1588V2技术在城域网中的应用与实现

0 前言

无论是中国电信采用的CDMA2000，还是由中国移动采用的TD-SCDMA，包括未来的LTE都需要高精度的时间同步，以满足基站侧空口±3 μs的同步要求。鉴于外挂GPS方案在安装条件、建设成本、维护管理及政治安全性等方面存在着不利因素，因此通过地面传送方案来解决时间同步信号的传送问题早已成为业界的共识，而1588V2同步协议则成为关注的焦点。

2009年以来，基于1588V2的大量测试结果充分证明了其在以OTN/PTN技术构建的城域传送网中应用的可行性。在个别城市城域网中开展的小规模试验网的测试工作，全方位地验证了1588V2功能，并发现了一些值得注意的问题。例如：在时钟模式方面，理论上透传时钟（TC）模式的传送精度优于边界时钟（BC）模式，但现网部署时究竟是采用BC模式还是采用TC模式，还需进一步探讨和明确；在时钟保护恢复和时延预补偿方面，在PTN网络中部署1588基本上不存在障碍，但在OTN网络层面中部署时却存在着OTN设备不支持或不能完美支持1588V2的问题。

本文结合相关测试，将对上述问题逐一地进行分析和讨论，并提出相应的解决方案，以为下一步1588的规模化部署提供参考。

1 1588V2的应用场景

据正在进行的移动城域网分组传送网建设情况，1588V2在现网中主要有以下2种应用场景（见图1）。

图1 1588V2的2种应用场景

a） 1588在PTN网络中传送。该场景主要应用于PTN独立组网或骨干汇聚层尚未建设波分平台的地区。在该场景下，时间源只能设置在骨干汇聚节点，并采用主备时间源设置方式，利用PTN的环路结构，尽可能地保证所有Node B都同时具备2条不同的跟踪链路至主备时间源。

b） 1588在OTN+PTN网络中传送。受业务需求驱动，城域网核心骨干层建设OTN网络已是大势所趋。从长远来看，1588在城域OTN+PTN网络中应用将非常普遍。在该场景下，时钟源位置的终极部署目标是核心节点。首先通过OTN网络将时钟信号传递至下层的汇聚节点，然后再通过PTN网络分发至各Node B。

2 网络节点时钟配置

2.1 2种模式

1588在传送网络中的同步传送主要有BC和TC 2种模式。它们的物理拓扑基本相同，但在PTP协议的处理机制上却不尽一致。

在1588部署之初，2种模式究竟孰优孰劣还存在着一定争议。下面将从理论和实践2个方面对BC和TC模式做进一步探讨。

2.2 理论与测试

2.2.1 理论说明

理论上，BC和TC 模式的最大不同是：BC模式下的网络中间节点设备具有多个1588端口，其中1个端口可作为Slave用于和上一级设备的频率和时间保持同步，其他端口则作为下一级网元的Master，设备接收到1588报文后进行终结，并产生新的1588报文向下游传送；而TC模式下的网络中间节点设备接收到来自时钟源的1588报文后不进行终结，据报文驻留时间和链路时延，修正报文时间戳信息，并将其传送给下游设备直至Slave侧。

BC模式下每个节点终结PTP报文并同步于主时钟，在时钟恢复过程中会引入漂移，且这种低频漂移会随着跳数的增加而不断累积；而TC模式下时钟是透明传送的，对节点跳数并不敏感，故端到端传送精度优于BC模式。因此，传递精度高、能延伸网络覆盖范围的TC模式受到了更多的青睐。

2.2.2 试验测试

为比较TC和BC模式在传送精度方面的差异，一些单位进行了现网试验测试。1588时间传递精度试验网络结构见图2。

图2 1588时间传递精度试验网络结构

由图2可知，节点10的PTN设备跟踪至节点B的时间服务器，在节点10通过时间分析仪监控PTN设备输出的时间精度（图中绿色及蓝色虚线表示各节点的工作模式分别为BC及TC）。BC模式下，测试时长约为6 h，时间精度为39～93 ns，抖动峰峰值为54 ns；TC模式下，测试时长约为12 h，时间精度为66～133 ns，抖动峰峰值为67 ns。该结果说明，BC模式下各节点时钟恢复过程中所引入的漂移呈现出一定的正负抵消效应，因此其端到端时间传送精度并不比TC模式差，甚至还优于TC模式。时间传递精度统计见图3。

图3 时间传递精度统计

2.3 链路配置与倒换

2.3.1 链路配置

在BC模式下，各Node B无需人工设定时间跟踪路径，只需启动最佳主时钟（BMC）算法，时间跟踪链路就能自动生成；在TC 模式下，由于各Node B的2条端到端工作保护时间链路需由人工预先配置好，因此全网节点的配置工作量极大。

2.3.2 链路倒换

网络故障时，由于BMC算法会自行计算新的、最优的时间跟踪链路，更重要的是在BC模式下，网络各层的故障只会引发本层链路发生改变（如图4所示），汇聚环断纤时接入层跟踪链路不会发生变化，只是汇聚层重新计算生成跟踪链路。而在TC模式下，则是整条工作链路切换至保护链路。因此，BC模式下采用BMC算法可最大程度地减少跟踪路径的变化，从而降低了无线网络侧因传输链路故障所引发的时间震荡。

图4 汇聚层断纤引起的时间跟踪链路倒换示意

综上所述，在传送精度基本相同的情况下，考虑到BC模式在配置、倒换等方面较TC模式有一定的优势，故现网采用BC模式的1588V2传送是最佳选择。

3 链路保护与恢复

3.1 保护倒换对1588V2时间传送精度的影响

由于当时间源、PTN/OTN环路、时钟板发生倒换及基站侧带内外跟踪方式切换时，均会引起频率和相位的跳变，故会进一步影响到时间精度。在OTN和PTN联合组网模式下，上述倒换测试结果如表1所示。

由表1可知，网络倒换引入的时间误差均小于50 ns，能完全满足TD同步的±1 500 n s要求，且还有相当大的余量。不过，表1所列测试结果都是在各个光缆段落的收发延时差异获得良好预补偿的前提下获得的。但是，现网中许多光缆段落用于收发的2芯光纤实际上并不是对称的，因此采用双纤双向的1588V2传送方式时，PTN将面临逐段补偿时延差异的问题，从而导致在开通1588基站时，只能也必须采用经过时间分析仪表测试-预补偿-开站3步走的措施。显然它的工作量是很大的。OTN网络与PTN网络类似，除了要考虑各OTN 段落间的预补偿外，还必须解决外线侧OLP保护倒换前后因收发纤芯不一致所带来的时延补偿问题。由于上述问题的存在，致使1588迟迟未能在OTN+PTN的城域传送网中获得真正的应用。而单纤双向技术则可从根本上解决上述问题。

3.2 单纤双向技术的应用

3.2.1 在PTN网络中的应用

每个基站的PTN设备线路侧光口都配有TX和RX 2个收发模块，通过集成在模块中的滤波器，可在1根光纤中同时完成λ1和λ2 2路光信号的发射和接收。通常情况下，λ1=1 310 nm，λ2=1 550 nm，或相反。由于模块的成对使用，再加上定时接口技术，可自动监测并计算出单向传播时延，实现时延的自动预补偿，故从根本上解决了传统的双纤双向技术潜在的时延差异无法自动预补偿问题。

面对调整频繁的接入层，单纤双向技术容许接入环的随意调整，无需担心光缆割接带来的时延补偿问题，同时还较双纤双向技术节省一半光纤资源；缺点是目前尚无10GE模块推出，10GE速率的汇聚层暂时只能维持双纤双向技术结构。但考虑到汇聚层结构相对稳定和更换模块的成本，汇聚层暂时也没必要采用单纤双向技术。

3.2.2 在OTN网络中的应用

目前，OTN网络中1588传送的主要障碍是OLP的保护倒换。若OLP主用收发2芯光纤或备用收发2芯光纤是同缆的，则它们的差异较小。在双纤双向的1588V2传送模式下，只要将OLP保护倒换强制设定为双芯一起倒换，则倒换前后的时延抖动并不会明显。

但现网中用于OLP保护的主备用光缆长度通常是有差异的，因此当OLP因线路侧故障发生保护倒换，尤其是单芯倒换时，双纤双向的1588V2传送将不可避免地面临着收发纤芯不一致的考验。试验表明，若收发纤芯差异在1 km以上，单芯倒换前后引入的时间误差将大于8 000 ns，显然不能满足±1 500 ns的同步精度要求，而基于光监控通道（OSC）的1588V2带外单芯双向传送方案则能完美地解决这一问题（见图5）。

图5 基于OSC的1588V2单芯双向传送示意

由图5可知，1588V2报文经时钟板处理后，通过特殊的光线路接口单元（FIU）进入OLP主用收发2纤芯中的1芯，并通过λ1和λ2 2个不同波长同时实现A、B 2个OTN节点间的1588报文交互和时钟同步。在该方式下，无论线路侧发生的是双芯倒换还是单芯倒换，1588V2始终都是在同一根光纤中传送。试验表明，在A、B节点的OTN设备均不做时延预补偿的前提下，B节点跟踪A节点接入的时间信号，OLP倒换前后B节点OTN设备输出的时间信号误差为0 ns（倒换前后均为-275 ns）。也就是说，OLP保护倒换不影响1588V2的传送。

4 1588V2过渡期部署策略

1588V2的过渡解决方案示意见图6。

图6 1588V2的过渡解决方案示意

根据以上有关阐述和相关测试结果，OTN+PTN网络中1588V2的终极部署应采用OTN带外单纤双向+PTN汇聚层双纤双向+PTN接入层单纤双向方案，全网各节点采用BC时钟模式。考虑到部分厂家的OTN设备尚不支持1588的自动补偿功能，且支持单纤双向的OTN厂家也很有限，因此1588V2在OTN网络的应用将有一定的技术风险。短期内可采用组建骨干层时间传送平台，以规避OTN的过渡解决方案。

过渡方案的基本思路是：在核心层设置①和②2端时间服务器，利用现骨干层光缆和骨干节点PTN设备GE光口组建2个独立的时间传送平台，分别用于传送来自时间服务器①和②的时间同步信号；时间同步信号通过传送平台传送至各骨干节点，再通过PTN网络传送至各骨干环所辖的Node B。

组建时间传送平台方案能有效地解决OTN短期内难以完美支持1588V2传送的问题。但从长远及从节省骨干层纤芯资源和提高时间源收敛度角度来考虑，一旦OTN承载1588V2技术成熟时，则建议优先采用OTN带外单纤双向+PTN汇聚层双纤双向+PTN接入层单纤双向的传送模式。

5 结束语

经大量的实验性测试，1588V2地面时间传送技术已基本具备了可行性，但要真正走向大规模的现网应用还有一定的距离。本文首先提出了1588V2的应用场景，随后重点分析了节点时钟模式、链路保护和恢复2大问题；通过试验数据，指出了BC模式和单纤双向技术是城域传送网解决1588V2传送的关键，并提供了城域传送网短期内1588V2的过渡解决方案，对推动1588V2快速走向实际工程有一定的参考价值。

参考文献：

［1］王晓义，袁野，唐庆涛. 基于1588的OTN+PTN同步时钟规划与实［J］. 电信技术，2010（6）.

［2］戴宝峰，崔少辉，常健. IEEE1588最佳主时钟算法的分析与实现［J］. 仪表技术，2008（2）.