WDM網絡中PTP協議的一種非對稱時延算法

孫 捷, 曹 睿， 邵曉璇,

(成都信息工程大學 通信工程學院, 四川 成都 610225)

計算機技術應用

WDM網絡中PTP協議的一種非對稱時延算法

孫 捷, 曹 睿， 邵曉璇,

(成都信息工程大學 通信工程學院, 四川 成都 610225)

提出了WDM網絡中一種適用于1588v2非對稱鏈路時延的測試方法,該方法是在WDM網絡中采用2個不同波長λ1、λ2和3步測試來實現的。首先用λ1波長進行1588v2協議的鏈路時延測試，然后用λ2進行1588v2協議的鏈路時延測試，最后用一根非常短的光纖把主網元光模塊的TX和RX收發端口自環相連進行1588v2協議測試。結合Sellmeier方程推導出了該算法獲得主從網元節點的時間/相位偏差及收發兩個方向鏈路時延公式。

非對稱鏈路； 精準時間協議； WDM； 塞爾梅耶爾方程

1 時間同步信息非對稱時延問題

時間同步信息ToD(time of day)對CDMA2000、TD-SCDMA、TDD-LTE等無線網絡是非常重要的[1]。例如在TDD-LTE網絡中,相鄰基站的時間/相位差要小于3s,所有基站和通用參考時鐘之間誤差應小于1.25s。

通常,基站通過GPS接收器從GPS衛星獲得準確的時間/相位信息。但是從國家安全角度看,GPS不是一個可靠的系統；且每個基站都需要專門的GPS天線和接收器也過于昂貴[2]。此外,大城市的中央商務區(CBD)中很難為GPS天線找到合適的安裝地點,因為GPS需要天線和太空中多個GPS定位衛星之間不能被阻隔[3]。另外,GPS時鐘模塊已成為除射頻模塊外的第二高故障率設備[4]。針對GPS定時的缺點,一些運營商通過在PTN甚至OTN傳輸網絡中應用1588v2 PTP協議(precision time protocol,精準時間協議)來傳輸ToD信息,以使基站獲得準確的時間/相位信息[5-6]。

但是1588v2 PTP協議的一個基本假定就是主節點和從節點之間鏈路時延是對稱的,即要求光纖在發送和接收方向是對稱的[7]。只有在對稱光纖的情況下,1588v2主節點到從節點的傳輸時延才等于反方向從節點到主節點的傳輸時延。但實際網絡中收發鏈路時延基本都是非對稱的,因而必須對每個基站用GPS測量補償值來補償收發鏈路的非對稱性[8],不僅不方便,而且大大增加了網絡中部署1588v2的時間。缺少非對稱鏈路時延的自動測量和補償方法已經成為阻礙1588v2在現網中部署的關鍵因素[9]。

2 1588v2協議基本原理介紹

根據1588v2協議,相位/時間同步是通過在主從網元(NE)節點間交換1588v2的同步消息來實現的[7],在同步消息中帶有主從節點收發消息的時間信息。

1588v2協議基本原理如圖1所示。圖中t1—t4各時間參數的意義為:

t1:主節點發Sync(同步)消息時主節點時間；

t2:從節點收到Sync消息時從節點時間；

t3:從節點發Delay_req(延遲請求)消息時從節點時間；

t4:主節點收到Delay_req消息時主節點時間。

主節點在發送的sync消息中帶有t1時間戳,從節點在t2時間收到Sync消息,然后在t3時間發送Delay_req消息。主節點收到Delay_req消息后,在回送的Delay_resp(延遲響應)消息中帶有主節點收到Delay_req消息的時間t4。這樣從節點可以得到t1,t2,t3,t4這4個時間值[10]。

圖1 1588v2協議基本原理

假設主從NE節點的時間差(時鐘偏差)是offset,主節點到從節點的鏈路傳輸時延是Dms,從節點到主節點的鏈路傳輸時延是Dsm,可以得

(1)

要做到主從節點相位同步,從節點就需要得到主從節點時間差offset。在式(1)中,t1,t2,t3,t4是已知的,而2個等式卻有3個未知量:offset,Dms和Dsm,因此,根據式(1)是無法得到offset的。

1588v2假設主節點到從節點的傳輸時延Dms等于反方向從節點到主節點的傳輸時延Dsm,即Dms=Dsm=delay,據此可以得到

(2)

3 WDM網絡中得到非對稱鏈路時延及主從節點時間差的方法

在實際光網絡中,收發方向鏈路長度和時延經常是不相等的,即Dms≠Dsm。根據ITU-T G.650,單位長度光纖的群時延和波長λ有關,即不同波長具有不同的群時延[11-12]。用2個不同波長進行1588v2協議測試,得到的鏈路傳輸時延值會有一個很小的差異。根據這個特點,提出了一種針對不對稱光纖鏈路的測試方法。該方法在WDM(wavelength division multiplex)網絡中分別采用兩個不同波長來進行1588v2協議的鏈路時延測試,并可以得到收發兩個方向的時延值Dms、Dsm及主從兩個網元的時間差offset,據此可在不對稱鏈路條件下更精確地實現1588v2協議。

本方法的測試配置如圖2所示。λ1和λ2是進行1588v2協議測試用的兩個波長。從實現角度,可簡單地通過WDM網元上可調光模塊實現波長的變化。L1是主節點到從節點的光纖長度,L2是從節點到主節點的光纖長度,在非對稱鏈路中,L1≠L2。

圖2 1588v2非對稱鏈路測試配置

本方法包括3個測試步驟:

步驟1:用λ1波長進行1588v2協議的鏈路時延測試,可得到

(3)

其中offset是主從NE節點的時間差,t1,t2,t3,t4是從節點根據1588v2協議消息在λ1波長下得到的4個時間值,Dms和Dsm分別是步驟1中在λ1波長下主節點到從節點和從節點到主節點的傳輸時延。傳輸時延又可分為3部分:光纖本身的光信號傳輸時延Dfiber、光信號變為電信號處理,以及最后再變為光信號的O/E/O時間DOEO及1588v2協議處理時間Dprotocol。O/E/O和1588V2協議處理是由FPGA實現的,因此DOEO和Dprotocol的值是固定的,和波長及網元無關,Dfiber和光纖長度及波長都相關。可得到Dms=DL1+DOEO+Dprotocol,Dsm=DL2+DOEO+Dprotocol。DL1是主節點到從節點長度L1的光纖在λ1下的傳輸時延,DL2是從節點到主節點長度L2的光纖在λ1下的傳輸時延。

步驟2:用λ2波長進行1588v2協議的鏈路時延測試類似步驟1,可得到

(4)

在式(3)和式(4)中,DOEO和Dprotocol是固定值,和波長不相關,定義

Dfix=DOEO+Dprotocol

通過下面的步驟3可以測量得到Dfix。

步驟3:用一根長度非常短的光纖把主網元光模塊的TX和RX收發端口自環相連,進行1588v2協議測試。由于光纖很短,可認為光纖本身的光信號傳輸時延Dfiber=0。由于光纖兩側的TX和RX在同一個NE上,用同樣的時鐘,因此offset=0,可得

可得出:

Dfix=t2″-t1″=t4″-t3″

(5)

根據式(3)可以得到:

Dms+Dsm=(t2-t1)+(t4-t3)

(6)

根據ITU-T G.650,每單位長度光纖的群時延和波長的關系可以用Sellmeier方程的三項擬合表達式表示如下[8]:

其中τ是每單位長度光纖在λ波長下的群時延,λ0是光纖的零色散波長,τ0是每單位長度光纖在零色散波長λ0下的群時延,S0是光纖在零色散下的色散斜率。

這樣,長度L的光纖在λ波長下的群時延為

Delay_fiber(L)=τ(λ)×L

(7)

由式(7)可以得出在式(3)、式(4)中的一組值

(8)

(9)

(10)

式(9)和式(10)相除,可得到兩個方向光纖長度L1和L2的比值:

(11)

對主NE到從NE方向,由

Dms=DL1+Dfix=τ(λ1)×L1+ Dfix

可得出:

τ(λ1)×L1=Dms-Dfix

(12)

同樣,對從NE到主NE方向,由

Dsm=DL2+Dfix=τ(λ1)×L2+ Dfix

可得出:

τ(λ1)×L2=Dsm-Dfix

(13)

綜合式(11)、式(12)和式(13),可以得到

(14)

由于希望得到的是offset、Dms和Dsm,因此定義:

未知待求量:x=Dms；y=Dsm

已知量:a=Dfix；

b=(t2-t1)+(t4-t3)

根據式(6)和式(14),可得到

(15)

由式(15)可以得到Dms、Dsm和offset 3個值:

(16)

式(16)中的offset、Dms和Dsm是希望得到的未知值,而a、b、c、t2及t1都是已知量。由式(16)即得到了非對稱收發鏈路下的主從兩個NE的時間差offset和兩個方向的鏈路時延Dms和Dsm。

4 測試結果及分析

測試平臺使用2根不同長度的收發光纖連接主從網元,從而人為造成主從網元間非對稱收發鏈路,并人工設置主從網元不同的網元時間,從而使主從NE有一個時間差offset。作為比較的兩種方式:方式一是當前使用的方式,即使用標準的1588v2測試方法。假定收發鏈路是對稱的,并用GPS測量補償值來補償收發鏈路的非對稱性；方式二是本文提出的得到非對稱鏈路時延及主從節點時間差的方法。測試結果如表1所示。

從測試結果可以看出,本文提出的方法在有關主從網元的時間差offset方面,其準確度達到了方式一的水平,但由于無需用GPS測量補償值,在1588v2部署時間和成本上都優于方式一。此外,本文提出的方法還能分別得到2個方向的鏈路時延Dms和Dsm,而方式一只能得到一個平均時延Delay。在這點上,本文提出的方式二也優于方式一。

表1 兩種方式測試結果

5 結語

1588v2協議假定主從網元節點之間收發鏈路時延相等,但實際光網絡中經常是收發鏈路非對稱,長度和時延有一定差異,這個差異會造成1588v2協議得到的結果不精確。本文提出的WDM網絡中適用1588v2非對稱鏈路時延的測試方法和計算算法,采用雙波長和三步測量法,并利用Sellmeier方程推導出主從網元的時間/相位偏差及收發兩個方向鏈路時延的公式。該方法不必使用GPS測量非對稱鏈路時延差異,簡化了非對稱鏈路時延的自動測量,可在非對稱鏈路條件下更精確地實現1588v2協議并加快1588v2在現網中的部署。

References)

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An asymmetry delay algorithm for PTP protocol in WDM network

Sun Jie, Cao Rui， Shao Xiaoxuan

(Institute of Telecom Engineering, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)

An asymmetry link delay algorithm with two different wavelengths and three steps measurement for IEEE1588v2 protocol in WDM network was proposed. Combined with the equation of Sellmeier,the equation of time/phase difference between main and slave NE and the equations of TX and RX fiber link delay was deduced.

asymmetry link; PTP; WDM; Sellmeier equation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.037

2016-06-04

四川省科技支撐計劃項目(2013GZ0026)資助

孫捷(1965—),男,四川成都,碩士,高級工程師,主要研究方向為光通信技術.

E-mail：jsun_00@163.com

TN929.1

: A

: 1002-4956(2016)12-0150-04