權(quán)雨,彭良福,何永青

(1.西南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,四川 成都 610041;2.桂林電子科技大學(xué) 廣西精密導(dǎo)航技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室,廣西 桂林 541004)

0 引 言

計算機技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計算技術(shù)的高速發(fā)展與融合,把媒體行業(yè)帶入了一個全新的發(fā)展時代．廣電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型多樣化、視頻類業(yè)務(wù)的多元化運營,使得系統(tǒng)對時鐘同步信息的需求越來越高,采用IP化架構(gòu)是廣電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)重要的發(fā)展方向．近年來IP和IT產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展給廣電行業(yè)帶來較大的沖擊和新的機遇,可以看到IP化變革在廣電行業(yè)中已有不可阻擋之勢,它使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的架構(gòu)更加簡化[1-2]．多種格式的傳輸能夠適應(yīng)更廣泛的業(yè)務(wù)擴展,順應(yīng)新時期的發(fā)展需求．但是同樣也面臨著一些挑戰(zhàn),在傳統(tǒng)的廣播電視視頻音頻基帶系統(tǒng)中,通常使用模擬黑場同步信號、高標清數(shù)字同步信號、高清三電平同步信號作為同步基準．而在廣播電視IP視音頻系統(tǒng)中,為了使系統(tǒng)同步鎖相,廣電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)設(shè)備對于時鐘同步信息的需求越來越高[3]．隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的迅速增長,廣電無線網(wǎng)絡(luò)升級演進速度逐步加快,不僅網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生了變化,對時間同步的精度要求也進一步提高[4]．因此,廣電行業(yè)需要應(yīng)用一個更為精確的時間同步協(xié)議,以此來構(gòu)建一套全新的網(wǎng)絡(luò)化時間同步系統(tǒng),提高設(shè)備之間的時間同步能力．

由于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的廣泛應(yīng)用,數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提升,在兼顧精度和低成本方面,已有的時間同步技術(shù)例如NTP/SNTP等在實時以太網(wǎng)中不具備實用優(yōu)勢,同步精度不夠高、出錯率增高等問題使得它們越來越滿足不了設(shè)備之間更高時間同步精度的需求[5-7]．精確時間協(xié)議(PTP)把時間同步的精度提高到了亞微秒精度的級別,滿足設(shè)備對更高時間精度的要求,且所占用網(wǎng)絡(luò)和硬件資源較少．因此,研究將PTP作為時間同步基礎(chǔ)并應(yīng)用于廣電無線局時間同步網(wǎng)中具有十分重要的意義[8]．本文首先介紹廣電無線局時間同步網(wǎng)的組網(wǎng)方式和業(yè)務(wù)需求,闡述PTP協(xié)議的基本原理及同步實現(xiàn)過程,然后搭建實驗室測試平臺并完成測試,最后對測試數(shù)據(jù)進行分析并得出結(jié)論．

1 廣電專用以太網(wǎng)的時間同步網(wǎng)架構(gòu)

1.1 廣電同步系統(tǒng)的發(fā)展

傳統(tǒng)電視信號的傳輸是基于串行數(shù)字接口(SDI)基帶信號,是一種使用同軸電纜來進行視音頻信號同步傳輸?shù)臉藴剩M管在高清時代,基帶信號的傳輸還具有一定的優(yōu)勢,但是隨著新媒體的不斷發(fā)展,超高清時代的到來,采用傳統(tǒng)SDI信號會面臨許多問題．首先是電纜數(shù)目多、難以維護．由于涉及的系統(tǒng)較多,信號的傳輸和采集需要非常多的線纜,且長時間捆綁在一起,一旦出現(xiàn)故障,也無法更換,只能增加新的線纜,維護起來十分不便．另外由于廣電系統(tǒng)業(yè)務(wù)的不斷擴展,需要的信號格式也更多樣,使用傳統(tǒng)基帶點對點的信號,需要花費額外的時間去處理信號的轉(zhuǎn)換,不利于數(shù)據(jù)的快速傳播,缺乏靈活性和擴展性．

采用將信息嵌入到網(wǎng)絡(luò)中,利用以太網(wǎng)來傳輸同步信息的方法,能夠使整個傳輸系統(tǒng)的架構(gòu)更加簡潔、靈活、方便,這也正是IP化廣電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所采用的解決方式[9]．多媒體的發(fā)展、以太網(wǎng)標準的進一步優(yōu)化都推動著時間同步走向IP化．與傳統(tǒng)基帶系統(tǒng)不同,IP網(wǎng)絡(luò)屬于異步傳輸系統(tǒng),信道內(nèi)能夠雙向傳輸多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)．為了在異步傳輸網(wǎng)絡(luò)中對視音頻數(shù)據(jù)包實現(xiàn)幀級別的同步,需要引入PTP精準時間協(xié)議．

PTP協(xié)議可將時間同步精確至納秒級,并且能夠解決以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)延遲大和同步能力差的問題,是從SDI信號轉(zhuǎn)向IP化的過程中解決信號時間同步問題的關(guān)鍵．PTP協(xié)議具有容易配置、快速收斂以及對網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源消耗少等特點．廣電系統(tǒng)IP化后利用PTP這種帶內(nèi)傳輸?shù)耐椒绞娇梢院喕到y(tǒng)的物理結(jié)構(gòu),提高網(wǎng)絡(luò)的整合度,提供極為精確的同步信號,滿足廣電系統(tǒng)中需要高精度時間同步的要求．

1.2 時間同步組網(wǎng)

在企業(yè)專網(wǎng)市場中,廣電系統(tǒng)正在建設(shè)覆蓋全國的數(shù)字電視系統(tǒng),不同地點的多部發(fā)射機都需要同步發(fā)射攜帶相同內(nèi)容的數(shù)字信號,發(fā)射站點需要提供精準的時間同步信號．廣電網(wǎng)絡(luò)通過租用運營商專線鏈路組建企業(yè)以太專網(wǎng),在現(xiàn)有的廣電無線局網(wǎng)絡(luò)中已實現(xiàn)所有臺站以太網(wǎng)的連接[10]．各站臺可包括多個臺址,通過以太網(wǎng)連接每個臺站已經(jīng)建成的覆蓋各臺址的局域網(wǎng)．為了實現(xiàn)更強健、管理層級更清晰、有更大同步處理能力的時間同步網(wǎng)絡(luò),需要完成時間服務(wù)器節(jié)點對所有臺站的覆蓋,以及進一步完善各臺站不同局址時間服務(wù)器節(jié)點的覆蓋．

時間同步組網(wǎng)采用主從同步方式,強調(diào)一級時間服務(wù)器提供基準的保障作用,兩套互為主備用一級時間服務(wù)器能為二級、三級時間服務(wù)器提供多源的地面參考,充分利用網(wǎng)絡(luò)授時多源優(yōu)選的特點,確保廣電時間同步網(wǎng)統(tǒng)一同步系統(tǒng)的健壯性,從而保障生產(chǎn)可靠性和安全性．

要實現(xiàn)時間同步組網(wǎng)需要對時間服務(wù)器節(jié)點進行有效分層．在廣電網(wǎng)絡(luò)中時間同步網(wǎng)是由上至下、由高級到低級的,由時間服務(wù)器節(jié)點和時間同步鏈路兩部分組成,廣電無線局時間同步網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示．時間同步節(jié)點根據(jù)其在網(wǎng)絡(luò)中部署位置和輸出精度分成不同等級:一級時間服務(wù)器、二級時間服務(wù)器、三級時間服務(wù)器．一級時間服務(wù)器作為廣電無線局全國時間基準源,二級時間服務(wù)器能獲取一級時間服務(wù)器的時間基準和頻率基準,向本地最終用戶提供授時服務(wù),同時向三級時間服務(wù)器提供時間基準．三級時間服務(wù)器在獲取衛(wèi)星參考信號的同時,接收二級時間服務(wù)器通過時間傳遞鏈路過來的地面時間基準,最終根據(jù)優(yōu)先級設(shè)置或優(yōu)選算法跟蹤一路基準參考調(diào)整本地時間,向本地最終用戶提供授時服務(wù)．當跟蹤衛(wèi)星信號(北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)、GPS等)時相對于UTC時間的誤差,PTP輸出精度能夠達到亞微秒量級,準確度在100 ns以內(nèi)．在經(jīng)過有限跳同步以太網(wǎng)傳輸后授時精度能夠達到微秒量級[11-12]．

圖1 廣電無線局時間同步網(wǎng)架構(gòu)

2 精確時間協(xié)議(PTP)的原理

2.1 時間同步協(xié)議的發(fā)展與比較

在傳統(tǒng)的廣電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,通常用網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)來進行時間同步,該協(xié)議在發(fā)展的初期解決了以太網(wǎng)中時間同步精度較差的問題．但是由于NTP在應(yīng)用層來獲取時間戳,引入了信號在協(xié)議棧中處理的延遲,導(dǎo)致NTP協(xié)議獲取的時間戳精度不高,只能提供毫秒級的同步,難以滿足對時間精度有更高需求的傳輸網(wǎng)絡(luò)[13]．為了解決這一難題,2008年7月正式推出IEEE l588v2標準(即PTP協(xié)議)．

相較于NTP協(xié)議來說,PTP協(xié)議與之最大區(qū)別在于時間戳的標記上．如圖2所示,PTP協(xié)議在物理層與MAC層之間的位置獲取時間戳．這樣做的目的是在盡可能靠近網(wǎng)口的位置來記錄時間標記,消除如TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧造成的誤差,能夠確保時鐘速率的寫入和接收是在同一個誤差范圍,降低信號傳輸帶來的時間偏移,使得數(shù)據(jù)傳輸和處理的準確度更高,因此PTP協(xié)議能夠達到亞微秒量級的時間同步精度．另外,NTP協(xié)議一般采用客戶端/服務(wù)器的模式來進行同步,而PTP協(xié)議的同步過程采用主從模式[14-15]．PTP較NTP占用更少的網(wǎng)絡(luò)資源,同時具有和以太網(wǎng)兼容的特性,更適合在利用以太網(wǎng)環(huán)境進行傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中使用．

圖2 PTP協(xié)議與NTP協(xié)議獲取時間戳位置

2.2 基本原理

根據(jù)功能的不同PTP協(xié)議定義了三種類型的基本時鐘,分別是普通時鐘、邊界時鐘和透明時鐘．普通時鐘只有一個物理端口,在系統(tǒng)同步中該端口可以作為主時鐘同時也是系統(tǒng)精準的時間源向下級節(jié)點發(fā)送同步時間信號;或者作為從時鐘從相應(yīng)的上級節(jié)點獲取同步時間信號并完成時間同步．邊界時鐘存在一個以上的物理端口,在同一個PTP域中,其中某一個端口作為從時鐘來完成與上級節(jié)點的報文交換從而達到時間同步的目的．剩下的端口作為主時鐘向下級節(jié)點發(fā)送時間同步信號．由于邊界時鐘多端口的特性,它多應(yīng)用于系統(tǒng)中的中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,起著“中繼”的作用．透明時鐘主要應(yīng)用于多跳的大型網(wǎng)絡(luò)中,減少網(wǎng)絡(luò)抖動帶來的影響．透明時鐘具有多個端口,但這些端口都只是對PTP報文進行轉(zhuǎn)發(fā),通過記錄PTP報文攜帶的時間戳來計算時延從而完成主從時鐘之間延時校正．透明時鐘與另外兩種時鐘最大的不同在于它不通過任意一個端口與其他的設(shè)備進行時間同步．

在PTP協(xié)議中可以通過多播和單播兩種方式來進行消息傳播．在多播模式中同一PTP系統(tǒng)中的每個時鐘節(jié)點都向其他的時鐘發(fā)送Announce消息,利用最佳主時鐘算法來確定最佳主時鐘作為該系統(tǒng)的主時鐘節(jié)點,主從層次建立好后通過報文交換,各從時鐘節(jié)點分別與主時鐘節(jié)點完成時間同步．單播模式則是在主從模式建立好后,從時鐘主動向主時鐘請求時間同步的消息傳播模式．

2.3 同步實現(xiàn)

由前文可知,PTP時間同步技術(shù)采用的是主從同步模式．在主從時鐘間交換相關(guān)攜帶時間戳的報文,從時鐘節(jié)點通過解析報文得到的四個時間戳利用相應(yīng)的算法,得出主從時鐘之間的傳輸延遲以及時間偏差[16]．從時鐘以主時鐘為基準進行調(diào)整,從而達到時間同步的目的．主從時鐘報文交互的流程如圖3所示．假設(shè)主從時鐘的時間偏差為offset,它們之間的鏈路傳輸時延是delay,由圖3可以得到以下公式．

t1+delay+offset=t2，

(1)

t3+delay-offset=t4.

(2)

由式(1)、(2)可得:

offset=[(t2-t1)-(t4-t3)]/2,

(3)

delay=[(t2-t1)+(t4-t3)]/2.

(4)

圖3 主從時鐘報文交互流程

在PTP延時請求響應(yīng)機制中,消息的發(fā)送與接收過程如下:

1) 主時鐘周期性地發(fā)送Announce消息,時間戳為t1．

2) 從時鐘接收到Announce消息后,使用BMC算法在網(wǎng)絡(luò)層次中建立自己的位置．

3) 主時鐘周期性地發(fā)送Sync消息,緊接著發(fā)送攜帶時間戳t1的Follow-Up消息．

4) 從時鐘接收到Sync消息,并打上時間戳t2．

5) 從時鐘接收到攜帶時間戳t1的Follow-Up消息．

6) 從時鐘發(fā)送Delay-Req消息,時間戳為t3．

7) 主時鐘接收到Delay-Req消息,并打上時間戳t4．

8) 主時鐘發(fā)送攜帶時間戳t4的Delay-Resp消息．

9) 從時鐘接收到Delay-Resp消息．

10) 從時鐘使用時鐘偏差offset和通過四個時間戳計算得到的鏈路延遲delay來調(diào)整自己的時鐘,最終完成與主時鐘同步．

11) 周期性地進行1)～10)步驟．

3 測試環(huán)境及測試結(jié)果分析

為了對主從時鐘同步精度進行測量,在實驗室環(huán)境下搭建了如圖4所示的測試系統(tǒng)框圖．時間服務(wù)器以衛(wèi)星信號為時間基準源,并使服務(wù)器處于跟蹤狀態(tài),作為主時鐘節(jié)點．本次測試采用的測試儀表是XG7010 IEEE1588時間分析儀,同樣將衛(wèi)星信號作為分析儀的時間基準源,并使儀表處于跟蹤狀態(tài),作為從時鐘節(jié)點．主從時鐘之間通過光纖相連,采用單播方式來進行消息傳輸．

圖4 測試系統(tǒng)框圖

抓取主從時鐘之間的報文可以檢驗報文是否符合協(xié)議、主從之間是否能夠進行正常通信．如圖5所示,將時間分析儀中抓取的報文導(dǎo)入Wireshark軟件中進行分析．主時鐘節(jié)點的IP地址是172.18.21.3,從時鐘節(jié)點的IP地址是172.18.21.21,主從之間周期性地進行報文交互,能夠很好地通信．表1中示出了一組主從時鐘之間交互的報文信息,可以看出四種報文的版本都是PTPv2,通過時間戳也能夠反映出報文交互的過程．

圖5 主從時鐘的PTP報文

表1 PTP報文信息表

主從時鐘通過光口1000 Mbps光纖相連,在實驗室測試環(huán)境下進行連續(xù)48 h的測量,測試結(jié)果的基本信息如圖6所示,結(jié)果統(tǒng)計如圖7所示,時間精度如圖8所示．經(jīng)過長達48 h每秒一次采樣的測量,得到172 798個樣本,PTP的偏差范圍在49～102 ns,平均偏差為75.728 ns,標準方差為6.275 ns．由測試結(jié)果可知,主從時鐘同步精度在100 ns以內(nèi),大部分時間偏差都處于64～82 ns,具有很好的穩(wěn)定性．可以看出跟蹤衛(wèi)星信號時,相對于UTC時間PTP時間準確度小于100 ns．

圖6 測試項基本信息

圖7 測試項結(jié)果統(tǒng)計

圖8 測試項時間精度

由于廣域網(wǎng)通信通道的非對稱特性以及存在線路延遲偏差的情況,準確的同步指標需在網(wǎng)測算．受實驗室測試環(huán)境的限制,不能在現(xiàn)網(wǎng)中進行測試,可以采用理論和測試數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式來進行分析．在廣電時間同步網(wǎng)中,時間同步為高優(yōu)先級業(yè)務(wù),由于設(shè)備延時處理的不對稱性,理論上可估算一跳對同步精度的影響為50 μs．因此時間同步網(wǎng)末端PTP最低同步精度指標為:100 ns+N×50 μs(N為相鄰時間服務(wù)器之間所經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的跳數(shù)或最低級時間服務(wù)器到最終客戶端的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的跳數(shù)),在經(jīng)過有限跳同步以太網(wǎng)傳輸后授時精度能夠達到μs級．

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段雖然傳統(tǒng)的由SDI基帶信號為基礎(chǔ)的架構(gòu)在運行的穩(wěn)定性上還具有一定的優(yōu)勢,但隨著IP化技術(shù)受大數(shù)據(jù)、云計算以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響而不斷發(fā)展,廣電制播系統(tǒng)IP化將帶來很大的優(yōu)勢．廣電系統(tǒng)的全IP化已經(jīng)被行業(yè)公認為“下一代廣電系統(tǒng)”的基本標志之一．時間同步網(wǎng)作為廣電系統(tǒng)重要的組成部分為廣電行業(yè)IP化的發(fā)展與運營提供了強大的基礎(chǔ)支持．本文應(yīng)用PTP時間同步技術(shù)在廣電系統(tǒng)中進行時間同步組網(wǎng),經(jīng)過對主從時鐘之間報文的分析,時間同步精度的測試,可以看出PTP時間同步技術(shù)能夠達到亞微秒以內(nèi)的同步精度,能夠滿足廣電網(wǎng)絡(luò)高精度時間同步的需求．