朱 波

（中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司上海分公司，上海 200050）

0 引 言

中國(guó)聯(lián)通4G FDD－LTE技術(shù)只需要頻率同步，不需要時(shí)間同步。現(xiàn)在5G時(shí)代已經(jīng)到來，對(duì)同步技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求，需要PTP高精度時(shí)間同步技術(shù)做支撐，需要積極探索研究OTN網(wǎng)絡(luò)傳遞PTP同步的可行性和實(shí)現(xiàn)方式。

1 5G時(shí)間同步需求

4G和5G對(duì)同步的要求見表1。

表1 4G和5G同步要求

5G時(shí)間同步以各基站安裝的GPS/北斗衛(wèi)星天線為主用，但市區(qū)很多機(jī)房在地下室無法安裝GPS，或很難和物業(yè)協(xié)調(diào)安裝，因此有必要通過地面同步鏈路將PTP信息傳遞至各5G基站，而地面同步鏈路為輔并做備用。

當(dāng)核心-匯聚IPRAN鏈路直接在光纖上承載時(shí)，PTP信息可以跟隨數(shù)據(jù)鏈路同時(shí)傳遞。但是，如果核心-匯聚IPRAN鏈路在OTN網(wǎng)絡(luò)上承載時(shí)，則PTP信息不能透?jìng)?，各OTN網(wǎng)元必須逐點(diǎn)處理PTP信息。對(duì)于已部署城域OTN的大城市和市-縣IPRAN，以在OTN上承載為主。因此，OTN網(wǎng)絡(luò)必須具備傳遞PTP時(shí)間同步能力。本文對(duì)PTP原理和華為OTN傳遞方式進(jìn)行了研究和探索。

5G時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)方案，如圖1所示。

圖1 5G時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)方案

2 PTP協(xié)議原理和實(shí)現(xiàn)方式

2.1 PTP協(xié)議原理

高精度時(shí)間同步協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）典型的有IEEE1588v2和ITU-T G.8275.1，主要原理如圖2所示。

（1）主時(shí)鐘周期性地向從時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文，并記錄發(fā)送時(shí)間t1；從時(shí)鐘收到該報(bào)文后，記錄接收時(shí)間t2。

（2）主時(shí)鐘發(fā)送一個(gè)攜帶有t1的Follow_Up報(bào)文。

（3）從時(shí)鐘發(fā)送Delay_Req報(bào)文，并記錄發(fā)送時(shí)間t3；主時(shí)鐘收到該報(bào)文后，記錄接收時(shí)間t4。

（4）主時(shí)鐘回復(fù)一個(gè)攜帶有t4的Delay_Resp報(bào)文[1]。

圖2 PTP同步原理

假設(shè)傳輸雙向時(shí)延相同，從時(shí)鐘根據(jù)t1～t4這4個(gè)時(shí)間戳可計(jì)算出從時(shí)鐘相對(duì)于主時(shí)鐘的時(shí)鐘偏差OFSSET為(t2-t1+t3-t4)/2。從時(shí)鐘知道時(shí)鐘偏差后，調(diào)整時(shí)間和主時(shí)鐘一致，實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

2.2 PTP數(shù)據(jù)包格式

PTP報(bào)文分為事件報(bào)文和通用報(bào)文2種類型，其中事件報(bào)文有Sync、Delay_Req等，通用報(bào)文有Follow_Up、Delay_Resp等。典型數(shù)據(jù)包格式如圖3所示[2]。

圖3 PTP數(shù)據(jù)包格式

其中Time Stamp時(shí)間戳10 Byte，前6 Byte表示秒，自1970-1-1 0:00:00以來的秒數(shù)；后4 Byte表示納秒，理論上PTP協(xié)議可以精確到納秒。

2.3 PTP實(shí)現(xiàn)方式

主要包括二層實(shí)現(xiàn)PTP over Ethernet和四層實(shí)現(xiàn)PTP over UDP over IP over Ethernet等封裝方式。

二層實(shí)現(xiàn)PTP over Ethernet如圖4所示，其中Ethernet Type以太網(wǎng)幀類型域值為0x88F7。

圖4 二層實(shí)現(xiàn)方式

四層實(shí)現(xiàn)PTP over UDP over IP over Ethernet如圖5所示，其中EthernetType以太網(wǎng)幀類型域值為0x0800，IPv4報(bào)文類型域?yàn)?x11，UDP目的端口號(hào)為319/320。

圖5 四層實(shí)現(xiàn)方式

中國(guó)聯(lián)通PTP域采用二層組播方式。

時(shí)間同步鏈路經(jīng)過的IPRAN網(wǎng)元和OTN網(wǎng)元，都需要處理PTP信息，都認(rèn)為是1個(gè)邊界時(shí)鐘BC。為保證PTP時(shí)間同步精度，BC網(wǎng)元數(shù)量不要超過20個(gè)，如超過應(yīng)通過增設(shè)時(shí)間服務(wù)器或者改造環(huán)路的方式解決。

1588v2根據(jù)最佳主時(shí)鐘算法（Best Master Clock Algorithm，BMCA）可以自動(dòng)選擇最佳時(shí)鐘。G.8275.1的BMCA算法有所不同，優(yōu)化了主從跟蹤和時(shí)鐘源跟蹤算法，跟蹤最短路徑。1588V2和G.8275.1跟蹤時(shí)鐘源對(duì)比，如圖6所示。

圖6 1588V2和G.8275.1跟蹤時(shí)鐘源對(duì)比

2.4 1PPS+TOD

1PPS+TOD口也可以傳遞時(shí)間信息，但協(xié)議較簡(jiǎn)單，不建議用于傳遞時(shí)間同步，而僅當(dāng)做末端輸出供測(cè)試用。1PPS為1 Pulse Per Second秒脈沖，TOD Time of Day為日時(shí)間。TOD時(shí)間信息每秒發(fā)送1次，在1PPS上升沿1 ms后開始發(fā)送，500 ms內(nèi)發(fā)送完。1PPS+TOD協(xié)議幀結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 1PPS+TOD協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

3 華為OTN傳遞PTP技術(shù)

3.1 華為OTN傳遞PTP原理

如圖8所示，PTP時(shí)間同步信息在OSC監(jiān)控信道中傳遞，單纖雙向，能夠避免兩根光纖的長(zhǎng)度差異而影響時(shí)間同步精度。每塊ST2板可以發(fā)送1 491 nm和1 511 nm兩個(gè)波長(zhǎng)，每塊板支持2個(gè)光方向。

圖8 華為OTN光層傳遞PTP

如圖9所示，目前華為光層STG板沒有分組業(yè)務(wù)接口，只有1PPS＋ToD接口，不建議采用1PPS+ToD接口。因此，不能從光層輸入/輸出同步信息，只能從電層GE/10GE分組業(yè)務(wù)口輸入/輸出。電層9600或8800一部分支路板支持1588V2和G.8275.1。如OSN 9600的C130的1～7、9～15口支持1588V2，Y2C220 1～15口支持1588V2，Y3C220 1～ 15口 支持 1588V2和 G.8275.1；OSN 8800的55TTX支持1588V2，THA1～ 7、9～ 15口支持1588V2和G.8275.1等。

圖9 華為OTN光層＋電層傳遞PTP

同步口可專用，即在該分組業(yè)務(wù)口上僅傳遞PTP＋SyncE信號(hào)，不傳遞業(yè)務(wù)?；蚝蜆I(yè)務(wù)混傳，即同時(shí)傳遞PTP＋SyncE信號(hào)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

OTN網(wǎng)元的發(fā)包頻率建議：Sync報(bào)文、Delay_Req、Delay_Resp報(bào)文建議配置為16 Hz，Announce報(bào)文建議配置為8 Hz。

3.2 現(xiàn)網(wǎng)同步改造主要內(nèi)容

根據(jù)前文原理，現(xiàn)網(wǎng)華為OTN設(shè)備大多不具備傳遞PTP時(shí)間同步能力，要做同步改造，主要有以下幾方面原因和內(nèi)容。

3.2.1 硬件改造

（1）電層改造——配置STI板

如果現(xiàn)網(wǎng)8800電子架沒有配STI板，則每個(gè)電子架需要配置1塊。9600電子架沒有配EFI板，需要每個(gè)電子架配置1塊。

（2）光層改造1——更換為SFIU

若現(xiàn)網(wǎng)中配置的是FIU，不支持單芯雙向，則要更換為SFIU。更換過程中會(huì)中斷業(yè)務(wù)。

（3）光層改造2——統(tǒng)一ST2型號(hào)

華為ST2有11ST2、12ST2、13ST2等型號(hào)，其中12ST2帶OTDR功能，11ST2/13ST2和12ST2不能互通。若現(xiàn)網(wǎng)型號(hào)不統(tǒng)一，則需要統(tǒng)一型號(hào)。更換過程中會(huì)造成設(shè)備的臨時(shí)網(wǎng)管托管，但不影響業(yè)務(wù)。

（4）光層改造3——ST2集中放置

超大城市和特大城市OTN網(wǎng)絡(luò)往往呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有多個(gè)光方向。多個(gè)光方向的ST2板如不在同一個(gè)子架內(nèi)，不能自動(dòng)傳遞同步信息。如圖10所示，光方向1和方向2共用1塊ST2，光方向3和方向4共用1塊ST2，兩塊ST2不在一個(gè)子架內(nèi)。

圖10 OTN網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

改造方案一：需要新增1個(gè)同步信息分發(fā)子架，將多個(gè)光方向的ST2集中在同一個(gè)子架內(nèi)以傳遞同步信息，如圖11所示。

方案二：新增1個(gè)同步信息分發(fā)子架和多個(gè)ST2板，兩級(jí)ST2傳遞同步信息，如圖12所示。

從傳遞方式、其他要求、安全性和投資等方面，對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。

圖11 方案一

圖12 方案二

表2 方案比較表

3.2.2 軟件升級(jí)

軟件要求V100R003C10版才能支持1588V2，要求V100R006C10版才能支持G.8275.1?，F(xiàn)網(wǎng)OTN網(wǎng)元如低于所要求版本，則需要做軟件升級(jí)。

3.2.3 測(cè)試情況

華為OTN經(jīng)過改造后，傳遞1588V2性能測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期。時(shí)間同步信號(hào)誤差不高于150 ns，優(yōu)于±1.1 μs的要求；穩(wěn)態(tài)、時(shí)間路徑倒換、頻率路徑倒換均符合要求；輸出頻率平穩(wěn)無頻偏，抓包結(jié)果中PTP包格式及內(nèi)容滿足1588v2標(biāo)準(zhǔn)要求；ESMC信息滿足ITU-T G.8264要求。

4 結(jié) 語

現(xiàn)網(wǎng)華為OTN因?yàn)榉N種原因不具備傳遞PTP時(shí)間同步的能力，同步改造后可以傳遞，基本滿足5G對(duì)時(shí)間同步的要求。但是，目前電層－光層只能通過1PPS+ToD口傳遞，建議華為開發(fā)光層板卡支持分組業(yè)務(wù)接口或升級(jí)ST2板使之具備GE口，可以摒棄電子架，同步信息直接從光子架輸入/輸出，減少2個(gè)BC網(wǎng)元，同時(shí)完全避免1PPS＋TOD口，提高時(shí)間同步精度。