基于開銷通道的SDH高精度授時設備技術研究*

1 引言

隨著科技的飛速發展，高精度授時技術在通信、電力、金融、交通、氣象、農業、公共安全、軍事、科研等眾多領域的應用越來越廣泛，在授時精度和授時范圍需求上不斷提高。近年來，光網絡承載高精度授時業務憑借其低成本、高可靠、易于管理等優點，已逐漸成為業界研究應用的熱點。在運營商網絡中，采用PTP（IEEE1588v2）over X的授時方式，已成功實現OTN、PTN、EPON等新型主流網絡架構的時間同步，實際應用的授時精度甚至可達納秒量級[1-3]。但對于電力、國防等較多專網中仍大量部署的傳統SDH網絡，PTP協議的授時精度通常僅能達到亞微秒量級[4]。一方面，如果采用PTP over Ethernet的方式實現，由于傳統SDH/MSTP設備以太網業務接口在硬件上通常不支持PTP時間戳功能，導致精度劣化嚴重；另一方面，采用PTP over E1的方式，由于信道映射/解映射、復接/分接過程中時延抖動較大，授時精度也僅達數百納秒[5]。因此，研究SDH網絡更高精度的授時技術，為少數特殊用戶提供專業化的解決方案，仍具有一定現實意義。

2 原理分析

圖1 SDH網絡端到端授時鏈路示意圖

在經典授時系統中，通常采用時間信息傳輸加時延測量補償的方法實現精確時間同步，其中授時信道的時延穩定性和時延測量精度是影響授時精度重要因素[6]。SDH網絡端到端授時鏈路系統如圖1所示，時間基準將時頻信號發至SDH授時主時鐘，SDH授時主時鐘與SDH授時從時鐘之間經過雙向信息傳輸及時延測量等步驟，從時鐘根據兩端的時延測量值及時間信息計算時間偏差后調整本地時鐘，實現精確跟蹤同步。

研究表明，上述SDH授時系統的授時精度Δt可表示為：

其中，Δtmaster為主時鐘引入的授時偏差，Δtrepeater為鏈路中間SDH中繼設備引入的授時偏差，Δtoptical為鏈路中各傳輸光纖引入的授時偏差，Δtslave為從時鐘引入的授時偏差[7]。

SDH傳輸系統中，可用于授時的通道主要分為業務通道和段開銷通道，兩種技術體制對于Δtmaster、Δtrepeater和Δtslave的影響不同。SDH業務通道授時信息需經過低階交叉、高階交叉、高階通道、成幀、光接口等過程，到達對端后再進行一系列反過程[8]；傳遞過程較為復雜，引入的不確定時延抖動較大，使授時系統中Δtmaster、Δtrepeater和Δtslave都較大。而SDH開銷通道授時信息傳遞過程相對簡單，不僅傳輸延時小，且對線路時鐘抖動、線路溫度的敏感性較低，不受支路指針調整的影響[9]，其Δtmaster、Δtrepeater和Δtslave相對較小。Δtoptical的主要因素包括光纖溫度的變化及物理長度的不對稱，對于兩種授時體制而言，無論采用那種方式，該部分引入的授時偏差基本不變。

綜上，采用SDH段開銷字節進行授時，易于實現較高的授時精度。此外，要實現SDH網絡的高精度時間同步，還需要滿足以下條件：授時鏈路各節點間必須保持頻率同步，終端設備的數據碼率必須穩定，盡量減少中繼節點，雙向通道的光纖長度高度對稱，盡量簡單的附加處理機制等。

3 系統設計實現

3.1 總體設計思路

SDH高精度授時系統的設計遵循“無感承載、適應網絡、精確授時”的原則，采用SDH段開銷（MSOH）空閑字節或未定義字節作為授時信道，基本不影響SDH設備原有的業務承載，實現授時業務的接入傳輸。該技術的實現架構如圖2所示，在物理層，完成SDH傳輸網的信號傳輸及網絡頻率同步，并通過時鐘抖動抑制技術提升時鐘質量；在復用段層，完成授時信息的成幀解幀、插入提取、精確時間間隔測量等功能；在時間同步協議層，完成雙向法同步協議及各種補償算法；在時間接口層，完成時鐘產生，時間值調整、時間馴服等功能；管理層主要功能是負責整個授時系統的配置及監測。

3.2 硬件設計

圖2 SDH授時系統技術實現架構

SDH設備增加授時功能的具體實現方法是在SDH光接口業務板上增加高精度時延測量和可馴服時鐘等硬件單元，以及增加時延測量、授時信息成幀/解幀、授時協議處理、時間調整等功能單元。

155M速率SDH開銷通道授時設備的光接口板硬件結構如圖3所示，其中，FPGA內部豐富的時序電路用于實現同步時鐘抖動處理、數字時鐘產生、開銷插入/提取、授時信息成幀/解幀、精確時延補償等功能。CPU實現授時協議處理、原子鐘時間馴服、溫度時延變化補償、不對稱時延補償，以及授時功能單元的配置和狀態監測等。PM5319為STM-1/ STM-4速率的SDH業務處理芯片，提供開銷接口，作為SDH高精度授時的通道。TDC-GP2為高精度的時間間隔測量芯片，其支持65ps分辨率的時間間隔測量，采用SPI接口進行讀寫。ZL30116是高精度的時鐘處理單元，為整個SDH授時單元提供參考時鐘，同時其中一路輸出提供給FPGA，用于守時跟蹤。

圖3 SDH開銷高精度授時設備硬件架構圖

SDH授時功能單元在時間頻率信號的輸入輸出上有微小差別，主時鐘通過對外接口獲取精確的1PPS、時間碼、10M等時間頻率信號；從時鐘通過馴服銣鐘輸出1PPS秒信號和10M頻率信號，時間碼信號由FPGA同步對齊后輸出。

3.3 雙向授時協議

對于經典授時系統而言，雙向授時法是目前采用最多的同步協議算法。雙向授時法基本原理是通過主、從時鐘的雙向信息交互和時延測量，最后由從時鐘綜合考慮不對稱時延因素后，估算出單向傳輸時延后實現時延補償。

雙向授時協議的具體實現流程如圖4所示，具體步驟如下：

（1）從時鐘在Ts1時刻發送REQ同步請求幀，并啟動本地高精度時間間隔測量單元。

（2）主時鐘接收到REQ幀時刻Tm1，并啟動本地高精度時間間隔測量單元；經過一定時延后，在Tm2時刻將ACK應答幀發出，同時停止高精度時間間隔測量單元，記錄時間間隔測量值T2。

（3）從時鐘在接收到ACK幀Ts2時刻立即停止高精度時間間隔測量單元，記錄時間間隔測量值T1。

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（4）主時鐘在秒脈沖跳變Tm3時刻啟動時間間隔測量單元，在Tm4時刻發出包含UTC時間的1PPS信息幀，并停止時間間隔測量單元，記錄時間間隔測量值T3。

（5）主時鐘在發出1PPS幀后，緊接著在Tm5時刻將包含T2、T3測量值的Ts幀發給從時鐘，從時鐘計算出時鐘偏差：

上述步驟應多次周期性進行，計算出多組偏差數值后作統計分析處理，減小系統隨機誤差；而后從時鐘依據最終時鐘偏差值調整本地時鐘，實現精確同步。

圖4 雙向授時協議實現流程圖

3.4 時間管理軟件設計

SDH時間管理軟件用于配置SDH授時系統的相關參數及監測同步狀態，是獨立于常規網管軟件的專用SDH時間管理軟件。針對SDH開銷通道授時系統的使用要求、運行環境和應用范圍，設計時間管理軟件界面如圖5所示，其主要功能包括：

（1）系統配置功能：主/從時鐘的設備端口號設置、段開銷字節通道選擇、參考時鐘選擇、不對稱時延補償量等。

（2）狀態監測功能：周期性監測主/從時鐘授時通道狀態、同步狀態、時間信息、傳輸時延量、時鐘偏差量等。

（3）告警監測功能：實時監測授時信息丟失、時鐘偏差異常、參考時鐘異常、時頻信號接收異常、時頻輸出異常等告警。

（4）數據記錄分析：采集和記錄主/從時鐘的各種狀態及告警數據，為后期系統的溫度補償算法、時間馴服算法提供基礎數據。

圖5 SDH授時時間管理軟件界面

4 實驗評估

授時精度是評估授時系統時間傳遞質量的一個重要指標，反映從時鐘同步跟蹤主時鐘的準確度及穩定度。為評估SDH開銷通道授時設備的指標性能，搭建如圖6所示的測試平臺，用于測量系統的授時精度。

圖6 SDH開銷通道授時系統測試平臺

通過時間管理軟件及SDH網管軟件對系統的業務傳輸、參考時鐘、開銷通道等內容進行配置。在實現開銷通道正常授時后，對雙向不對稱時延進行測量，并在時間管理軟件上設置預先補償量，最后通過時間間隔分析儀測量主、從時鐘1PPS信號的上升沿偏差。經過10 000 s的測試后，對測試結果進行數據分析，授時偏差值的折線圖及概率分布圖如圖7所示。

由圖7可知，授時精度測量值在概率上近似正態分布，中間值(median value)約為24.5 ns；從時鐘最大同步偏差30.4 ns，最小同步偏差19.9 ns。經Stable32軟件統計分析，測量時間內，從時鐘最大時間間隔誤差MTIE為6.7 ns，時間同步穩定度TDEV為1.16 ns。

經實際測試驗證，SDH開銷通道授時與SDH業務信道授時相比較，前者在授時精度上優于后者一個數量級；在同步穩定度上，前者更是幾近1 ns。因此，采用SDH開銷通道授時具有明顯的精度優勢，可用于一些需要在SDH網絡中承載高精度時間同步的特殊應用場景。

圖7 SDH授時偏差測量結果示意圖

4 結束語

SDH開銷通道授時設備在“守時穩”方面性能良好，優化卡爾曼濾波算法后，授時穩定度仍可提升。但在“授時準”方面存在一定不足，需通過減少對時隨機誤差和提升不對稱時延補償精度，進一步提升授時準確度。此外，如果在SDH設備的各線路光接口板上增加開銷授時單元，完全能夠實現時間同步業務的逐級傳遞，為SDH網絡實現整網時間統一提供解決方案。

目前在軍事通信網和電力專網中，SDH傳輸網絡仍占主導地位，而上述領域對于廣域時間同步需求也最為廣泛。因此，采用該設備和技術在現有的SDH開銷通道承載時間同步增值業務，具有一定的技術及成本優勢，在國防及電力領域擁有較好的應用前景。