GPON系统1588时间同步技术的研究与应用

汪 坤， 刘 华

（1.武汉邮电科学研究院 湖北 武汉 430074；2.烽火通信科技股份有限公司 湖北 武汉 430073）

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基站回传解决方案[1]。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IPRAN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、TD-SCDMA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间同步技术是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[2]。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。

1 IEEE1588v2时间同步技术简介

1.1 IEEE1588v2协议简介

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。

1.2 时延测量机制

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[3]。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Delay，主从时钟之间的时间偏差为Offset，可以得到

图1 延时测量机制报文交互过程Fig.1 Packets switch process of delay measurement mechanism

解方程可得

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[4]。

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Sync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。

1.3 时钟模型

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[5]：

1）普通时钟OC（Ordinary Clock）。网络始端或终端设备，该设备只有一个PTP端口，只工作在Slave或Master状态。

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correctionField。

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correctionField，传送给末端。

1.4 BMC算法

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。

2 GPON系统时间同步技术研究

2.1 OLT与ONU之间的同步机制

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。

图2 GPON时间同步内部机制原理图Fig.2 Internal time synchronization mechanism of GPON system

GPON系统中OLT与ONU之间的这种机制由ITU-T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[6]。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，并计算出该下行帧帧头到达零距离时延ONU的时间TstampN，如式3所示

其中

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，ΔOLT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

其中

Δi表示在ONU内部的时延；

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。

2.2 GPON系统的时钟模型

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。

图3 GPON系统时钟模型示意图Fig.3 1588 clock model of GPON system

2.3 GPON系统的时钟同步

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SyncE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。

3 GPON系统时间同步系统设计

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ITU-T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。

图4 GPON时间同步系统框架Fig.4 Time synchronization system frame of Fiberhome`s GPON

4 实验与结论

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，曲线如图5所示，结果表明内部机制完全符合指标。

图5 带外1PPS+TOD方式长时间同步精度Fig.5 Long time synchronization accuracy of 1PPS+TOD mode

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65 000 s左右，仪表Slave端口的CTEDTE性能，滑动平均窗口10 s，性能为-42~22.5 ns，曲线如图6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。

图6 带内1588方式长时间同步精度Fig.6 Long time synchronization accuracy of 1588 mode

5 结束语

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。

[1]韩毅，蒋鑫.Femto基站系统时间同步技术研究[J].电信科学，2010（12）:19-22.HAN Yi，JIANG Xin.Time synchronization technology research of base station system[J].Telecommunication Science，2010（12）:19-22.

[2]陈朝辉.1588时间同步技术在现代通信网中的实现和应用[J].信息通信，2010（9）:8-12.CHEN Zhao-hui.Realization and application of 1588 time synchronization technology in modern communication networks[J].Information and Communications，2010（9）:8-12.

[3]IEEE Std 1588-2008，IEEE Standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S].2008.

[4]张文星.时间同步在10G EPON中的实现研究[D].武汉:武汉邮电科学研究院，2012.

[5]金凤昕.基于PON的IEEE1588V2时间同步技术应用研究[D].南京:南京邮电大学，2011.

[6]ITU-TG.984.3 Amendment 2.Gigabit-capable Passive Optical Networks（G-PON）:Transmission convergence layer specification，Amendment 2:Time-of-day distribution and maintenance updates and clarifications[S].2009.