DTI在通信网中的应用研究

吕博,陈学锋,周晓东,潘峰,胡昌军

(1.工业和信息化部电信研究院,北京 100191; 2.国网福建省电力有限公司,福州 350003)



DTI在通信网中的应用研究

吕博1,陈学锋2,周晓东2,潘峰1,胡昌军1

(1.工业和信息化部电信研究院,北京 100191; 2.国网福建省电力有限公司,福州 350003)

摘要:对将广电网中采用的DTI(有线电缆数据服务定时接口)时间同步技术应用到通信网中进行了探索性研究,结合DTI的技术特点,分析了DTI在通信网中所需解决的关键问题,得出DTI技术在进行参数转换后可移植到通信网中成为UTI(通用定时接口)技术的可行性结论,最后对UTI技术在通信网中的应用场景进行了分析与展望。

关键词:时间同步;频率同步;有线电缆数据服务定时接口;通用定时接口;通信网

0　引 言

通信技术的发展和新业务的不断驱动对同步技术提出了更高的要求,如利用基站提供定位服务要求时间精度在±200 ns内[1],LTE-A(改进的长期演进)的关键技术Co MP-JP(多点协同传输处理)中要求相邻基站间的相对时间精度在±500 ns内[1]。随着5G移动通信技术的深入研究,在同步方面也比目前的3GPP(第三代合作伙伴计划)对空中接口提出的50 ppb频率准确度要求和±1.5μs时间精度指标更加严格[2]。目前对所采用的C-RAN(集中式无线接入网)FH(前传)技术中的CPRI(通用无线接口)提出了50 ppb频率准确度、5μs最大往返绝对时延以及65 ns的时间精度要求[3]。

从实现原理与协议设计的角度讲,同步技术的实现具有多样性,在高精度时间同步方面,DTI(有线电缆数据服务定时接口)具有一定的代表性。目前在有线电视标准J.211[4]中将DTI协议用于MCMTS(模块型电缆调制解调终端系统)、EQAM(边缘型正交幅度调制器)和上下行接收机进行频率和时间同步[5],精度可以达到5 ns。DTI技术在有线电视网络中已得到广泛应用,且DTI本身具备一定的通用性与技术潜力。本文将针对DTI在通信网中的应用进行研究与探讨。

1　DTI中的关键技术

J.211标准规定DTI协议在同一根电缆的两个方向上采用主从同步的通信方式,DTI服务器与客户端的发送和接收信号均在同一根同轴电缆中传输,通过TDM(时分复用)的方式进行时间分割,因此不存在非对称时延误差,解决了因收发线路长度差异所引入的非对称固定时延问题。DTI中采取的关键技术主要包括ping-pong机制、Cable Advance补偿机制和时间戳映射与处理机制。

1.1ping-pong机制

通常情况下,DTI通过接收GPS(全球定位系统)信号得到精准的时间信息,经过校正本地时钟后向下游DTI客户端输出DTI信号。服务器和客户端采用TDM方式共享传输链路,通过ping-pong机制在一根电缆两侧以半双工方式无间断地发送和接收DTI报文。DTI协议运行于数据链路层,信号的基本单元为DTI信号帧,并分为服务器时隙帧和客户端时隙帧,报文大小固定为256 bit,其中包括234 bit的信息位和22 bit的TGT(反转保护时间) 位,来回共512 bit,线路上每秒传输104个来回DTI帧信号。在此报文中服务器端向客户端传输准确的时间戳,客户端则返回收到时间戳的信息。

1.2Cable Advance补偿机制

Cable Advance补偿机制是DTI协议中规定的一种电缆时延补偿机制。当DTI服务器和客户端发送DTI帧时,两端都精确记录DTI帧离开本地的时间,这样DTI服务器端可以计算出数据在线路上的延时,在每次发报时做出补偿[6],理论上做到了传输和接收的都是服务器端本地时钟,保证了ns级的时间精度。Cable Advance在DTI中规定为24 bit,其中前16 bit为Cable Advance值的整数部分,由149.8 MHz的采样时钟循环生成计数,剩余的8 bit为分数部分,经过倍频处理后为149.8 MHz采样时钟周期的1/256。因此可推算出Cable Advance的时延分辨率为1/256×1/149.8×10-6=26 ps,经过Cable Advance处理后能达到很高的精度。

1.3时间戳映射与处理机制

DTI主服务器跟踪GPS后,需要将GPS时间信息转换为DTS(DTI时间戳),再通过ping-pong机制与Cable Advance机制进行DTS的传递与处理,完成服务器与客户端之间的时间同步。DTS由32 bit组成,其中前22 bit为DTI设备内部的计数器进行计数,后10 bit提供了复帧之间的ToD (Time of Day)信息。在DTI中,为保证DTS与GPS时间的一致性,需定义DTS的映射机制,DTS与从GPS卫星接收机上获取的gpssec(GPS时间)的映射关系为

DTI服务器的卫星接收机收到GPS信号后根据式(1)将gpssec转换为DTS,然后在DTI帧中进行传送,从而实现服务器与客户端之间的时间同步。

2　DTI在通信网应用中的关键问题

2.1传输距离的考虑

(1)传输带宽

DTI的长距离传输首先要解决传输带宽问题。J.211中规定采用RJ45电缆作为传输介质,信号在电缆中传输衰耗较大,并且DTI信号采用曼切斯特基带编码,传输带宽十分有限。为解决DTI长距离传输的问题,从传输带宽的角度考虑两种解决途径,一是仍将电缆作为传输介质,但采用扩频编码来增加传输带宽;二是为解决传输带宽及信号衰减问题,采用光纤作为传输介质进行广域传输。DTI应用于通信网时,推荐优先采用光纤作为传输介质。目前已验证可通过80 km光纤直连方式实现10 ns以内的时间传送,Microsemi公司报道了在德国斯图加特、纽伦堡和汉堡三地之间采用该技术在光纤上实现了时间同步组网,时间精度为25 ns。

(2)TGT

DTI采用ping-pong的半双工通信方式,在J.211的DTI帧中规定了TGT,分别位于DTI服务器帧和客户端帧的后22 bit位。目前TGT提供了大约4.3μs的保护时间(22 bit/5.12 Mbit/s)。假设TGT设定的比特位数为B,信号速率为v bit/s, DTI单跨段最大传输距离为L m,线缆的时延系数为ρns/m,DTI处理时延为Δt,,则有

由式(2)可知,在通信网中增大传输距离L有3种途径:一是增加TGT的比特位数B,二是降低传输速率v,三是减少DTI设备的处理时延Δt。其中,增加TGT的比特位数需要重新定义DTI的帧结构,新定义的帧会增加CRC(循环冗余校验)的处理时间;降低传输速率会减少单位时间进行ping-pong通信的DTI帧数量,使服务器和客户端之间进行交互的DTS减少,降低了服务器对客户端频率与时间的校准能力,从而影响到同步精度;而减少DTI的处理时延对DTI设备的硬件处理能力提出了更高的要求。另一种途径就是将DTI改变为全双工方式,规避单线双向ping-pong方式引起的时间碰撞问题,如在电缆中传输可将J.211所规定的RJ45物理接口二线制重定义成四线制,在光纤中可采用单纤双向的方式。

(3)Cable Advance的补偿能力

在J.211中规定了24 bit用于Cable Advance时延补偿,其中16 bit为整数位,8 bit为分数位,可推算出DTI Cable Advance的最大时延补偿能力为216×1/149.8×10-6+28×1/149.8×10-6× 1/256≈437.5μs,最多可补偿97 km的传输距离。进一步增大传输距离有两种途径:一是增加Cable Advance的整数比特位数,相应的DTI帧结构需要调整重定义;二是降低时钟的采样频率,但对应的补偿精度会降低。在通信网中建议分辨率和比特位数可设,根据传输距离进行相应调整。

2.2组网要求

(1)DTI设备级联

DTI采取主从模式组网,定义了DTI根服务器、DTI转接服务器和DTI客户端3种设备类型。在DTI的服务器帧中定义了设备类型,但对级联跳数只规定了直连和转接两种情况。在通信网中需要考虑多跳数级联的问题,以解决大规模组网以及长距离多跳数的时间信号传送,需要在DTI服务器帧中设备类型的级联跳数中定义更多的字节,并规定DTI服务器最大级联跳数。此外,当DTI的客户端经过转接服务器连接至根服务器时,根服务器与转接服务器的IP地址需同时记录在DTI客户端的路由表中,同时DTI根服务器不能跟踪其他服务器,以防止成环。因此在通信组网中还需要考虑每种类型DTI设备的路由表容量以及跟踪规则。

(2)组网保护

在组网保护方面,DTI已经考虑到参考源、DTI服务器、链路以及卡板的保护机制。在通信组网中仍然面临两方面的挑战,一是基于多服务器的选源算法问题。在PTP(精确时钟同步协议)中目前已有成熟的BMC(最佳主时钟)算法[7]可解决域内的最佳时钟源选择与端口状态的决定机制,而DTI帧中并没有规定相应的字节用于自动选源与端口状态的判决,因此在大规模组网中还需要进一步研究多服务器的选源问题。二是对进行保护时切换恢复时间的考虑。进行保护倒换时相位跳变和相位不连续性应满足电信级网络标准的要求,同时进行保护倒换后应能实现自动时延补偿,这些均是在组网保护方面需进一步研究的问题。

(3)与现有通信网的兼容性

目前DTI服务器的主时钟频率为10.24 MHz, DTI客户端的时钟频率有10.24与9.216 MHz两种。DTI设备的协议、主频、接口与有线电视网设备是兼容的,但在通信网中由于同步实现机理的不同, DTI协议还无法与通信网中所应用的PTP、NTP(网络时间协议)兼容统一。此外通信网中多种设备经过电处理后会引入一定的时延,经过多个网络节点后会严重影响到DTI的时间精度,因此进行DTI透传时需避免经过设备的电处理,目前比较可行的方案是将DTI视为业务信号作透传处理;在主频方面,通信网中多采用2 Mbit/s与2 MHz的频率输入参考,因此要求DTI设备支持相应的分频与倍频处理;接口方面要求DTI设备支持2 Mbit/s与2 MHz的频率接口以及1 pps+ToD等时间接口,并可实现多接口及多协议的转换。

3　UTI在通信网中的应用场景分析

上述分析验证了DTI技术具备在通信网中进行组网应用的技术可行性。本文提出将DTI技术移植到通信领域中,通过DTI参数的转化与重定义,进行时间和频率信号的统一分配与传送,并将该技术初步命名为UTI(通用定时接口)技术。为了满足通信网中各种业务设备的同步及组网需要,提出了3种UTI应用场景。

(1)局内定时分配

在场景1局内定时分配中,可通过UTI技术实现局内设备或装置与局内同步设备间的自动时延补偿,有效保证同步精度。UTI用于局内定时分配有两个实现目的,一是为局内的设备提供定时分配,卫星接收机通过天馈线从GPS蘑菇头获得卫星信号,转换为DTS后由UTI服务器发送至定时分配单元,再由定时分配单元提供多接口为局内的被授时设备、UTI客户端和UTI级联服务器提供高精度的同步信号;二是为主备用定时单元提供同步基准,保证系统可靠性。为保证可靠性可在UTI服务器上配置主备板卡实现板卡保护,也可设置主备UTI服务器提供时间源保护,通过UTI技术使主备板卡或设备时间同步,当板卡或设备失效后,可减少相位跳变或相位不连续性。

(2) 时钟源监控比对

UTI技术的另一个应用场景是进行多源头的相互监控与比对,从而实现基准源头的全同步。异地的3个铯钟源之间通过UTI技术将本地的同步信号发送至对端,对端接收到DTS信息后可实现两两比对与性能监控。UTI技术可应用在同一根光纤上,规避了光纤不对称带来的非对称时延误差,可在数十公里范围内达到ns级的时间精度,因此这种异地时钟源比对性能理论上可达到同局内时钟源组的比对效果。场景2时钟源监控比对可为通信网络的同步源头提供监控、比对和校准服务,还可将现有的频率基准和时间基准溯源到地面的国家级时频基准上,组建光纤授时网络,从而根本上摆脱对卫星授时系统的依赖。

(3) 时频同步组网

UTI协议不但带有DTS信息,还具有10.24 MHz的频率分量,可同时进行时间和频率信号的传送,兼容现有通信网中所有需同步的系统与

设备,采用紧耦合方式进行时间和频率的统一传送还可充分利用网络资源,降低同步网建设成本。场景3时频同步组网中可要求传送网络对UTI信号进行透传,实现UTI服务器至UTI客户端的端到端时间及频率信号统一传送,UTI客户端可提供UTI时间频率的统一接口或独立的时间和频率接口。在场景3中需要重点研究的是不同传送技术对UTI时间精度的影响、UTI信号的保护技术以及时间和频率信号的关联机制。

4 结束语

DTI技术可同时进行时间和频率信号的传送,时间精度可达到ns级,并可实现自动时延补偿,在通信领域具有较为广阔的应用前景。本文提出将DTI技术借鉴并移植至通信网中,定义为UTI技术,在DTI向UTI移植的研究过程中,重点是要解决关键参数的转换问题。目前UTI在通信网应用中仍存在一些问题,需要进一步研究与探讨,如传输距离、组网技术及网络管理,同时UTI在通信网中的标准化工作也需要开展与推进。

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[5] 胡敦,郭晓金,吴金梅.DOCSIS定时接口服务器的研究与设计[J].Video Engineering,2011,35(3):74-76.

[6] 胡昌军,徐一军,汪建华.时钟同步技术的发展前景[J].电信网技术,2010,10(10):58-61.

[7] IEEE 1588-2008,IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].

无线通信技术

光通信系统与网络技术

Applications and Research of DTI in Communication Networks

LüBo1,CHEN Xue-feng2,ZHOU Xiao-dong2,PAN Feng1,HU Chang-jun1
(1.China Academy of Telecommunication Research,Beijing 100191,China;
2.State Grid Fujian Power Ltd.,Fuzhou 350003,China)

Abstract:In this paper,we make an exploratory study on the applications of the time synchronization technology named DOCSIS Timing Interface(DTI)adopted in the radio and television networks to communication networks,analyze the key issues required to be solved for its applications in communication networks in connection with the technical characteristics of DTI and conclude that it is feasible for the DTI technology to be transplanted to the communication networks after parameter conversions and become Universal Timing Interface(UTI)technology.Finally,we analyze and look into the prospect of the applications of the UTI technology in the communication networks.

Key words:time synchronization;frequency synchronization;DTI;UTI;communication network

中图分类号:TN915

文献标志码:A

文章编号:1005-8788(2016)01-0008-03

收稿日期:2015-03-17

基金项目:国家电网公司科技项目(52018E140001);国家科技重大专项资助项目(2014ZX03003005-002)

作者简介:吕博(1981-),男,河北秦皇岛人。高级工程师,博士,主要研究方向为光通信和同步。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.003