传输网中PTP非对称性自动补偿的一种方法

谢德达

【摘要】 随着3G移动通信的大范围普及，PTP时间同步开始大规模在核心网部属，而目前PTP非对称性的补偿方法主要靠人工测量。这里讨论一种自动计算非对称性的方法，帮助实现网路的灵活部署和传输路径变更后的同步性能保持。在PTP传输路径两端各增加一个光开关，从时钟获得了t1，t2，t3，t4后，切换两端开关以交换收发通道，从时钟可获得第二组t1，t2，t3，t4。由此可计算出收发通道各自的时延和主从时钟偏差。试验测试数据表明，只要保证光开关连接收发器件的光纤跳线基本等长，就可以实现精确时间同步，误差不超过30ns。

【关键词】 PTP 1588V2 时间同步 非对称性 时钟偏差 延时 光开关

IEEE 1588V2 定义了两种时钟同步模型：端到端（end-to-end）和对等（peer-to-peer）模型。这里只讨论端到端模型（two-step），主从时钟的信息交换流程如图1所示：

1、主时钟在t1时刻发出sync报文，并在物理层打时戳——该时戳信息被封装在Follow_up报文中跟在sync报文后面发送。

2、从时钟在t2时刻收到sync报文，并在物理层打时戳——该时戳信息被送往从时钟时间处理单元；从时钟接着收到带有t1时间信息的Follow_up报文。此时从时钟的时间处理单元收集到t1和t2两个时间信息。

3、从时钟在t3时刻发送Delay_Req报文，并在物理层打时戳。此时从时钟的时间处理单元收集到t1，t2和t3三个时间信息。

4、主时钟在t4时刻收到Delay_Req报文，并在物理层打时戳——该时戳信息被封装在Delay_Resp报文中发送。从时钟收到Delay_Resp报文后，遍获得了t1，t2，t3和t4四个时间信息。

从时钟获得4个完整时间信息后开始计算，根据：

t2- t1 = t_ms+t_offset； （1）

t4 -t3 = t_sm-t_offset； （2）

t_ms为主时钟到从时钟发送方向的传输时延，t_sm为从时钟到主时钟发送方向的传输时延， t_offset为从时钟跟主时钟的时间偏差。

假设t_ms与t_sm相等，则可以通过这两个方程计算出时延和偏差，并用得到的偏差调整从时钟的时间，实现从时钟与主时钟的时间同步。

1588V2协议实现时间同步的一个前提假设就是收发通道传输时延相等，否则2个方程3个变量无法求解。但是实际的传输网络中，收发光纤不可能做到等长，特别在长距离的传输中。根据公式（1）（2）可以知道：

t_offset=（t2-t1）/2（t4-t3）/2-（t_ms-t_sm）/2 （3）

可见如果t_ms与t_sm不相等，偏差便少计算了

t_asym=（t_ms - t_sm）/2 （4）

这部分定义为非对称时延。实际光纤传输中，1米光纤的传输时延是5ns左右，1公里非对称时延便达到5μS左右。这对一些高精度时间同步的应用场景来说无法接受，特别在是中移动的TD-SCDMA网络中。事实上传输网络中发生OLP保护倒换时的收发光纤非对称性是很容易超过1公里的，此外经过多跳积累后的非对称性也很容易超出系统容忍极限。由此可见非对称性补偿非常必要，并且是要求自动补偿，因为手动补偿非但不灵活还耗时——电信级的应用无法忍受。

从（1）（2）中可知只要有包含三个变量中的两个的第三个方程，便可求解出t_offset和t_asym。可以设想在两个网元的收发端各接一个2 x 2光开关，在从时钟获得t1，t2，t3和t4四个时间信息后，交换收发路径并再次发送PTP报文，如图2所示：

这样，从时钟可以获得额外的t1和t2，并且

t2- t1=t_sm+t_offset；（5）

求解（1）（3）（5），可得：

t_asym=（t2-t1）/2-（t2-t1）/2 （6）

t_offset=（t2-t1）/2-（t4 -t3）/2 （7）

从（6）可知，计算非对称性只需要t1， t2，t1和t2四个时间信息即可。可以这样设计非对称自动校准流程：在运行PTP协议之前通过发送Syn和Follow_up报文获得t1和t2，然后交换收发通道，再发送Syn和Follow_up报文获得t1和t2。

t_asym获得后存储在eeprom中，完成校准后主从时钟执行标准PTP协议便可获得高精度的时间同步。实验测试结果显示精度可以控制在30ns以内。采用这种补偿方式要求每个PTP物理端口增加一个2x2光开关硬件并且要求对端也有同样的配置和控制算法。