IP RAN中時(shí)鐘同步技術(shù)分析與比較

□ 文 朱先飛 宛傳東

1 引言

由于傳統(tǒng)的移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)有成本高、可獲取性差、帶寬資源有限等問題，在很大程度上限制了移動(dòng)寬帶的發(fā)展。運(yùn)營(yíng)商迫切需要構(gòu)建一種具備全場(chǎng)景支持能力、電信級(jí)、易維護(hù)、具備彈性能力的移動(dòng)承載網(wǎng)，來滿足移動(dòng)寬帶的各種需求，提升移動(dòng)寬帶的可獲取性。IP RAN技術(shù)以其組網(wǎng)靈活、高容量、擴(kuò)容性強(qiáng)、維護(hù)成本低及其高復(fù)用效率的特點(diǎn)，成為未來移動(dòng)承載網(wǎng)的主流方案。[1]IP RAN方案基于靈活I(lǐng)P通信的設(shè)計(jì)理念，以傳統(tǒng)的路由器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，其業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)推薦采用動(dòng)態(tài)控制平面的自動(dòng)路由機(jī)制。[2]

圖1 同步以太網(wǎng)技術(shù)時(shí)鐘信號(hào)傳輸示意圖

圖2 NTP拓?fù)鋱D

由于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)使用的載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）機(jī)制會(huì)引起通信的不確定性，為了消除這種不確定性，基于以太網(wǎng)通信技Positioning System全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）來解決，而該方案存在成本和軍事上的風(fēng)險(xiǎn)。由于IP RAN是作為移動(dòng)承載網(wǎng)，它既可用于異步基站，也可用于同步基站，所以要視其應(yīng)用需求來確定使用何種同步技術(shù)，目前可用于IP RAN的時(shí)鐘同步技術(shù)包括同步以太、IP clock、IEEE 1588協(xié)議等。[4]

2 同步以太

術(shù)的通信協(xié)議要求采用基于確定性調(diào)度的通信機(jī)制。這些通信協(xié)議主要采用基于令牌傳遞或者基于時(shí)隙劃分兩種方法。但是無論是哪種方法，都需要對(duì)特定時(shí)間事件進(jìn)行響應(yīng)。因此必須引入時(shí)鐘同步技術(shù)，來完成對(duì)全網(wǎng)的控制調(diào)度。[3]

時(shí)鐘同步可以分為頻率同步和時(shí)間同步?；陬l分雙工的無線系統(tǒng)（如WCDMA），要求節(jié)點(diǎn)間的頻率同步?；跁r(shí)分雙工的無線系統(tǒng)（如CDMA2000、TD-SCDMA和WiMAX），要求嚴(yán)格的時(shí)間同步來保證小區(qū)間的平滑切換。對(duì)于時(shí)間同步，目前只能通過GPS（Global

同步以太網(wǎng)（Synchronous Ethernet，由ITU-T Q13/SG15制定的同步以太方案又稱Sync-E）是一種采用以太網(wǎng)物理層傳送時(shí)鐘信號(hào)的技術(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)際電聯(lián)制定。該時(shí)鐘信號(hào)由一個(gè)可追溯的外部精確時(shí)鐘源提供。時(shí)鐘源和基站之間通過以太網(wǎng)傳送時(shí)鐘信號(hào)的示意圖如圖1所示。其中EEC代表Synchronous Ethernet Equipment Clock（同步以太設(shè)備時(shí)鐘）。在發(fā)送端主時(shí)鐘（Master clock）將高精度時(shí)鐘注入以太網(wǎng)的物理層（PHY）芯片，接收端的基站的PHY芯片可從數(shù)據(jù)碼流中提取這個(gè)時(shí)鐘，而不會(huì)損失精度，然后再根據(jù)該時(shí)鐘信號(hào)校準(zhǔn)自己的時(shí)鐘。這就是同步以太網(wǎng)的基本原理。

同步以太設(shè)備可以設(shè)置成同步模式或者非同步模式，當(dāng)設(shè)置為非同步模式時(shí)，它將不接收和發(fā)送同步信息，只有設(shè)置為同步模式，才會(huì)參與到整網(wǎng)同步的過程當(dāng)中。不管是什么工作模式，都兼容IEEE802.3協(xié)議。

在以太網(wǎng)上傳輸時(shí)鐘，仿照SDH機(jī)制，可以將以太PHY恢復(fù)出的時(shí)鐘，送到時(shí)鐘板上進(jìn)行處理，然后通過時(shí)鐘板將時(shí)鐘送到各個(gè)單板，用這個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。這樣上游時(shí)鐘與下游時(shí)鐘就產(chǎn)生級(jí)連的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了在以太網(wǎng)絡(luò)上時(shí)鐘同步的目標(biāo)。與傳統(tǒng)的TDM/SDH網(wǎng)絡(luò)不同，以太網(wǎng)沒有帶外通道來傳輸時(shí)鐘信號(hào)，所以只能通過構(gòu)造專用的SSM（Synchronous Status Message，同步狀態(tài)信息）報(bào)文的方式通告下游設(shè)備。該報(bào)文最早由ITU-T定義在SDH網(wǎng)上，用于標(biāo)示同步源的質(zhì)量等級(jí)（Quality Level，QL）。SSM的傳輸是通過ESMC（Ethernet Synchronization Messaging Channel，以太同步消息通道）來進(jìn)行的。該通道是一個(gè)單向傳輸通道，使用IEEE 802.3 Organization Specific Slow Protocol（OSSP）進(jìn)行傳輸。OSSP是一個(gè)連接協(xié)議，ESMC幀不能在以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)透明傳輸。節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)ESMC幀之后傳輸就終止了，不能進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的ESMC幀再發(fā)送出去。

ESMC有兩種消息類型，事件消息和信息消息。事件消息只有當(dāng)時(shí)鐘源的QL發(fā)生變化時(shí)才進(jìn)行發(fā)送，攜帶有新的QL。信息消息每秒都在發(fā)送，攜帶的是時(shí)鐘源的相關(guān)信息，包括源ID，從源到目前所在路由器的跳數(shù)等等。如果五秒內(nèi)沒有收到任何一個(gè)ESMC消息，則表示QL值失效。[5]

同步以太的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)鐘同步質(zhì)量接近SDH，完全滿足IP RAN時(shí)鐘指標(biāo)，不受PSN網(wǎng)絡(luò)影響，是最可靠的頻率傳送方式。但也有明顯的局限性，如需要全網(wǎng)部署，不支持時(shí)間同步，而且存在兼容性問題。

圖3 1588v2時(shí)鐘狀態(tài)改變算法流程圖

3.IP clock

IP clock是使用NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議）來進(jìn)行時(shí)鐘同步的一類產(chǎn)品的統(tǒng)稱。每個(gè)時(shí)鐘都可以作為轉(zhuǎn)發(fā)器，把自己的時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給其它計(jì)算機(jī)。它采用自組織的方式，分布式子網(wǎng)內(nèi)的時(shí)間服務(wù)器可以經(jīng)過有線或無線的方式同步子網(wǎng)內(nèi)的邏輯時(shí)鐘達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

圖4 數(shù)據(jù)集比較算法流程圖

圖5 主從時(shí)間同步機(jī)制

區(qū)別于其它類似服務(wù)，NTP提供了層（stratum）的概念，用于時(shí)鐘的選擇和精確的補(bǔ)償措施用于自身的時(shí)鐘頻率誤差校正。層的號(hào)碼表示服務(wù)器的精確度，從0到15精確度逐步降低。NTP拓?fù)鋱D如圖2所示，其中第0層獲得外部時(shí)鐘源，通常是高精度原子鐘、天文臺(tái)、衛(wèi)星。然后第1層從第0層獲取時(shí)間，第2層從第1層獲取時(shí)間，以此類推。NTP非常高效，在任意兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間維持毫秒級(jí)的時(shí)間誤差，僅需傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包。該數(shù)據(jù)包會(huì)包含NTP服務(wù)器到NTP終端用戶之間的時(shí)間延遲，里面的時(shí)間延遲信息會(huì)根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的吞吐量通過統(tǒng)計(jì)學(xué)的算法進(jìn)行調(diào)整。[6]

為了提供免費(fèi)的時(shí)間同步服務(wù)，Adrian von Bidder成立了一個(gè)名為“NTP共享計(jì)劃（NTP Pool Project）”志愿組織。該組織提供NTP服務(wù)器，并且聯(lián)合了多個(gè)不同的時(shí)鐘源設(shè)備，使得該計(jì)劃成為一個(gè)成功的計(jì)劃。該計(jì)劃的主要內(nèi)容是通過設(shè)置域名服務(wù)器（Domain Name Server,DNS），再根據(jù)地理位置劃分不同的子域。當(dāng)一個(gè)終端向NTP服務(wù)器發(fā)起請(qǐng)求，DNS服務(wù)器會(huì)向其提供本地NTP服務(wù)器的IP地址。DNS服務(wù)器通過輪聽的方式，使得請(qǐng)求負(fù)載均勻地分布在各個(gè)本地NTP服務(wù)器。

現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)有許多成熟的IP clock產(chǎn)品，如Valcom和Bogen等等。它們可以使用IEEE802.3af協(xié)議進(jìn)行供電或者使用電池。通過RJ-45接口接入以太網(wǎng)，兼容10M和100M基帶信號(hào)傳輸以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。[7]

IP clock的優(yōu)點(diǎn)是部署簡(jiǎn)單，成本較低，缺點(diǎn)是其準(zhǔn)確度較低，特別是當(dāng)基站端處于低層，有時(shí)不能滿足測(cè)量?jī)x器和工業(yè)控制所需的準(zhǔn)確度，而且和同步以太一樣，不支持時(shí)間同步。

4.1588v2協(xié)議

由于NTP無法滿足所需的準(zhǔn)確度，2000年底網(wǎng)絡(luò)精密時(shí)鐘同步委員會(huì)成立，其后獲得IEEE儀器和測(cè)量委員會(huì)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的支持，該委員會(huì)于2002年底起草了獲得IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)通過的IEEE 1588協(xié)議。IEEE 1588協(xié)議全稱為“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”。與NTP只用軟件進(jìn)行時(shí)鐘同步不同，IEEE 1588既使用軟件，也同時(shí)使用軟硬件結(jié)合，來獲得更精確的時(shí)鐘同步。由于IEEE 1588一開始也不支持時(shí)間同步，所以IEEE組織對(duì)1588進(jìn)行了重新修訂，并于2007年完成了版本2的修訂，稱為1588v2。IEEE1588協(xié)議借鑒了NTP技術(shù)，具有容易配置、快速收斂和節(jié)省帶寬等特點(diǎn)。它的主要原理是通過一個(gè)同步信號(hào)周期性地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行同步校正，可以使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達(dá)到精確同步，也可應(yīng)用與任何組播網(wǎng)絡(luò)中，完全可以滿足IP RAN對(duì)時(shí)鐘同步的要求。[8]

表1 不同時(shí)鐘同步方案比較

表2 不同無線制式對(duì)時(shí)鐘同步的要求

IEEE 1588v2協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)有三個(gè)：BMC（最佳主時(shí)鐘）算法、主從同步原理、透明時(shí)鐘（TC）模型。1588v2采用握手的方式，利用精確的時(shí)間戳完成頻率和時(shí)間同步。

4.1 BMC算法

在IEEE 1588v2協(xié)議中，PTP時(shí)鐘的端口狀態(tài)被分為9種狀態(tài)。BMC算法的目的分為兩方面，從設(shè)備層面看就是確定當(dāng)前端口處于什么狀態(tài)，然后根據(jù)接收到的sync報(bào)文，改變端口狀態(tài)。從網(wǎng)絡(luò)層面看，BMC算法還能夠比較兩個(gè)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集，從而找到超主時(shí)鐘（Grandmaster Clock），確定各個(gè)時(shí)鐘設(shè)備到達(dá)超主時(shí)鐘設(shè)備的路徑，避免環(huán)路。[9]相對(duì)應(yīng)的，BMC算法可以分為兩部分，分別為狀態(tài)確定算法（State Decision（SD）algorithm）和數(shù)據(jù)集比較算法（Data Set Comparison（DSC）algorithm）。

4.1.1 狀態(tài)確定算法

使用BMC算法的時(shí)鐘狀態(tài)改變算法可以分為以下三步：①比較各個(gè)端口收到的報(bào)文中的時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)，取優(yōu)先級(jí)最高的作為該端口的最優(yōu)消息Erbest；②比較各個(gè)端口的Erbest的時(shí)鐘優(yōu)先級(jí)，取優(yōu)先級(jí)最高的作為該節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)消息Ebest（對(duì)于普通時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)端口，所以Ebest=Erbest）；③每個(gè)端口根據(jù)自身的Erbest和該節(jié)點(diǎn)的Ebest和defaultsDS，通過BMC算法最終確定各個(gè)端口的主從狀態(tài)，從而確定整個(gè)域的主從體系。[10]時(shí)鐘狀態(tài)改變算法流程圖如下：

4.1.2 數(shù)據(jù)集比較算法

DSC算法的輸入值可以是時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的本地?cái)?shù)據(jù)集，也可以是接收到的廣播報(bào)文中包含的對(duì)等信息；輸出值是兩個(gè)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)中精確度更高的那個(gè)，并作為超主時(shí)鐘的候選時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。DSC算法的算法流程圖如下圖所示。

4.2 主從同步機(jī)制

主從同步機(jī)制包括時(shí)間同步和頻率同步兩個(gè)部分。

4.2.1 主從時(shí)鐘時(shí)間同步機(jī)制

時(shí)鐘時(shí)間同步過程如下圖所示[11]：

主時(shí)鐘每?jī)擅虢o從時(shí)鐘發(fā)送Sync消息，Sync消息里面包含了時(shí)間戳t1。主時(shí)鐘也可能有選擇的發(fā)送Follow_up消息，其中包含有精確時(shí)間戳precision t1。從時(shí)鐘記錄Sync消息到達(dá)的時(shí)間t2，然后發(fā)送一個(gè)Delay_Req消息返回給主時(shí)鐘。Delay_Req消息攜帶有一個(gè)時(shí)間戳t3。主時(shí)鐘記錄下Delay_Req消息到達(dá)的時(shí)間t4。然后再發(fā)送Delay_Resp消息給從時(shí)鐘。從時(shí)鐘根據(jù)t1、t2、t3、t4，就可以計(jì)算出主時(shí)鐘到從時(shí)鐘的延遲和偏差，從而進(jìn)行校準(zhǔn)。延遲（delay）和偏差（offset）的計(jì)算公式如下：

delay=（（t2-t1）+（t4-t3））/2

offset=（（t2-t1）-（t4-t3））/2

4.2.2 主從時(shí)鐘頻率同步機(jī)制

主從時(shí)鐘頻率同步可以分為以下三個(gè)步驟：①記錄Sync消息出發(fā)時(shí)刻加上路徑延時(shí)，即到達(dá)從端口的修正時(shí)刻，再計(jì)算各個(gè)從端口修正時(shí)刻的時(shí)間間隔；②從根據(jù)各個(gè)從端口的入口時(shí)間戳計(jì)算時(shí)間間隔；③根據(jù)兩類時(shí)間間隔計(jì)算比例因子。

4.3 透明時(shí)鐘模型

在1588v1協(xié)議中，有兩類時(shí)鐘，分別是普通時(shí)鐘（Ordinary Clock，OC）和邊界時(shí)鐘（Boundary Clock，BC）。OC模型只能接收時(shí)鐘，用于整網(wǎng)時(shí)鐘源或時(shí)鐘宿，不能同時(shí)作為始端和終端。BC模型相當(dāng)于中繼器，既可以恢復(fù)時(shí)鐘，又可以作為時(shí)鐘源往下游傳遞時(shí)鐘。

1588v2協(xié)議比v1增加了透明時(shí)鐘（Transparent Clock，TC），用于解決報(bào)文在中間節(jié)點(diǎn)駐留引起的延時(shí)問題。TC分為E2ETC（end-to-end）和P2PTC（peer-to-peer）兩種模式。E2ETC只計(jì)算設(shè)備內(nèi)部時(shí)延，對(duì)兩端同步節(jié)點(diǎn)完全透明，鏈路延時(shí)由兩端節(jié)點(diǎn)計(jì)算，推薦鏈形網(wǎng)絡(luò)使用。P2PTC同時(shí)計(jì)算設(shè)備內(nèi)部及鏈路時(shí)延，可以支持鏈路快速倒換，推薦MESH網(wǎng)絡(luò)使用。[12]

1588v2的優(yōu)勢(shì)就在于它支持時(shí)間同步，而無需使用GPS，可以大大降低成本，運(yùn)維更容易，減少安全隱患。下面給出以上三個(gè)時(shí)間同步方案的對(duì)比。

4.4 時(shí)間同步方案對(duì)比

下表列出了不同時(shí)鐘同步方案的使用場(chǎng)景和在IP RAN方案中的部署建議。

下表列出了不同無線制式對(duì)頻率和時(shí)間同步的要求：

綜上所述，同步以太協(xié)議部署最簡(jiǎn)單，而IP clock的兼容性比較好，但是精度偏低，這兩者都不支持時(shí)間同步，無法滿足未來4G通信發(fā)展的要求。而1588v2可以同時(shí)支持頻率同步和時(shí)間同步，無需通過GPS，將成為未來4G通信使用的時(shí)鐘同步方案。

朱先飛 工程師，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院，主要從事物聯(lián)網(wǎng)通信、移動(dòng)終端定位等研究

宛傳東 高級(jí)工程師，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院，主要從事物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)方案、測(cè)試方法等研究。

5. 結(jié)束語

同步以太、IP clock、IEEE 1588v2協(xié)議都是比較成熟的時(shí)鐘同步方案，得到廣泛的應(yīng)用。在IP RAN方案中，根據(jù)使用的無線制式，以上三種時(shí)鐘同步方案都滿足時(shí)鐘同步要求。本文詳細(xì)介紹了三種時(shí)鐘同步方案，并比較了三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于IP RAN的實(shí)際部署有一定的指導(dǎo)作用。■