同步精度,同時還具有配置簡單、快速收斂、對網絡帶寬和系統資源消耗少等優點,作為時間同步備用方案增強了通信網絡的健壯性,同時可節約成本,增強運營商的競爭力。

本文從影響IEEE1588時間同步精度的因素出發,重點對WDM透傳網絡、WDM+MSTP混合組網中IEEE1588時間同步能力進行分析驗證。同時,根據實驗結果和方案缺陷對未來時間同步網建設提出建議。

2 IEEE1588技術簡介

IEEE1588全稱IEEE1588 Precision Clock Synchronization Protocol,即網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準,簡稱PTP(Precision Timing Protocol)。

IEEE1588協議采用時間分布機制和時間調度概念,一個通信網中通信設備的時間報文通過交互而建立主從關系(Master-Slave),其中主時鐘具有最高時鐘精度,其影響整個系統的內在精度。一般在時間同步核心網選擇1級銫原子鐘,或GPS/“北斗”作為主時鐘,時間同步本地網可采用GPS/“北斗”或BITS作為主時鐘。而從時鐘可使用普通振蕩器,通過軟件調度與主時鐘保持同步,過程簡單可靠。同現有廣泛應用的網絡時間協議(NTP)相比,NTP是僅依靠軟件實現的,一般在毫秒級精度,而IEEE1588可使用軟件和硬件配合來完成其同步功能,因此可獲得更精確的定時同步,一般為微秒級精度。這項技術主要包括主從同步過程、最佳主時鐘(BMC)算法、邊界時鐘(BC)和透傳時鐘(TC)等內容。

其中,主從同步過程是通過Sync、Follow-up、Delay-Req、Delay-Resp這4類報文攜帶精確的時間戳,經過交互后的校驗來實現從時鐘和主時鐘的精確同步。其原理過程分為兩個階段:漂移測量階段和時延測量階段。通過攜帶精確時間戳的4類報文交互,最終可計算得到主時鐘和從時鐘的時間偏差Offset、主/從時鐘到從/主時鐘的時延Delay(實際包括鏈路傳輸時延和系統處理時延),進而從時鐘的PTP應用軟件就可調整本地時鐘來實現與主時鐘的精確同步[1]。

3 影響IEEE1588時間同步精度的因素

3.1 時間戳機制

在IEEE1588系統中,時間戳機制分為硬件時間戳和軟件時間戳兩種。理論上講,時間同步系統設計時,產生或標記時間戳的位置越靠近物理層,上層協議棧所帶來的時間抖動等影響就越小,精度就越高。硬件時間戳可使系統獲得高同步精度(達納秒級),實現方式是上層的PTP應用軟件不直接進行時間戳的操作,而是通過一個底層硬件接口來收集產生或檢測報文的時間戳信息,一般選擇在物理層或數據鏈路層實現該機制[2]。

軟件時間戳是指在PTP應用層收集處理時間戳信息,同步精度可達到微秒級。該機制的優點:依賴于軟件平臺,不受硬件條件的約束,成本低,建設周期短。軟件時間戳的方式,同步報文需要通過高層協議棧的處理,會產生時間抖動和系統處理時延(可能達毫秒級),從而影響同步精度。

3.2 同步報文間隔

在主從同步原理中的漂移測量階段,主時鐘是按照一定的間隔時間(默認2 s),采用組播或單播方式(IEEE1588v2支持)周期性地向相應的從時鐘發出同步報文(Sync Message),其中IEEE1588v2支持同步間隔小于1 s的應用[3]。但與漂移測量的周期性機制不同,時延測量過程是不規律進行的,其間隔時間默認4～60 s。這樣的好處是占用較少網絡帶寬,使終端設備的系統負荷不會太大,特別是對擁有大量從時鐘的主時鐘而言負載會減輕。但因為存在主從同步校準的前后“間隙”,若在“間隙”內從時鐘產生時間偏移,則會對該時間段內系統的同步精度產生影響。因此,一般在Offset的計算中都是經過多次測量取時延的平均值。

3.3 從時鐘穩定性

在時間同步網絡內,主、從時鐘應保持相同的刻度,例如相同的時間間隔計數器周期。由于主從同步周期的存在,從時鐘自身的設備穩定性將會影響到系統的時間同步精度。IEEE1588機制允許從時鐘節點設備采用精確性相對較低的晶體振蕩器,這樣節約成本,但存在風險。例如,假設某類接入層設備的晶振穩定度為5×10-6,則在默認主從同步周期(2 s)內,BC模式下某從時鐘與上級時鐘的理論最大時間偏差可以達到5×10-6×2×2=20μs,再考慮到實際環境等因素,該偏差可能會更大。

3.4 信道對稱性

之前在主從同步原理中計算主/從時鐘到從/主時鐘的時延(Delay)時,實際上是包含了隱藏條件的:主時鐘到從時鐘的傳輸時延與從時鐘到主時鐘的傳輸時延相同,即認為通信信道的報文收、發鏈路的時延一致。而由于傳輸網絡的復雜性,存在多種保護鏈路以及重路由等情況,收、發鏈路這兩個時延一般都是不同的。例如,以太網的電纜設計就是收、發非對稱,以用來減少遠端串擾[4]。這樣若假設通信信道的報文收、發鏈路時延相同,就有誤差進入了Offset的計算中,從而對系統同步精度造成影響。

通信信道的對稱性包括收、發鏈路時延的一致性和穩定性。由于中繼鏈路狀況、網絡負載狀況等因素造成長途傳輸情況比較復雜,同一段鏈路的時延在一段時間內可能存在不穩定。而時延測量過程存在間隔(4～60 s),因此在某個時間間隔內,用于計算Offset而保持的Delay原始值可能與當前真實值存在偏差,這樣造成收、發鏈路時延的不穩定對主從同步精度產生影響。

3.5 透明時鐘模式

在通信網絡中,節點設備會在轉發數據過程中產生時延抖動,例如中繼器和交換機一般帶來幾百納秒到微秒級的抖動,路由器則可能帶來毫秒級的抖動。IEEE1588v1中提出的邊界時鐘(BC)技術就是針對該問題而設計的,通過某設備其中一個PTP端口作為Slave對上級Master跟蹤同步,生成自身時鐘,而其它PTP端口作為Master對下級Slave進行同步,形成從、主、從時鐘等級關系拓撲,消除了在節點設備中的時延抖動。但BC模式中,經過BC(多端口設備)、OC(單端口設備)逐級傳遞,顯然離主時鐘越遠,其時間同步精度可能會越差。IEEE1588v2的透明時鐘(TC)很好地解決了這個問題[5]。

以端對端透明時鐘模型(E2E TC)為例進行說明,某節點采用端到端透明時鐘模型,其對網絡上的業務報文不作處理而透明傳輸,當該節點的接收端口檢測到PTP事件報文后就將經過本節點的時延,即該報文經過節點入端口到出端口的時延,寫入到該報文的時間修正域中再往下發送,到下一個OC同該段鏈路的傳輸時延累計后,由PTP應用軟件對從時鐘進行同步。事實上,可以認為透明時鐘模式下,在節點并不恢復時間和頻率,只對1588報文做時延修正。因此相當于同步網內各級從時鐘都是直接與最佳主時鐘進行同步,而不像BC模式經過逐級傳遞,因此有利于提高全網同步精度。

4 基于WDM+MSTP組網的IEEE1588時間同步

近年來,隨著MSTP技術興起與發展,目前運營商基于MSTP的承載網已經覆蓋到了所有的基站。為充分共享該網絡資源,我們在實驗室采用基于WDM+MSTP的承載網方案來實現IEEE1588時間同步網的搭建,如圖1所示。

圖1 基于WDM+MSTP的IEEE1588時間同步網Fig.1 The topology of IEEE1588 time synchronous network based on WDM+MSTP

一般在通信網絡中實現時鐘/時間信號傳送有帶外或帶內兩種方式,帶外是通過網絡設備的專用時鐘接口來傳輸時間同步信號,帶內即在業務流內包含時鐘信號。就現網環境來說,采用帶外方式需要升級節點設備硬件和軟件,采用帶內方式則僅需要升級節點設備軟件。本方案采用帶內方式。

實驗過程為:以主/備用BITS輸出的參考同步秒脈沖1 pps作為觸發信號,用TIME ACC/示波器同時觀察基站入口處來自于接入層MSTP設備的秒脈沖1 pps,來進行相位同步的測試。通過WDM透傳網絡和WDM+MSTP混合組網兩種方案,來對影響IEEE1588時間同步精度的各因素進行實驗分析。

4.1 WDM透傳網絡

如圖1所示,WDM透傳網絡采用多于30套的WDM設備,一波STM-4業務信號除上下業務站點,在各個WDM站點進行光層穿通,最終傳輸到目標節點。

測試項目及結果為:進行24 h長期測試,示波器觀測結果在±1μs內;TIME ACC 觀測15 min,相位偏差平均值為50 ns左右,如圖2所示。

理論上講,承載網中WDM設備不對時間信號作任何處理,相當于是透傳,不會對時間信號產生延時或抖動等影響,這在本實驗中得到了驗證。但現網鏈路狀況和設備負載情況會對透傳性能產生影響。

4.2 WDM+MSTP混合組網

根據市場現有設備類型、廠家設備對IEEE1588協議的支持情況和市場成熟度等因素,實驗室MSTP組網設備采用硬件時間戳機制和BC模式。

如圖1所示,1588信號經過MSTP+WDM設備逐點傳送,走拓撲最長路由,共經過多于20套MSTP設備處理、多于30套WDM設備透傳。匯聚層和接入層MSTP設備內部晶振穩定度小于±4.6 ppm,設備同步報文發送間隔為2 s。

測試項目及結果如下:

(1)進行24 h 長期測試,觀測結果在±1μs內,如圖3所示。

圖3 經MSTP+WD M逐點傳送的同步相位Fig.3 Time synchronization accuracy testing onMSTP+WD M network

(2)按照ITU-T G.8261 Traffic Model 1的流量模型(64 byte的報文占80%,576 byte的報文占5%,1518 byte的報文占15%)增加正、反向業務背景流量進行測試:正向加入80%流量,反向加入50%流量,突變規律如圖4所示,觀測結果在±1μs內。

圖4 背景流量突變模型Fig.4 The mutational model of background traffic

(3)擁塞測試:正反向流量同時增加到100%擁塞,時間跟蹤路徑發生倒換,相位偏差發生跳變,跳變在±1μs內 。

(4)網絡信道對稱性:在接入層,先在某WDM網元某光口發方向插入160 m光纖,時間跟蹤路徑走該方向,時延值測得為575 ns;在該光口正向補償240 m,則TIME-ACC上時延值為47 ns;拔掉該光口光纖,時間跟蹤路徑倒換,穩定后時延為510 ns,在該光口正向補償200 m,補償后時延值為73 ns;恢復該光口光纖,時間跟蹤路徑倒換到原來路徑,穩定后時延值為45 ns,如圖5所示。匯聚層的相關實驗結果與此類似。可見在現網中針對收、發鏈路時延的不一致、光纖光纜的割接、熔接等情況,采用節點補償技術來保證時間同步系統精度是必要手段。

圖5 網絡信道對稱性對IEEE1588精度的影響Fig.5 Time synchronization accuracy testing for the channels′unsymmetry

4.3 IEEE1588時間同步能力分析及建議

根據實驗條件和結果可知,同步報文間隔、從時鐘穩定性等因素對IEEE1588時間同步精度的影響程度有限。

對于信道非對稱性,實驗室測試1 m光纖約造成4.5 ns的偏移。因此需采用節點補償技術對現網設備逐節點地進行補償,且須嚴格按時間跟蹤路徑順序進行。而此項工作的可操作性及工作量、對業務及日常維護工作的影響,需要進一步進行現網評估。

為解決本方案的缺陷及進行優化,本文提出了一種時間同步網分層模型:時間信號在上層透傳底層處理,即在干線通過WDM設備透傳進行時間同步,本地網則經過MSTP設備處理進行同步。本模型具有以下優勢:現有組網設備一般都為BC模式,時間信號通過在核心層或匯聚層的WDM設備透傳,可減少BC、OC逐級傳遞,從而優化全網同步性能;現網WDM設備支持IEEE1588,硬件無需升級,降低建設成本;就網絡維護而言,僅需在接入層的MSTP節點進行信道非對稱性補償,可減少日常維護工作量,同時降低骨干網絡維護風險。

5 結束語

本文通過實驗室組網驗證了基于承載網的IEEE1588時間同步技術的現網可行性,指出了將來建設IEEE1588時間同步網的關鍵影響因素及缺陷,并提供了相應建議。下一步的研究重點是如何改善人工節點補償技術,降低網絡運維壓力和網絡的風險性,同時需要更加真實模擬業務背景流或現網復雜環境論證以及透明時鐘模式的組網驗證。在未來時間同步網建設或現網改造中,我們一方面需要考慮不同時間同步網的互通兼容,實現未來同步網絡平滑升級過渡;另一方面,如何最大化利用現有基礎網絡投資,綜合考慮現有承載網的狀況來設計合理的升級部署方案,是一個重要的工程課題。

[1]John C Eidson,Michael C Fischer,Joe White.IEEE-1588 Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Cortrol Systems[C]//Proceedings of the second ISA/IEEE Conference on Sensor for Industry.Houston,USA:IEEE,2002:98-105.

[2]孫文杰.局域網時鐘同步精確時間標記方法的研究[D].武漢:華中科技大學,2007.SUN Wen-jie.Precise time stamping method for IEEE1588 clock synchronizationmessage[D].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2007.(in Chinese)

[3]葉衛東,張潤東.IEEE1588精密時鐘同步協議2.0版本淺析[J].測控技術,2010,29(2):1-4.YEWei-dong,ZHANG Run-dong.Analiysisof IEEE1588Precious Clock Synchronization Protocol Version 2.0[J].Measurement and ControlTechnology,2010,29(2):1-4.(in Chinese)

[4]HansWeibel,Dominic Bechaz.IEEE1588 Implementation and Performance of Time Stamping Techniques[C]//Proceedingsof NIST Conference on IEEE1588.Gaithersburg,Maryland,USA:IEEE,2004:1-7.

[5]IEEE Std.1588-2002,IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Cortrol Systems[S].