OTN传输时间同步问题探究

阳翠菊

一、同步需求

城域网搭建中，PTN设备通常位于汇聚层与接入层之中，而OTN则是出于核心层与汇聚层之中。目前，基于PTN设备部署移动基站的回传网络的方案较为普遍，而基于OTN部署方案则呈现向接入层逐步渗透，时间钟逐渐向核心层渗透的趋势。这在一定程度上有效节约时钟源设备。OTN采用有效的途径可实现对精确同步信息的快速传递，和PTN一同构建形成同步网络，确保同步信息在端到端间的真正同步。

二、OTN网络中的同步的相关理论

（一）同步概念

通信网络中，同步概念是指时钟同步，也可理解为将时钟频率存在误差可能减低在标准要求内。例如，ITU-T 6.813对SDH网络中时钟性能予以定义。伴随运营商通信业务的拓展，单纯频率同步势单力薄，无法完全达到新业务的需求，在高精度同步层面的表现欠佳。一般而言，时间同步可被理解为是在TDD模式无线系统中，尽可能地降低时间误差来达到移动业务的漫游和切换的功能。时间同步可理解解为以协调世界时（UTC）为基准，将通信网络之中的各设备的时间信息的时间误差限定于尽可能小的范围之中。目前，G.8271已对同步应用进行分级，其中部分应用可实现纳秒级时间误差级。

（二）同步方案

频率同步是确保时间同步实现的重要基础。与SDH存在一些较为相似的地方。一般而言，同步以太网技术可以从物理层数据码流中恢复出时钟，最终实现时钟传递的目的。在时钟性能层面6.8262定义的同步可与6.813保持一致；在同步精度兼容性层面，可与SDH完全兼容。ESMC负责传送时钟质量等级。通过利用CDRR从物理层码流恢复时钟，通过这种犯法最终实现频率同步。优势在于简单，且较少引入抖动。

以往的移动网授时方式，主要是采用较多的基站部署GPS来实现时间同步的目的，这是一种空中的网络授时方式。而替代GPS的方案则是一种地面地面网络授时。一般而言，如果采用NTP协议，则是在应用层，借助软件方式加盖时间戳，籍此实现毫秒级同步精度。但是，这依然无法打动电信级的应用需求。而PTP（精确时间协议）作为一项精准时间传输协议，即IEEE1588v2协议。该协议要求专门的硬件设备支持，可在距离最近的物理层上加盖时间戳，并可有效地排除一些抖动和延时，籍此实现纳秒级的同步精度。

（三）同步系统

OTN网络承载1588 v2，标准仍在制定中。工业上有三种主要方式，即传输、ESC、OSCo传输。它是GE接口與1588 v2信息的直接透明封装，由时钟源或其他设备传输到ODUO，在OTN线路上复用，或通过GFP封装传输。带内开销模式（ ESC ），时间源设备通过1ps tod接口访问时钟信号到OTN设备，利用odu或otu的预留开销传输1588 v2时间信息；带外OSC模式，OTN OSC信道用于传输网管、公务、控制平面、用户信道等信息，稍加修改也可用于携带1588 v2时间信息。

根据测试结果反馈可知，透明传输方式精度交叉，原因在于多FIFO在路径上引入时延存在不确定性。因此这种方式一般只适合10个细微数量级以上。目前，精度较高的主要有ESC和OSC，但在标准支持层面尚显不足。目前，由于不同厂家采用的方式存在差别，无法实现有效的融通。一般而言，采用ESC和采用OSC，区别在于：ESC成本耗费较多，在实际运用中要求单个磁盘必须能够支持PTP，主要适应于新网络；而后者由于仅要求添加支持PTP处理的功能卡，且对网络升级不会造成太大影响，故只需对网络升级稍作部署。

三、 OTN网络同步硬件实现

（一） 系统实现

OSC是光监控通道。光监控通道最突出特征是存在较少限制。一般而言，OSC不会对光放距离、泵浦波长以及波长等做出限制。OSC即便是在光放失效的情况下，依然可以正常工作。一般而言，OSC支持的方式主要有两种，分别是SD和快速以太网。而在选择1510nm波长，以快速以太网为方式来传送OSCC时，仅需要进行部分改造，即可达到支持同步的效果，实现传播同步频率。在此基础上，在其中增加PTP处理模块则可以借助OSC通道进行1588报文传送，进而达到时间同步的效果。该方案的优势在于不必受网络影响，且在实际运用中需要的成本消耗很少。OSC是一种带外波长，在光放线路信号前，应利用光分路器来进行分路，分路出1510nm波长信号，而后将其带入网元管理单元进行下一步处理，在光放线路侧信号后，通过光合路器将1510nm的OSC插入，由此实现PTP和EEC/ SEC的跨段传递。

（二）设计方案

在OSC板上的太网物理层芯片VSC 8574可以为1588 V2 支持，并实现同步。起主要负责的内容是时间戳和物理层时钟恢复。其主要是利用SFP光电收发模块将时钟频率、网管和时钟报文等向外传送，并转换成光以太网信号，而后将光滤波器插入波分线信号传输或分路下行进行同步处理。FP GA将网络管理报文与时钟报文（PTP包/ ESM cframp）分离，将所得报文由网元管理板处理，而与时钟存在关联的报文则是由时钟板负责集中进行处理。

1. 物理层

网络时钟中，时钟节点主要由时钟恢复单元充当。一般而言，时钟板的功能在于以输入参考时钟的优先级与质量作为根本依据来进行参考时钟源的选择。锁相环滤波后，网元使用时钟（ TO ）和外部输出时钟（ T4），TO可以通过承载OSC的同步以太网物理流。将时钟状态信息S SM发送到下一个网元，由PHY芯片接收侧 CDR恢复时钟，实现网元间逐级频率同步。目前，商用系统同步器方案集成模拟和数字锁相环、输出频率合成器，并支持各种服务时钟频率。

2. PTP

在对时钟进行处理时，内容主要包括三项：第一，时间队列复制；第二是时间戳处理；第三是，PTP协议处理。时间戳所处的位置与时间同步的精度间存在密切相关。从根本上来讲，1588与NTP二者之间的区别在于前者需要借助一定的特殊设备支持来实现时间戳精准度的有效提升。这项方案选择命中OSC板的PHY芯片上的时间戳更新单元（TSU），从而达到最大程度地接近物理层位置的目的。而时间戳则可以实现降低FIFO在芯片内部和接收方向上的不对称至最低水平；OSC卡上的FPGA会对TP的信息进行一定能够的过滤，继而发送到时钟板，通过时钟板上的PTP引起进行后续的结束和处理。

时钟板上的1588协议处理单元包括负责协议处理和时间恢复的PTP引擎、TOD编解码器和1 P s/s收发器。PTP引擎是当地华侨处理1588消息和恢复时钟的核心，在PTP消息终止，BMC算法执行选择最佳主时钟，1588进行协议处理，执行时间的恢复，和1588生成消息。PPS输入接口可以当做PTP主时钟来使用，可以从外部时间的层面来提供同步参考。TOP解码器主要用以接收来自外部主时钟发送的一些同步信息或者是通告等，进而择选最为合适的主时钟。从输出方向的层面来看，主时钟通常是由本地时钟当单，TOD编码器则是借助一定的发送器，例如RS 422来实现时间信息向外部设备的发送。