GPON系統1588時間同步技術的研究與應用

汪 坤， 劉 華

（1.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢 430074；2.烽火通信科技股份有限公司 湖北 武漢 430073）

近年來，隨著3G技術的普及和4G時代的來臨，無線業務出現了爆炸式的增長。如果仍采用租用E1/T1的回傳方式，網絡的OPEX將因為帶寬業務的增長而不斷上升，因此急需成本低廉而且業務安全和質量有保證的基站回傳解決方案[1]。利用GPON的多業務匯聚能力可以實現基站回傳，并且相對于PTN和IPRAN方案有著巨大的成本優勢，有望成為未來小型基站回傳的主導模式。在現網的移動通信制式中，3G的 CDMA2000、TD-SCDMA制式以及 4G的 WiMAX/LTE制式，都使用了同步基站技術，基站工作的切換、漫游等都需要高精度的時間同步提供精確的時間控制。現階段應用最為成熟和廣泛的時間同步技術是GPS衛星授時方式，但是存在成本高，選址施工困難，故障率高，政治不安全因素等問題，不是大規模使用的理想方案[2]。基于硬件時間戳技術和網絡時間同步協議的IEEE1588v2時間同步可以達到ns級的時間同步精度，克服了GPS衛星授時的各種弊端，已經被運營商接受為未來的主流的時間同步技術。由此可見，PON必須支持IEEE1588v2時間同步才能應用于回傳網絡中。

1 IEEE1588v2時間同步技術簡介

1.1 IEEE1588v2協議簡介

IEEE1588中文全稱是 “網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準”，它定義了一種精確時間協議PTP（Precision Time Protocol），用于實現網絡中不同設備間的精確時間同步。協議共有兩個版本，v2版本針對通信網的特點進行了改進，更適合通信領域的應用。IEEE1588v2時間同步需要軟件協議和硬件高精度時間戳技術結合實現。

1.2 時延測量機制

時延測量機制是1588時間同步的最為核心的部分，基本原理是采用主從時鐘方式，通過節點之間交換PTP協議報文測量對稱網絡之間的時延確定主從時鐘之間的時間偏差，由此糾正從時鐘的時間實現同步[3]。因此需要軟件協議和硬件時間戳技術的結合才能完成。時延測量機制幾種報文交換和時戳獲取的一般過程如圖1所示。

圖中 t1是Master時鐘發送 Sync報文時，Master時鐘本地的時間；t2是Slave時鐘接收Sync報文時，Slave時鐘本地時間；t3是 Slave時鐘發送 Delay_Req報文時，Slave時鐘本地時間；t4是 Master時鐘接收 Delay_Req報文時，Master時鐘本地的時間，并寫入Delay_Resp報文中發送給Slave時鐘。假設主從時鐘之間的鏈路時延是對稱的，即報文交互的上下行所用時間相同時，從時鐘根據已知的4個時間值，可以計算出與主時鐘的時間偏移量和鏈路時延。設主從時鐘之間的鏈路時延為Delay，主從時鐘之間的時間偏差為Offset，可以得到

圖1 延時測量機制報文交互過程Fig.1 Packets switch process of delay measurement mechanism

解方程可得

時延測量機制的前提是：主從時鐘之間的鏈路時延是對稱的，也就是tms=tsm=Delay。如果不對稱的時延是固定的，可以在實際測試中通過補償來修正，時延不固定將帶來直接誤差，1588自身機制無法檢測和消除這種誤差，并且能夠累積傳送到下游時間節點[4]。

需要注意的是，t1時戳的獲取方式有one_step模式和two_step模式兩種，one_step模式由Sync報文直接獲取，而two_step模式是由一段時間后發送的Follow_Up報文發送獲取，如圖1中所示。這兩種模式只與芯片處理能力有關，不影響時延測量計算方式。

1.3 時鐘模型

IEEE1588v2將網絡中每個支持1588的節點設備定義為一個時鐘，根據不同的應用場景協議定義了OC、BC、TC這3種時鐘模型[5]：

1）普通時鐘OC（Ordinary Clock）。網絡始端或終端設備，該設備只有一個PTP端口，只工作在Slave或Master狀態。

2）邊界時鐘 BC（Boundary Clock）。網絡中間節點設備，該設備有多個PTP端口。其中一個端口可作為Slave，設備系統時鐘和時間通過此端口同步于上一級設備，其他端口作為Master，提供給下一級時間節點的Slave端口用作同步，實現逐級的時間傳遞。

3）透傳時鐘TC（Transparent Clock）。網絡中間透傳時間設備，該設備不終結PTP同步報文，也不用同步于上一級設備。只是對報文中修正域數據進行更新，并轉發到下一節點。按照鏈路時延計算方式，可分為E2E（END TO END）和P2P（PEER TO PEER）兩種。

E2E模式：在始端和末端交互報文，進行線路時延的計算。在中間節點只計算駐留時間并修正correctionField。

P2P模式：在始端到末端的每一段都進行線路時延和節點駐留時間的計算，將計算的值累加并修正correctionField，傳送給末端。

1.4 BMC算法

IEEE1588v2中定義了最優時間源算法 BMCA（Best Master Clock Algorithm），能夠自動選擇時間同步網中的最優時間服務器，自動選擇同步路徑，并能在時間源故障和鏈路故障時，自動實現時間源和同步路徑的切換。BMC算法通過每個PTP端口接收到的Announce報文獲取每條同步路徑對應的GM（祖父時鐘）的信息，根據數據集比較算法按照一定的順序依次比較不同GM之間的各項時鐘信息，選出最優的時鐘，最后通過狀態決策算法決策最佳的GM對應的PTP端口，完成選源操作。這3個流程會根據設定的周期重復進行。對于同一個域中的時鐘節點設備，不論網絡中部署了幾個不同的時間服務器，只要各節點時鐘都是統一于IEEE1588v2的BMC算法，協議就能根據GM不同的參數配置，實現有條不紊的時間源選擇和切換。

2 GPON系統時間同步技術研究

2.1 OLT與ONU之間的同步機制

在GPON系統中，OLT和ONU與一般的時間同步節點應用場景一致，可以直接參考PTN設備的設計理念，OLT與ONU之間的同步則不能參考。OLT下行和ONU上行通過不同的波長在同一根光纖中實現波分復用 （WDM），但是OLT下行采用廣播方式，時延較小，ONU上行使用TDMA方式發送數據，依照OLT的授權時間片來發送，因而上行時延難以控制，對于鏈路對稱性有嚴格要求的1588時延測量機制來說，這是不可容忍的。

在GPON系統中，下行時延可以通過測距獲得，因此可以不使用IEEE 1588v2的延時測量機制計算時延。OLT從上級時間同步源同步了時間后，OLT與ONU之間可以通過其內部機制進行時間同步，ONU通過由OLT下行某一幀中所帶精確時間信息，加上通過測距算得的時延來同步自身的時間，其基本原理如圖2所示，GPON基于125us幀傳輸，每個幀頭固定有一個super frame指示位，以此來標記時間。

圖2 GPON時間同步內部機制原理圖Fig.2 Internal time synchronization mechanism of GPON system

GPON系統中OLT與ONU之間的這種機制由ITU-T在G.984.3_AMD_2中進行了詳細定義，包含高精度時間信息的的ToD消息通過OMCI通道發送給ONU[6]。具體步驟如下：

1）OLT選取未來的super frame計數為N的某下行幀發送時間作為同步時間參考點，并計算出該下行幀幀頭到達零距離時延ONU的時間TstampN，如式3所示

其中

TsendN表示預測的未來超幀計數為N的超幀發送時的內部參考時間點，ΔOLT表示在OLT內部的時延。n1310和n1490分別表示波長為1 310 nm和1 490 nm的上下行光對應的折射率；

2）計算出該時間 TstampN并存儲同步時間關系對（N，TstampN），在此后的任意時刻，OLT都可選取某一下行幀將此關系對通過OMCI通道下發給任意某ONUi；

3）該ONUi根據自身的EqD以及處理時間等計算出序號為N的下行幀幀頭到達本地的準確時間 TrecvN，i，如式（5）所示

其中

Δi表示在ONU內部的時延；

4）當序號為N的下行幀到達ONUi時，ONUi將本地時間調整為TrecvN，i，從而完成與OLT的時間同步。

2.2 GPON系統的時鐘模型

GPON系統由于自身架構的復雜，在時鐘模型的分析上相對于PTN設備也有所不同。若將GPON作為一個整體分析，OLT上接承載網時鐘節點，ONU下接基站，即有Slave端口也有Master端口，應該視作一個BC；但是將GPON各個部分分開分析，OLT和ONU幾乎是兩個獨立的時鐘節點，并且OLT處終結了1588，ONU處是作為起點發起1588，這就可以將OLT和ONU視為OC模型。因此，可以將GPON看作一個由兩個背靠背的OC組成的BC模型，如圖3所示。

圖3 GPON系統時鐘模型示意圖Fig.3 1588 clock model of GPON system

2.3 GPON系統的時鐘同步

高精度的時間同步是以高精度的時鐘同步為基礎的，目前的1588時間同步方案中，為了實現穩定的時間同步性能，都使用了1588+SyncE的混合同步方式。在GPON系統架構下OLT可以從上游的物理線路中提取同步以太網時鐘，也可以通過純1588v2協議來實現頻率同步，這個頻率也是與上游同源的，并且都可以向下游傳遞；OLT到ONU之間也支持SyncE同步以太網時鐘同步；ONU再將從OLT獲得的時鐘繼續向下游基站傳輸，這樣就與核心網組成了不間斷的SyncE頻率同步網絡。

3 GPON系統時間同步系統設計

在整個GPON系統實現時間同步需要經過3個部分的流程：OLT與上游設備的同步、OLT和ONU之間的同步、ONU與下游基站的同步。OLT作為GPON的時間接入點，支持帶內1588方式同步于上游承載網時間節點，同時還需要預留帶外1PPS+TOD接口同步于GPS時間作為備用；在ONU側，ONU作為GPON的時間輸出點，支持帶內1588方式與下游基站進行同步，同時還需要預留帶外1PPS+TOD接口直接輸出給支持帶外方式的基站使用；OLT與ONU之間則是通過ITU-T在G.984.3_AMD_2中定義的內部機制由OMCI通道下發ToD給ONU進行同步。在頻率同步方面，GPON整個系統都支持SyncE頻率同步，并且OLT預留了BITS時鐘接口，ONU也能直接輸出2 M時鐘。系統框架如圖4所示。

圖4 GPON時間同步系統框架Fig.4 Time synchronization system frame of Fiberhome`s GPON

4 實驗與結論

文中提出的這套方案已經在烽火通信GPON設備中得到實現，并且進行了全面的系統測試，獲得了全面的測試數據。使用OLT的帶外接口同步GPS的1PPS+TOD，并由ONU的1PPS+TOD接口直接輸出，這里主要驗證OLT與ONU之間的內部機制，測試時間150000 s左右，TIE性能為-0.5~+1.5 ns，曲線如圖5所示，結果表明內部機制完全符合指標。

圖5 帶外1PPS+TOD方式長時間同步精度Fig.5 Long time synchronization accuracy of 1PPS+TOD mode

配置OLT和ONU都使用帶內1588方式同步，驗證整個系統時間同步性能，測試時間65 000 s左右，儀表Slave端口的CTEDTE性能，滑動平均窗口10 s，性能為-42~22.5 ns，曲線如圖6所示，系統的時間同步性能穩定，并且符合測試指標，此套設計方案可行。

圖6 帶內1588方式長時間同步精度Fig.6 Long time synchronization accuracy of 1588 mode

5 結束語

本文提出的GPON系統時間同步方案在烽火的GPON設備中得到實現，用大量的實驗室測試進行了驗證，目前已經在武漢電信、湛江移動、福州移動等LTE基站回傳現網試點進行了測試，測試性能良好，已具備商用條件。GPON有著優異的多業務承載能力，時間同步技術發展也十分迅速，相信未來將成為小型基站回傳的主流方案；同時，GPON對1588時間同步的支持，彌補了1588在接入網側的空白，有助于全網組建1588時間同步網。

[1]韓毅，蔣鑫.Femto基站系統時間同步技術研究[J].電信科學，2010（12）:19-22.HAN Yi，JIANG Xin.Time synchronization technology research of base station system[J].Telecommunication Science，2010（12）:19-22.

[2]陳朝輝.1588時間同步技術在現代通信網中的實現和應用[J].信息通信，2010（9）:8-12.CHEN Zhao-hui.Realization and application of 1588 time synchronization technology in modern communication networks[J].Information and Communications，2010（9）:8-12.

[3]IEEE Std 1588-2008，IEEE Standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S].2008.

[4]張文星.時間同步在10G EPON中的實現研究[D].武漢:武漢郵電科學研究院，2012.

[5]金鳳昕.基于PON的IEEE1588V2時間同步技術應用研究[D].南京:南京郵電大學，2011.

[6]ITU-TG.984.3 Amendment 2.Gigabit-capable Passive Optical Networks（G-PON）:Transmission convergence layer specification，Amendment 2:Time-of-day distribution and maintenance updates and clarifications[S].2009.