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GPON系统1588时间同步技术的研究与应用

发布时间:2019-06-12 00:34 来源:未知 编辑:admin

  近年来,随着3G技术的普及和4G时代的来临,无线业务出现了爆炸式的增长。如果仍采用租用E1/T1的回传方式,网络的OPEX将因为带宽业务的增长而不断上升,因此急需成本低廉而且业务安全和质量有保证的解决方案。利用GPON的多业务汇聚能力可以实现基站回传,并且相对于PTN和IP RAN方案有着巨大的成本优势,有望成为未来小型基站回传的主导模式。在现网的移动通信制式中,3G的CDMA2000、TDSCDMA制式以及4G的 WiMAX/LTE制式,都使用了同步基站技术,基站工作的切换、漫游等都需要高精度的时间同步提供精确的时间控制。现阶段应用最为成熟和广泛的时问同步技术是GPS卫星授时方式,但是存在成本高,选址施工困难,故障率高,政治不安全因素等问题,不是大规模使用的理想方案。基于硬件时间戳技术和网络时间同步协议的IEEE1588v2时间同步可以达到ns级的时间同步精度,克服了GPS卫星授时的各种弊端,已经被运营商接受为未来的主流的时间同步技术。由此可见,PON必须支持IEEE1588v2时间同步才能应用于回传网络中。

  IEEE1588中文全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”,它定义了一种精确时间协议PTP(Precision Time Protocol),用于实现网络中不同设备间的精确时间同步。协议共有两个版本,v2版本针对通信网的特点进行了改进,更适合通信领域的应用。IEEE1588v2时间同步需要软件协议和硬件高精度时间戳技术结合实现。

  时延测量机制是1588时间同步的最为核心的部分,基本原理是采用主从时钟方式,通过节点之间交换PTP协议报文测量对称网络之间的时延确定主从时钟之间的时间偏差,由此纠正从时钟的时间实现同步。因此需要软件协议和硬件时间戳技术的结合才能完成。时延测量机制几种报文交换和时戳获取的一般过程如图1所示。

  图中t1是Master时钟发送Sync报文时,Master时钟本地的时间;t2是Slave时钟接收Sync报文时,Slave时钟本地时间;t3是 Slave时钟发送Delay_Req报文时,Slave时钟本地时间;t4是Master时钟接收Delay_Req报文时,Master时钟本地的时间,并写入Delay_Resp报文中发送给Slave时钟。假设主从时钟之间的链路时延是对称的,即报文交互的上下行所用时间相同时,从时钟根据已知的 4个时间值,可以计算出与主时钟的时间偏移量和链路时延。设主从时钟之间的链路时延为Delav,主从时钟之间的时间偏差为Offset,可以得到

  时延测量机制的前提是:主从时钟之间的链路时延是对称的,也就是tms=tsm=Delay。如果不对称的时延是固定的,可以在实际测试中通过补偿来修正,时延不固定将带来直接误差,1588自身机制无法检测和消除这种误差,并且能够累积传送到下游时间节点。

  需要注意的是,t1时戳的获取方式有one_step模式和two_step模式两种,one_step模式由Svnc报文直接获取,而two_step 模式是由一段时间后发送的Follow_Up报文发送获取,如图1中所示。这两种模式只与芯片处理能力有关,不影响时延测量计算方式。

  IEEE1588v2将网络中每个支持1588的节点设备定义为一个时钟,根据不同的应用场景协议定义了OC、BC、TC这3种时钟模型:

  2)边界时钟BC(Boundary Clock)。网络中间节点设备,该设备有多个PTP端口。其中一个端口可作为Slave,设备系统时钟和时间通过此端口同步于上一级设备,其他端口作为 Master,提供给下一级时间节点的Slave端口用作同步,实现逐级的时间传递。

  3)透传时钟TC(Transparent Clock)。网络中间透传时间设备,该设备不终结PTP同步报文,也不用同步于上一级设备。只是对报文中修正域数据进行更新,并转发到下一节点。按照链路时延计算方式,可分为E2E(END TO END)和P2P(PEER TO PEER)两种。

  E2E模式:在始端和末端交互报文,进行线路时延的计算。在中间节点只计算驻留时间并修正correction Field。

  P2P模式:在始端到末端的每一段都进行线路时延和节点驻留时间的计算,将计算的值累加并修正correction Field,传送给末端。

  IEEE1588v2中定义了最优时间源算法BMCA (Best Master Clock Algorithm),能够自动选择时间同步网中的最优时间服务器,自动选择同步路径,并能在时间源故障和链路故障时,自动实现时间源和同步路径的切换。 BMC算法通过每个PTP端口接收到的Announce报文获取每条同步路径对应的GM(祖父时钟)的信息,根据数据集比较算法按照一定的顺序依次比较不同GM之间的各项时钟信息,选出最优的时钟,最后通过状态决策算法决策最佳的GM对应的PTP端口,完成选源操作。这3个流程会根据设定的周期重复进行。对于同一个域中的时钟节点设备,不论网络中部署了几个不同的时间服务器,只要各节点时钟都是统一于IEEE1588v2的BMC算法,协议就能根据GM不同的参数配置,实现有条不紊的时间源选择和切换。

  在GPON系统中,OLT和ONU与一般的时间同步节点应用场景一致,可以直接参考PTN设备的设计理念,OLT与ONU之间的同步则不能参考。OLT下行和ONU上行通过不同的波长在同一根光纤中实现波分复用(WDM),但是OLT下行采用广播方式,时延较小,ONU上行使用TDMA方式发送数据,依照OLT的授权时间片来发送,因而上行时延难以控制,对于链路对称性有严格要求的1588时延测量机制来说,这是不可容忍的。

  在GPON系统中,下行时延可以通过测距获得,因此可以不使用IEEE 1588v2的延时测量机制计算时延。OLT从上级时间同步源同步了时间后,OLT与ONU之间可以通过其内部机制进行时间同步,ONU通过由OLT下行某一帧中所带精确时间信息,加上通过测距算得的时延来同步自身的时间,其基本原理如图2所示,GPON基于125us帧传输,每个帧头固定有一个 super frame指示位,以此来标记时间。

  GPON系统中OLT与ONU之间的这种机制由ITUT在G.984.3_AMD_2中进行了详细定义,包含高精度时间信息的的ToD消息通过OMCI通道发送给ONU。具体步骤如下:

  1)OLT选取未来的super frame计数为N的某下行帧发送时间作为同步时间参考点,并计算出陔下行帧帧头到达零距离时延ONU的时间TstampN,如式3所示

  TsendN表示预测的未来超帧计数为N的超帧发送时的内部参考时间点,△OLT表示在OLT内部的时延。n1310和n1490分别表示波长为1 310 nm和1 490 nm的上下行光对应的折射率;

  2)计算出该时间TstampN并存储同步时间关系对(N,TstampN),在此后的任意时刻,OLT都可选取某一下行帧将此关系对通过OMCI通道下发给任意某ONUi;

  3)该ONUi根据自身的EqD以及处理时间等计算出序号为N的下行帧帧头到达本地的准确时间TrecvN,i,如式(5)所示

  4)当序号为N的下行帧到达ONUi时,ONUi将本地时间调整为TrecvN,i,从而完成与OLT的时间同步。

  GPON系统由于自身架构的复杂,在时钟模型的分析上相对于PTN设备也有所不同。若将GPON作为一个整体分析,OLT上接承载网时钟节点,ONU下接基站,即有Slave端口也有Master端口,应该视作一个BC;但是将GPON各个部分分开分析,OLT和ONU几乎是两个独立的时钟节点,并且 OLT处终结了1588,ONU处是作为起点发起1588,这就可以将OLT和ONU视为OC模型。因此,可以将GPON看作一个由两个背靠背的OC组成的BC模型,如图3所示。

  高精度的时间同步是以高精度的时钟同步为基础的,目前的1588时间同步方案中,为了实现稳定的时间同步性能,都使用了1588+SyncE的混合同步方式。在GPON系统架构下OLT可以从上游的物理线路中提取同步以太网时钟,也可以通过纯1588v2协议来实现频率同步,这个频率也是与上游同源的,并且都可以向下游传递;OLT到ONU之间也支持SvncE同步以太网时钟同步;ONU再将从OLT获得的时钟继续向下游基站传输,这样就与核心网组成了不间断的SyncE频率同步网络。

  在整个GPON系统实现时间同步需要经过3个部分的流程:OLT与上游设备的同步、OLT和ONU之间的同步、ONU与下游基站的同步。 OLT作为GPON的时间接入点,支持带内1588方式同步于上游承载网时间节点,同时还需要预留带外1PPS+TOD接口同步于GPS时间作为备用;在 ONU侧,ONU作为GPON的时间输出点,支持带内1588方式与下游基站进行同步,同时还需要预留带外1PPS+TOD接口直接输出给支持带外方式的基站使用;OLT与ONU之间则是通过ITUT在G.984.3_AMD_2中定义的内部机制由OMCI通道下发ToD给ONU进行同步。在频率同步方面,GPON整个系统都支持SyncE频率同步,并且OLT预留了BITS时钟接口,ONU也能直接输出2 M时钟。系统框架如图4所示。

  文中提出的这套方案已经在烽火通信GPON设备中得到实现,并且进行了全面的系统测试,获得了全面的测试数据。使用OLT的带外接口同步GPS的1PPS+TOD,并由ONU的1PPS+ TOD接口直接输出,这里主要验证OLT与ONU之间的内部机制,测试时间150000 s左右,TIE性能为-0.5~+1.5 ns,曲线所示,结果表明内部机制完全符合指标。

  配置OLT和ONU都使用带内1588方式同步,验证整个系统时间同步性能,测试时间65 000s左右,仪表Slave端口的CTE\DTE性能,滑动平均窗口10 s,性能为-42~22.5 ns,曲线所示,系统的时间同步性能稳定,并且符合测试指标,此套设计方案可行。

  本文提出的GPON系统时间同步方案在烽火的GPON设备中得到实现,用大量的实验室测试进行了验证,目前已经在武汉电信、湛江移动、福州移动等LTE基站回传现网试点进行了测试,测试性能良好,已具备商用条件。GPON有着优异的多业务承载能力,时间同步技术发展也十分迅速,相信未来将成为小型基站回传的主流方案;同时,GPON对1588时间同步的支持,弥补了1588在接入网侧的空白,有助于全网组建1588时间同步网。

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