基于开销通道的SDH高精度授时设备技术研究*

1 引言

随着科技的飞速发展，高精度授时技术在通信、电力、金融、交通、气象、农业、公共安全、军事、科研等众多领域的应用越来越广泛，在授时精度和授时范围需求上不断提高。近年来，光网络承载高精度授时业务凭借其低成本、高可靠、易于管理等优点，已逐渐成为业界研究应用的热点。在运营商网络中，采用PTP（IEEE1588v2）over X的授时方式，已成功实现OTN、PTN、EPON等新型主流网络架构的时间同步，实际应用的授时精度甚至可达纳秒量级[1-3]。但对于电力、国防等较多专网中仍大量部署的传统SDH网络，PTP协议的授时精度通常仅能达到亚微秒量级[4]。一方面，如果采用PTP over Ethernet的方式实现，由于传统SDH/MSTP设备以太网业务接口在硬件上通常不支持PTP时间戳功能，导致精度劣化严重；另一方面，采用PTP over E1的方式，由于信道映射/解映射、复接/分接过程中时延抖动较大，授时精度也仅达数百纳秒[5]。因此，研究SDH网络更高精度的授时技术，为少数特殊用户提供专业化的解决方案，仍具有一定现实意义。

2 原理分析

图1 SDH网络端到端授时链路示意图

在经典授时系统中，通常采用时间信息传输加时延测量补偿的方法实现精确时间同步，其中授时信道的时延稳定性和时延测量精度是影响授时精度重要因素[6]。SDH网络端到端授时链路系统如图1所示，时间基准将时频信号发至SDH授时主时钟，SDH授时主时钟与SDH授时从时钟之间经过双向信息传输及时延测量等步骤，从时钟根据两端的时延测量值及时间信息计算时间偏差后调整本地时钟，实现精确跟踪同步。

研究表明，上述SDH授时系统的授时精度Δt可表示为：

其中，Δtmaster为主时钟引入的授时偏差，Δtrepeater为链路中间SDH中继设备引入的授时偏差，Δtoptical为链路中各传输光纤引入的授时偏差，Δtslave为从时钟引入的授时偏差[7]。

SDH传输系统中，可用于授时的通道主要分为业务通道和段开销通道，两种技术体制对于Δtmaster、Δtrepeater和Δtslave的影响不同。SDH业务通道授时信息需经过低阶交叉、高阶交叉、高阶通道、成帧、光接口等过程，到达对端后再进行一系列反过程[8]；传递过程较为复杂，引入的不确定时延抖动较大，使授时系统中Δtmaster、Δtrepeater和Δtslave都较大。而SDH开销通道授时信息传递过程相对简单，不仅传输延时小，且对线路时钟抖动、线路温度的敏感性较低，不受支路指针调整的影响[9]，其Δtmaster、Δtrepeater和Δtslave相对较小。Δtoptical的主要因素包括光纤温度的变化及物理长度的不对称，对于两种授时体制而言，无论采用那种方式，该部分引入的授时偏差基本不变。

综上，采用SDH段开销字节进行授时，易于实现较高的授时精度。此外，要实现SDH网络的高精度时间同步，还需要满足以下条件：授时链路各节点间必须保持频率同步，终端设备的数据码率必须稳定，尽量减少中继节点，双向通道的光纤长度高度对称，尽量简单的附加处理机制等。

3 系统设计实现

3.1 总体设计思路

SDH高精度授时系统的设计遵循“无感承载、适应网络、精确授时”的原则，采用SDH段开销（MSOH）空闲字节或未定义字节作为授时信道，基本不影响SDH设备原有的业务承载，实现授时业务的接入传输。该技术的实现架构如图2所示，在物理层，完成SDH传输网的信号传输及网络频率同步，并通过时钟抖动抑制技术提升时钟质量；在复用段层，完成授时信息的成帧解帧、插入提取、精确时间间隔测量等功能；在时间同步协议层，完成双向法同步协议及各种补偿算法；在时间接口层，完成时钟产生，时间值调整、时间驯服等功能；管理层主要功能是负责整个授时系统的配置及监测。

3.2 硬件设计

图2 SDH授时系统技术实现架构

SDH设备增加授时功能的具体实现方法是在SDH光接口业务板上增加高精度时延测量和可驯服时钟等硬件单元，以及增加时延测量、授时信息成帧/解帧、授时协议处理、时间调整等功能单元。

155M速率SDH开销通道授时设备的光接口板硬件结构如图3所示，其中，FPGA内部丰富的时序电路用于实现同步时钟抖动处理、数字时钟产生、开销插入/提取、授时信息成帧/解帧、精确时延补偿等功能。CPU实现授时协议处理、原子钟时间驯服、温度时延变化补偿、不对称时延补偿，以及授时功能单元的配置和状态监测等。PM5319为STM-1/ STM-4速率的SDH业务处理芯片，提供开销接口，作为SDH高精度授时的通道。TDC-GP2为高精度的时间间隔测量芯片，其支持65ps分辨率的时间间隔测量，采用SPI接口进行读写。ZL30116是高精度的时钟处理单元，为整个SDH授时单元提供参考时钟，同时其中一路输出提供给FPGA，用于守时跟踪。

图3 SDH开销高精度授时设备硬件架构图

SDH授时功能单元在时间频率信号的输入输出上有微小差别，主时钟通过对外接口获取精确的1PPS、时间码、10M等时间频率信号；从时钟通过驯服铷钟输出1PPS秒信号和10M频率信号，时间码信号由FPGA同步对齐后输出。

3.3 双向授时协议

对于经典授时系统而言，双向授时法是目前采用最多的同步协议算法。双向授时法基本原理是通过主、从时钟的双向信息交互和时延测量，最后由从时钟综合考虑不对称时延因素后，估算出单向传输时延后实现时延补偿。

双向授时协议的具体实现流程如图4所示，具体步骤如下：

（1）从时钟在Ts1时刻发送REQ同步请求帧，并启动本地高精度时间间隔测量单元。

（2）主时钟接收到REQ帧时刻Tm1，并启动本地高精度时间间隔测量单元；经过一定时延后，在Tm2时刻将ACK应答帧发出，同时停止高精度时间间隔测量单元，记录时间间隔测量值T2。

（3）从时钟在接收到ACK帧Ts2时刻立即停止高精度时间间隔测量单元，记录时间间隔测量值T1。

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（4）主时钟在秒脉冲跳变Tm3时刻启动时间间隔测量单元，在Tm4时刻发出包含UTC时间的1PPS信息帧，并停止时间间隔测量单元，记录时间间隔测量值T3。

（5）主时钟在发出1PPS帧后，紧接着在Tm5时刻将包含T2、T3测量值的Ts帧发给从时钟，从时钟计算出时钟偏差：

上述步骤应多次周期性进行，计算出多组偏差数值后作统计分析处理，减小系统随机误差；而后从时钟依据最终时钟偏差值调整本地时钟，实现精确同步。

图4 双向授时协议实现流程图

3.4 时间管理软件设计

SDH时间管理软件用于配置SDH授时系统的相关参数及监测同步状态，是独立于常规网管软件的专用SDH时间管理软件。针对SDH开销通道授时系统的使用要求、运行环境和应用范围，设计时间管理软件界面如图5所示，其主要功能包括：

（1）系统配置功能：主/从时钟的设备端口号设置、段开销字节通道选择、参考时钟选择、不对称时延补偿量等。

（2）状态监测功能：周期性监测主/从时钟授时通道状态、同步状态、时间信息、传输时延量、时钟偏差量等。

（3）告警监测功能：实时监测授时信息丢失、时钟偏差异常、参考时钟异常、时频信号接收异常、时频输出异常等告警。

（4）数据记录分析：采集和记录主/从时钟的各种状态及告警数据，为后期系统的温度补偿算法、时间驯服算法提供基础数据。

图5 SDH授时时间管理软件界面

4 实验评估

授时精度是评估授时系统时间传递质量的一个重要指标，反映从时钟同步跟踪主时钟的准确度及稳定度。为评估SDH开销通道授时设备的指标性能，搭建如图6所示的测试平台，用于测量系统的授时精度。

图6 SDH开销通道授时系统测试平台

通过时间管理软件及SDH网管软件对系统的业务传输、参考时钟、开销通道等内容进行配置。在实现开销通道正常授时后，对双向不对称时延进行测量，并在时间管理软件上设置预先补偿量，最后通过时间间隔分析仪测量主、从时钟1PPS信号的上升沿偏差。经过10 000 s的测试后，对测试结果进行数据分析，授时偏差值的折线图及概率分布图如图7所示。

由图7可知，授时精度测量值在概率上近似正态分布，中间值(median value)约为24.5 ns；从时钟最大同步偏差30.4 ns，最小同步偏差19.9 ns。经Stable32软件统计分析，测量时间内，从时钟最大时间间隔误差MTIE为6.7 ns，时间同步稳定度TDEV为1.16 ns。

经实际测试验证，SDH开销通道授时与SDH业务信道授时相比较，前者在授时精度上优于后者一个数量级；在同步稳定度上，前者更是几近1 ns。因此，采用SDH开销通道授时具有明显的精度优势，可用于一些需要在SDH网络中承载高精度时间同步的特殊应用场景。

图7 SDH授时偏差测量结果示意图

4 结束语

SDH开销通道授时设备在“守时稳”方面性能良好，优化卡尔曼滤波算法后，授时稳定度仍可提升。但在“授时准”方面存在一定不足，需通过减少对时随机误差和提升不对称时延补偿精度，进一步提升授时准确度。此外，如果在SDH设备的各线路光接口板上增加开销授时单元，完全能够实现时间同步业务的逐级传递，为SDH网络实现整网时间统一提供解决方案。

目前在军事通信网和电力专网中，SDH传输网络仍占主导地位，而上述领域对于广域时间同步需求也最为广泛。因此，采用该设备和技术在现有的SDH开销通道承载时间同步增值业务，具有一定的技术及成本优势，在国防及电力领域拥有较好的应用前景。