IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議——分組網(wǎng)絡(luò)上的頻率同步

IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議—分組網(wǎng)絡(luò)上的頻率同步

電信網(wǎng)絡(luò)正在從電路交換技術(shù)快速轉(zhuǎn)向分組交換技術(shù)，以滿足核心網(wǎng)和接入網(wǎng)對(duì)帶寬需求的迅速擴(kuò)大。傳統(tǒng)的電路交換TDM網(wǎng)絡(luò)本身就支持在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)精密頻率同步。為了確保向終端用戶設(shè)備提供高等級(jí)QoS，無線基站和多業(yè)務(wù)接入點(diǎn)(MSAN)等接入平臺(tái)仍然依賴網(wǎng)絡(luò)回傳連接上提供的同步功能。在電信網(wǎng)中，能否通過以太網(wǎng)向遠(yuǎn)端無線基站和接入平臺(tái)提供運(yùn)營級(jí)的同步質(zhì)量，是向以太網(wǎng)回傳網(wǎng)演進(jìn)的關(guān)鍵。

時(shí)間傳輸協(xié)議

最初使用時(shí)間傳輸協(xié)議的電信設(shè)備是通過伺服控制環(huán)路驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)端網(wǎng)元(如街道機(jī)箱接入平臺(tái)和無線基站)中的參考振蕩器。這些遠(yuǎn)端網(wǎng)元中的參考振蕩器以前都是從T1/E1 TDM回傳連接恢復(fù)同步。只要TDM傳輸網(wǎng)絡(luò)可以跟蹤到基準(zhǔn)參考時(shí)鐘(PRC)，遠(yuǎn)端網(wǎng)元就能采用相對(duì)簡(jiǎn)單的伺服控制將它們的振蕩器鎖定到可跟蹤PRC的回傳反饋時(shí)鐘。當(dāng)回傳連接變成以太網(wǎng)——遠(yuǎn)端網(wǎng)元與同步源相互隔離時(shí)問題就來了。本文將討論如何使用以太網(wǎng)上的IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議(PTP)向遠(yuǎn)端網(wǎng)元提供同步。雖然以太網(wǎng)已得到廣泛普及，是低價(jià)連接的理想介質(zhì)，但并不非常適合要求精密同步的應(yīng)用。以太網(wǎng)生來就是非確定性的網(wǎng)絡(luò)，很難提供要求同步的實(shí)時(shí)或?qū)r(shí)間敏感的應(yīng)用。PTP通過網(wǎng)絡(luò)物理層的硬件時(shí)間戳技術(shù)很好地克服了以太網(wǎng)的延遲和抖動(dòng)問題，因此使用以太網(wǎng)絡(luò)承載時(shí)鐘數(shù)據(jù)包可以達(dá)到100ns范圍內(nèi)的空前精度，進(jìn)而顯著節(jié)省成本。

下一代網(wǎng)絡(luò)的同步功能

基于GPS的衛(wèi)星接收器可以提供小于100ns的精度，經(jīng)常被用于精密時(shí)間與頻率同步非常關(guān)鍵的領(lǐng)域，如電信、軍事和航空應(yīng)用。但提高精度成本巨大。基于GPS的系統(tǒng)需要安裝室外天線，確保直接看到天空以便接收低功率的衛(wèi)星傳輸信號(hào)，這不僅增加了費(fèi)用，而且對(duì)設(shè)施的物理架構(gòu)也帶來了額外的負(fù)擔(dān)?；谶@個(gè)理由，GPS最適合在中心局用作電信網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)參考時(shí)鐘，然后使用其它技術(shù)向遠(yuǎn)端設(shè)備分配同步和定時(shí)。電信運(yùn)營商和設(shè)備制造商正在研究通過以太網(wǎng)絡(luò)提供同步的多種新方法。

* 自適應(yīng)時(shí)鐘恢復(fù)(ACR)：基于電路仿真業(yè)務(wù)(CES)的許多非標(biāo)準(zhǔn)化解決方案使用ACR技術(shù)在遠(yuǎn)端下游單元再生網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘。然而，運(yùn)營商在使用這種技術(shù)時(shí)遇到了一些性能問題，更不用說一些主要運(yùn)營商通常不愿意將大規(guī)模的新業(yè)務(wù)部署交付給非標(biāo)準(zhǔn)化解決方案來實(shí)現(xiàn)。

* 同步以太網(wǎng)：ITU最近已經(jīng)完成了旨在滿足通過以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)提供頻率同步需求的同步以太網(wǎng)(G.8261,G.8262,G.8263)的定義工作?，F(xiàn)有以太網(wǎng)和同步以太網(wǎng)(Sync-E)的基本區(qū)別是發(fā)送PHY時(shí)鐘?，F(xiàn)在的IEEE 802.3要求發(fā)送時(shí)鐘達(dá)到100ppb(十億分之一)的自由振蕩時(shí)鐘精度。在同步以太網(wǎng)中，發(fā)送時(shí)鐘精度必須達(dá)到4.6ppb，并能通過外部SSU/BITS參考或接收時(shí)鐘跟蹤到一級(jí)時(shí)鐘。通過簡(jiǎn)單地將以太網(wǎng)的發(fā)送和接收時(shí)鐘鏈接起來，同步以太網(wǎng)可以用來與SONET/SDH交換數(shù)據(jù)。同步以太網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)是，在PRC和終端設(shè)備之間的整個(gè)路徑上，所有以太網(wǎng)交換機(jī)都要通過升級(jí)具備同步以太網(wǎng)功能。

* 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)：NTP作為最流行的協(xié)議被廣泛用于LAN和WAN上的時(shí)間同步。NTP實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較低，幾乎不需要修改硬件。然而，目前版本的NTP和實(shí)現(xiàn)方案還不能滿足電信網(wǎng)絡(luò)同步所需的更高精度要求。

另一方面，PTP通過使用現(xiàn)有的以太網(wǎng)分配網(wǎng)絡(luò)可以提供接近NTP的成本效益，并通過使用基于硬件的時(shí)間戳技術(shù)達(dá)到超過NTP的精度。PTP可以與使用高速交換機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的正常網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)共存，同時(shí)提供毫秒級(jí)的同步精度。達(dá)到這個(gè)杰出性能指標(biāo)的關(guān)鍵是硬件輔助下的時(shí)間戳技術(shù)。

PTP工作原理：硬件輔助下的時(shí)間戳技術(shù)

在網(wǎng)絡(luò)時(shí)間保持應(yīng)用中必須克服的兩個(gè)主要問題是振蕩器漂移和時(shí)間傳輸延時(shí)。不管采用何種協(xié)議，振蕩器漂移問題都可以通過使用更高質(zhì)量的振蕩器和從更高精度的時(shí)鐘源(如GPS)獲得時(shí)間而得以減輕。時(shí)間傳輸延遲問題解決起來比較困難，它具有雙重性：既有與操作系統(tǒng)處理時(shí)間數(shù)據(jù)包有關(guān)的延時(shí)，也有由于源時(shí)鐘與目的時(shí)鐘之間存在的路由器、交換機(jī)、電纜和其它硬件引起的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。在減少操作系統(tǒng)延時(shí)和抖動(dòng)方面PTP是最成功的。

PTP將時(shí)戳單元(TSU)和主從時(shí)鐘之間時(shí)間戳交換的創(chuàng)新方法結(jié)合在一起。位于以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制(MAC)和以太網(wǎng)PHY接收器之間的TSU同時(shí)嗅探輸入輸出數(shù)據(jù)流，當(dāng)識(shí)別出IEEE 1588 PTP數(shù)據(jù)包的前導(dǎo)位時(shí)發(fā)布一個(gè)時(shí)間戳，用于精確標(biāo)記PTP時(shí)間數(shù)據(jù)包的到達(dá)或離開(見圖1)。

F1: TSU位于以太網(wǎng)MAC和以太網(wǎng)PHY接收器之間。

為了估計(jì)和減少操作系統(tǒng)延時(shí)，主時(shí)鐘會(huì)根據(jù)本地時(shí)鐘周期性地向網(wǎng)絡(luò)上的從時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)同步(Sync)報(bào)文。TSU對(duì)發(fā)送的Sync報(bào)文標(biāo)記上確切的時(shí)間。從時(shí)鐘也給到達(dá)的Sync報(bào)文標(biāo)上時(shí)間戳，然后將到達(dá)時(shí)間和Sync報(bào)文中提供的離開時(shí)間進(jìn)行比較，于是就能判斷操作系統(tǒng)中的延時(shí)量，最后對(duì)時(shí)鐘作出相應(yīng)的調(diào)整。

通過測(cè)量主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間的來回延時(shí)可以減小與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的延時(shí)。從時(shí)鐘周期性地向主時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)延時(shí)請(qǐng)求報(bào)文(Delay_Req)，然后由主時(shí)鐘發(fā)起一個(gè)延時(shí)應(yīng)答報(bào)文(Delay_Resp)。由于這兩個(gè)報(bào)文都有精確的時(shí)間戳，從時(shí)鐘可以將這個(gè)信息和來自Sync報(bào)文的細(xì)節(jié)結(jié)合起來測(cè)量和調(diào)整網(wǎng)絡(luò)引入的延時(shí)。精密時(shí)間戳交換協(xié)議詳見圖2。

圖2：用于從PTP主時(shí)鐘向PTP從時(shí)鐘傳輸時(shí)間的數(shù)據(jù)包序列。

Sync數(shù)據(jù)包在離開主時(shí)鐘(T1)和到達(dá)從時(shí)鐘(T2)時(shí)被標(biāo)上時(shí)間戳。跟隨(Follow-up)數(shù)據(jù)包將Sync數(shù)據(jù)包離開時(shí)間傳送給從時(shí)鐘。延時(shí)應(yīng)答數(shù)據(jù)包在離開從時(shí)鐘(T3)和到達(dá)主時(shí)鐘(T4)時(shí)也被標(biāo)上時(shí)間戳。Sync數(shù)據(jù)包和Follow-Up數(shù)據(jù)包對(duì)被主時(shí)鐘作為延時(shí)請(qǐng)求和延時(shí)應(yīng)答數(shù)據(jù)包周期性地發(fā)送出去。用于從時(shí)鐘校正的公式為：0.5 (T1 – T2 – T3 – T4)。

確定目標(biāo)精度

PTP協(xié)議采用硬件時(shí)間戳技術(shù)提供亞微秒級(jí)的精度。在電信WAN上的性能表現(xiàn)取決于以下三個(gè)主要因素：

* 主從時(shí)鐘中的時(shí)間戳引擎的分辨率和精度(起始精度)

* 穿越WAN的延時(shí)/數(shù)據(jù)包延時(shí)變化(PDV)，包括跳數(shù)、負(fù)載以及交換機(jī)/路由器配置

* 在從時(shí)鐘側(cè)的伺服處理增益和振蕩器實(shí)現(xiàn)(PDV的不確定性被濾除的效率有多高)

在起始精度較高的情況下，電信網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包延時(shí)變化(PDV)將很快成為基于數(shù)據(jù)包的定時(shí)解決方案的誤差主導(dǎo)因素。注重QoS配置和負(fù)載變化的兩層交換網(wǎng)絡(luò)可以提供最佳的PDV性能。這種情況非常適合IEEE 1588 PTP，因?yàn)镻TP針對(duì)兩層交換環(huán)境作了優(yōu)化。然而，PDV是三層軟件路由網(wǎng)絡(luò)中的主導(dǎo)因素。振蕩器穩(wěn)定性和從時(shí)鐘側(cè)的伺服設(shè)計(jì)將成為確保滿足電信網(wǎng)絡(luò)同步要求的關(guān)鍵性能因素。

選擇廣播間隔和振蕩器類型

在PTP中，目標(biāo)定時(shí)精度決定了同步報(bào)文廣播的頻度以及使用什么類型的振蕩器。更頻繁的廣播可以得到更精確的同步，但也會(huì)產(chǎn)生更多的網(wǎng)絡(luò)流量，雖然使用的帶寬非常小。更高質(zhì)量的振蕩器也能得到更精確的同步。使用較低質(zhì)量的振蕩器同時(shí)增加廣播頻率以便更經(jīng)濟(jì)地達(dá)到目標(biāo)精度似乎很有誘惑力，但這種做法是不推薦的。低質(zhì)量的振蕩器缺少為電信應(yīng)用提供高精度PTP所需的穩(wěn)定性，因此縮短廣播間隔通常得不償失。

精度也是IEEE 1588主時(shí)鐘的功能。IEEE 1588主時(shí)鐘也被稱為最高級(jí)時(shí)鐘(grandmaster)，是網(wǎng)絡(luò)上的最終時(shí)間源。最高級(jí)時(shí)鐘通常以GPS為基準(zhǔn)，因此非常穩(wěn)定，也非常精確。UTC(協(xié)調(diào)世界時(shí))的精度通常在30ns RMS以上。通過使用如此高精度的時(shí)鐘和絕對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)，PTP網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)間可以得到很好的同步。高品質(zhì)的最高級(jí)時(shí)鐘還有其它一些測(cè)量特性，可用來表征網(wǎng)元的延時(shí)和抖動(dòng)特征，并測(cè)量相對(duì)于最高級(jí)時(shí)鐘的從時(shí)鐘精度。

選擇其它硬件

在路由器緩存延時(shí)和交換機(jī)延時(shí)影響時(shí)間傳輸精度的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上，PTP能夠很好地發(fā)揮作用。圖3比較了在典型以太網(wǎng)交換機(jī)、線速路由器和基于軟件的路由器上所做的延時(shí)和PDV測(cè)量結(jié)果。先進(jìn)的線速路由器在延時(shí)和PDV方面可以提供與傳統(tǒng)兩層交換相媲美的快速交換，使得它們非常適合PTP同步分配應(yīng)用。另一方面，與基于軟件的路由器相關(guān)的高延時(shí)和PDV可能成為如上所述的一個(gè)限制因素。

圖3：表明以太網(wǎng)交換機(jī)(上部)、線速路由器(中間)和軟件路由器(底部)延時(shí)的柱狀圖。線速路由器性能相當(dāng)于兩層交換機(jī)，而軟件路由器的PDV高出了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

PTP協(xié)議還引入了一些特殊部件，如邊界時(shí)鐘和透明時(shí)鐘，即只有一個(gè)端口用于提供PTP從時(shí)鐘到主時(shí)鐘、其它端口通過增加功能來保持精度的交換機(jī)。邊界時(shí)鐘是指有一個(gè)端口是PTP從時(shí)鐘至主時(shí)鐘、其它端口是主時(shí)鐘到下游從時(shí)鐘的多口交換機(jī)。邊界時(shí)鐘提供了向眾多子網(wǎng)調(diào)節(jié)同步的好方法。但使用級(jí)聯(lián)邊界時(shí)鐘會(huì)在伺服環(huán)路中積累非線性時(shí)間偏移，最終導(dǎo)致不可接受的精度下降。

透明時(shí)鐘是PTP網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè)潛在硬件選項(xiàng)。這是一種帶有PTP功能的交換機(jī)，能夠通過修改Delay_Resp和Follow-Up報(bào)文中的精密時(shí)間戳消除交換機(jī)自身內(nèi)部的接收和發(fā)送延時(shí)，從而改進(jìn)從時(shí)鐘和主時(shí)鐘之間的同步精度。但是，當(dāng)原始數(shù)據(jù)包密碼校驗(yàn)和不匹配到達(dá)從時(shí)鐘處的最終數(shù)據(jù)包時(shí)，透明時(shí)鐘也可能產(chǎn)生安全問題。

PTP在電信中的應(yīng)用

許多電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商都把IEEE 1588 PTP作為滿足下一代無線和接入平臺(tái)同步要求的最具性價(jià)比方法。例如，所有GSM和UMTS基站頻率必須同步到±50ppb(十億分之一)，以支持手機(jī)從一個(gè)基站移動(dòng)到另一個(gè)基站時(shí)的網(wǎng)絡(luò)切換。不能滿足50ppb的同步要求將導(dǎo)致通話中斷。為了滿足這個(gè)要求，基站的傳統(tǒng)做法是將內(nèi)部振蕩器鎖定到從T1/E1 TDM回傳連接恢復(fù)的時(shí)鐘上。當(dāng)回傳通道變?yōu)橐蕴W(wǎng)后，基站與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)同步反饋連接斷開了。圖4給出了使用PTP的無線網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)端基站提供同步的典型部署情景。基站都將采用PTP從設(shè)備恢復(fù)出定時(shí)數(shù)據(jù)包，進(jìn)而用于控制基站的內(nèi)部振蕩器以滿足50ppb要求。基站中的PTP從設(shè)備需要訪問移動(dòng)交換中心(MSC)中部署的運(yùn)營商級(jí)PTP最高級(jí)時(shí)鐘。在MSC中部署PTP最高級(jí)時(shí)鐘的關(guān)鍵考慮因素包括：

圖4：向下一代UMTS基站提供同步需要利用在MSC/RNC中部署的PTP最高級(jí)時(shí)鐘。同步數(shù)據(jù)包從最高級(jí)時(shí)鐘流向基站中的從時(shí)鐘。

* 將PTP最高級(jí)時(shí)鐘功能集成進(jìn)現(xiàn)有的MSC同步平臺(tái)(即BITS——大樓綜合時(shí)鐘供應(yīng)系統(tǒng)，以及SSU——同步提供單元)。

* 以太網(wǎng)傳輸單元配置——快速交換

* 振蕩器選擇和PTP從/伺服控制

MSAN和IP-DSLAM也要求支持傳統(tǒng)的TDM應(yīng)用，如T1/E1落地業(yè)務(wù)。設(shè)備制造商將PTP作為向基于遠(yuǎn)程終端的接入平臺(tái)分配同步的方法。ITU最近發(fā)布了G.8261標(biāo)準(zhǔn)，以期確立分組網(wǎng)絡(luò)的同步要求。在具體實(shí)施時(shí)的考慮因素與上述無線平臺(tái)相同，關(guān)鍵仍然是將PTP最高級(jí)時(shí)鐘功能集成進(jìn)電信中心局的BITS和SSU平臺(tái)(圖5)。

圖5：支持傳統(tǒng)TDM業(yè)務(wù)的MSAN要求從中心局開始經(jīng)以太網(wǎng)回傳進(jìn)行同步分配。MSAN中的PTP從時(shí)鐘可以從中心局BITS/SSU中的PTP最高級(jí)時(shí)鐘獲得同步。

PTP發(fā)展前景

自從2002年推出以來，PTP獲得了人們高度的關(guān)注，它的影響也是與日俱增?，F(xiàn)在許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商生產(chǎn)的硬件都支持網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的PTP。IEEE 1588 PTP協(xié)議正在繼續(xù)完善，以便進(jìn)一步提高精度、改進(jìn)容錯(cuò)性能，并增強(qiáng)電信應(yīng)用中的管理能力。納秒級(jí)精度、部署容易及高性價(jià)比的PTP正在眾多領(lǐng)域悄然改變同步應(yīng)用前景。