分组网络的同步技术.doc

分组网络的同步技术一、 分组网络的同步需求在过去，通信网的基本业务为电话业务，而基于TDM交换思想的话音业务对同步的要求是必需的，因此同步在整个通信网的重要性也可见一斑。在将来，随着3G/4G网络和应用的不断普及，网络和业务的全IP化发展，分组传送技术将替代SDH网络而成为主流的传送承载网络。这时，一方面新的业务和新的应用会对网络的同步性能提出更高的要求，另一方面在通信网络由电路交换型向分组交换型演进过程中，对传统TDM业务的兼容及与传统电路型网络的互连互通都需要分组网络提供高质量的同步与定时性能。分组网中对同步的需求主要集中在与传统电路网络及业务的兼容和3G移动通信系统的无线业务承载两个方面。 图1 分组网对TDM等传统业务支持导致的同步需求在网络IP化过程中，大量的PSTN等传统TDM业务遗留下来需要分组网络统一接入和承载，如图1所示。除此之外运营商还可以利用分组网络开展利润较高的E1专线业务（G.823 定义相关接口时钟指标）。这时，在分组网络承载TDM等传统业务就需要考虑传统业务和网络所需要的同步与定时问题。也就是说，分组网络在传送TDM业务和与PSTN等的互通时，就产生了定时分配和同步需求。可是，传统的数据网不提供全网同步机制，接收端只能直接从接收的数据包中重建TDM输出码流定时信息，但由于数据网络的抖动、丢包等影响，采用一般的时钟恢复方式是无法重新恢复出这些实时业务的。因此，既然网络IP化并不能消除对传统TDM业务的需求，人们就只好研究分组网络如何承载TDM业务，分组网络如何保证TDM业务的时延、抖动和QoS等问题了。 图2 移动通信网络各环节的同步需求移动通信技术的发展离不开同步技术的支持，在3G三大标准中，CDMA2000和TD均是基站同步系统，有高精度的间同步需求，而且基站之间的切换、漫游等都需要精确的时间控制，在图2中给出了移动通信网络对时钟和时间同步的几个方面的需求。我国提出的TD-SCDMATime Division- Synchronous Code Division Multiple Access (时分同步的码分多址技术)标准，由于采用了TDD模式对时钟和时间同步提出了更高的要求，而且无线基站在软切换中，如果基站管理器和基站没有时间同步，将导致在选择器中发生邮件指令不匹配，从而使通话连接不能建立起来，所以基站之间需要高精度的时间同步, TD-SCDMA系统相邻基站之间空口对时间同步的精度要求是3ms。无线基站空口的频率准确度要求满足50ppb，这是基站间业务切换时手机数据缓存的需要，也是线路通信组建链路帧的需要。同步的目的是为了将时间和/或频率作为定时基准信号分配给相关需要同步的网元设备和业务，因此，同步技术按其提供的基准信号的不同可分为提供频率同步基准的时钟同步和提供时间同步基准的相位同步两大同步技术，下面我们分别研究分组网的频率和时间同步技术和实现方案。二、 分组网中的频率同步技术随着IP类应用的不断推广，特别是客户终端的IP化，互联网的不断普及和提速，以及多种基于以太网的业务的出现，使得目前网络中承载的流量，绝大多数已经是分组业务了，这就为运营商提供了技术转型和发展的战略机遇，“全IP环境”逐渐成熟。但是，传统的以太网和IP网络的承载和交换基于统计复用和尽力而为的转发技术，物理链路中不具备有效的定时传送机制，无法直接通过简单的时钟恢复方式在接收端重建TDM码流定时信息。传统的包交换网络是异步网络，并不像SDH网络那样具有同步网络的特性，为了满足以上这些频率同步的需求，同步以太网、TOP（Timing Over Packet- switching network）、CES（Circuit Emulation Services）、自适应（ACR）和差分（Differential）时钟等通过包交换网络来实现频率同步的技术产生并逐步成熟，如图3上半部分所示。同步以太网是一种基于传统的物理层时钟同步技术，该技术从物理层数据码流中提取网络传递的高精度时钟，再进行跟踪和处理，形成系统时钟，在发送侧采用系统时钟进行数据发送，从而实现不同节点间的频率同步，不受业务负载流量影响，为系统提供基于频率的时钟同步功能，同步以太网适用于不需要时间同步要求的场景。 图3 分组网的同步技术分类同步以太网采用类似SDH/PDH/SONET方式的时钟同步方案，通过物理层串行数据码流提取时钟，不受链路业务流量影响，通过SSM帧传递对应时钟质量信息，其工作原理见图4所示。 图4 同步以太网原理图在同步以太网中，下游设备为了正确选源，在传递时钟信息的同时，必须传递时钟质量信息（SSM）。对于SDH网络，时钟质量（等级）是通过SDH里的带外开销字节来完成的。但是以太网没有带外通道，只能通过构造SSM报文的方式通告下游设备。从应用角度看，同步以太网实现的是一个基于链路的时钟传递，它要求时钟路径上的所有链路都具备同步以太网特性，整网成本会偏高。TOP顾名思义，就是将timing信息根据一定的封装格式放入packet中发送，在接收端从包中恢复时钟，通过算法和封装格式尽量规避分组网传送过程中所带来的损伤。虽然TOP可以运行在现有所有数据网络中，但是它会受到数据网络延迟、抖动、丢包、错序等PDV（PDV：packed delay variation）参数变化的非常大的影响。CES电路仿真业务是在分组网上仿真TDM专线业务，通过分组网无缝传送基于TDM的业务、时钟和信令。如图5所示，基本原理是在分组交换网络上由伪线(pseudo wires)建立一个通道，通过这种通道透传所有2层TDM业务，从而使网络另一端的TDM设备不必关心其所连接的网络是否是一个真实的TDM网络。现有各种滤波算法都只能针对特殊的网络延迟分布，都只能过滤短期的网络延迟影响，强行过滤长期、缓慢的网络延迟变化会造成锁定时间不可忍受，因此，CES恢复出的时钟，从理论上是无法保证精度的。基于CES的分组同步技术目前主要有两大类方案，一个是自适应法（Adaptive Methods）；另一个是差分法（Differential Methods）。 图5 CES业务的自适应时钟恢复技术自适应法是完全基于分组包到达的间隔或缓存区的填充水平来恢复定时，可以保证业务时钟透明。优点是不需要公共参考时钟网。缺点是受到分组网网络的影响很大，处理相对复杂。在差分法工作方式下，将业务时钟和本地参考时钟的偏差进行编码并在分组网络中进行传送，业务时钟在远端通过使用相同的参考时钟进行恢复。在这种同步方式下，业务时钟透明。优点是由于收发两端的设备同步，业务时钟是异步映射的，所以受到分组网络损伤的影响小。缺点是必须两端有参考时钟，成本较高。 图6 在分组网络中实现频率同步的时钟提取方法这些技术落实到实际应用中，如图6所示，无线基站实现频率同步主要有以下几种方式：（1）本地设置GPS时钟源；（2）使用TDM电路和PDH/SDH网络；（3）分组网的时钟恢复技术；（4）将分组网构建成同步以太网模式。如果NodeB支持IP/PPP over E1/T1仍然通过E1/T1/Ch STM-1接口上传输网，这时同步时钟仍然可从线路获取，在宏蜂窝站点推荐使用该方案。如果NodeB采用分路传输，同时具备E1/T1、FE或DSL接口，这时同步时钟仍然可从E1/T1线路获取，在室内覆盖站点推荐使用该方案。当NodeB只有FE接口时，可配置GPS接收机来提供时钟信号，推荐在大流量站点，并且IP路由比较复杂的情况下使用该方式。如果NodeB只有FE（或DSL）接口，而且不允许、不经济或者是不方便安装GPS接收机，比如home NodeB、地下室NodeB，这时应遵循IEEE1588v2或同步以太网原理，在NodeB恢复时钟。三、 分组网中的时间同步技术分组网络中的时间同步技术如图3下半部分所示，目前主流的时间同步方法大致分为二类：一类是基于单程伪距测量定位原理的方法，如：美国GPS卫星、俄罗斯GLONASS卫星和中国北斗导航卫星，卫星授时的优点是时间同步的精度高、无需组建网络，获取方便；卫星授时的缺点有价格高（设备、安装、维护成本）、施工难度大（基站放在地下室）、失效率高，GPS等存在政治和安全风险。另一类是基于假设双向通信的传输时延差值为零的方法，如IEEE1588和NTP。第一种方法的特点是：单向信道；同步信号的获得稳定可靠（非战时）；费用偏高；容易被卫星拥有者控制。第二种方法的特点是：双向信道；费用低；双向传输时延差值为零的条件不易获得。传统的地面时间同步链路是采用NTP(Network Time Protocol)传送方式实现，目前已发展到v4版本，SNTP为NTP的简化版，标准为RFC 2030（SNTPv4）。该协议最大的缺点只能满足ms级别的时间传递精度，这对于无线时间同步基站所需的ms级时间精度是远远不够的。所以针对分组网络传递高精度时间的需求，IEEE提出了PTP(Precision Time Protocal) IEEE1588精确时间传送协议，目前已发展到v2版本。1588v2的核心思想是采用主从时钟方式，对时间信息进行编码，周期时钟发布，利用网络链路的对称性和延时测量技术，实现主从时钟的频率、相位和绝对时间的同步，PTP的关键在于延时测量。IEEE 1588（PTP）协议提供了不同设备之间实现精确时间同步的方法，1588的协议实现过程如图7所示。 图7 1588时间同步过程1、 Master的PTP协议应用层发起Sync消息给Slave，Sync包含该消息离开本节点的估算时间t1，Master同时记录Sync消息离开本PTP端口的精确时间t1值。2、 Slave端记录Sync消息到达时刻值t2，并把t2存入寄存器，同时报告给Slave的PTP协议应用层；3、 在Two Step模式中，Master的PTP协议应用层发起Follow_Up消息，Follow_Up消息包含前一个Sync消息离开Master时的精确时间t1值，Slave收到Follow_Up消息之后记下t1，此时Slave知道Sync消息的发送时刻t1（t1）和接收时刻t2；4、 Slave的PTP协议应用层发起Delay_Req消息给Master，Slave记录Delay_Req离开Slave端口的时刻值t3；5、 Master记录Delay_Req消息到达时刻值t4，并通过Delay_Resp消息把t4发给Slave，此时Slave知道Delay_Req消息的真正发送时刻t3和接收时刻t4及消息的发送与接收时间t1、t2;经过上述时间戳消息应答过程之后，可得到如下的计算公式： 主从之间时间差 = Offset+MS_Delay = t2-t1（t1） (1) 从主之间时间差 = SM_Delay-Offset = t4-t3 (2)假设主从之间链路时延MS_Delay等于从主之间链路时延SM_Delay，则在Slave端可以得出：Offset=（AB）/2MS_Delay =SM_Delay=（A+B）/2Master和Slave间不断发送PTP协议， Slave端根据Offset修正本地时间值，使本地时间同步Master的时间。1588v2的时间同步模式有：普通时钟（OC）、边界时钟（BC）、End-to-End 透传时钟和Peer-to-Peer 透传时钟。1588V2报文频率同步通过交换Sync报文产生的时间戳来实现。分组网时间同步网的实现主要包括下面3个步骤：1）建立主从关系；2）频率同步；3）时间同步。在建立主从关系时，对于频率同步，如果采用物理层同步，则通过SSM协议建立时钟的跟踪关系，和传统SDH类似；如果采用1588V2报文实现频率同步，其实现过程和时间跟踪关系的建立相同。综上，IEEE1588V2的优点主要有：支持时间和频率同步；同步精度高，可达亚微秒级；网络PDV影响可通过逐级的恢复方式解决；是统一的业界标准。其缺点有不支持非对称网络，且需要硬件支持IEEE1588V2协议和工作原理。 图8 在分组网络上通过IEEE1588v2实现的时间同步传递方案将IEEE1588v2技术应用于分组网络中，就可以通过地面分组网络传递高精度的时间信息，具体解决思路如图8所示，要在分组网络中实现1588v2时间同步传递功能，首先需要在网络的某个节点处配置支持IEEE1588v2的Master时间服务器，该服务器将注入的卫星时间同步信息转化为1588v2报文，然后在分组网络中采用BC、TC等不同的同步模式将高精度时间信息传递给支持1588v2的Slaver时间服务器，基站从Slaver网元提取同步信息，从而达到所有基站之间的时间同步。四、 小结分组传送网作为未来统一承载网络的最佳选择，将担当多业务的高质量传送职能，而同