子母鐘儀器-NTP衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)子鐘

子母鐘儀器-NTP衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)子鐘

基于PON的時間同步技術(shù)
1  引言 
無線業(yè)務(wù)對于回傳網(wǎng)絡(luò)（Wireless Backhaul，基站和無線交換設(shè)備之間的鏈路）的帶寬需求，隨著無線業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展而快速增加。過去，由于無線語音和低速無線數(shù)據(jù)是無線的主要業(yè)務(wù)，無線基站對帶寬需求較小，租用E1/T1線路就能夠滿足需求?，F(xiàn)在，隨著3G時代的到來，無線數(shù)據(jù)以及視頻業(yè)務(wù)的快速發(fā)展促使無線網(wǎng)絡(luò)對覆蓋和帶寬的需求持續(xù)增長。
然而由于帶寬的增長速度遠高于收入的增長速度，運營商面臨著增量不增收的矛盾。在運營商的OPEX總成本中，回傳租用線約占45%。對于傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)而言，2G基站傳輸1～2個E1/T1已基本上可以滿足需求，此時帶寬與收入的矛盾還不突出；但是到了3G時代，基站通常需要4～5個E1接口，支持HSDPA的基站甚至可能需要8～16個E1/T1。因此，如果仍舊采用租用E1/T1的傳送方式，其網(wǎng)絡(luò)的OPEX將因為帶寬需求的增長而不斷上升，這就迫使運營商尋找價格低廉而且有業(yè)務(wù)安全和質(zhì)量保證的無線回傳的解決方案。
PON作為可以滿足上述運營商需求的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，越來越受到運營商以及標(biāo)準組織的重視。GPON/10G GPON的時間同步解決方案在ITU-T相關(guān)標(biāo)準系列中已完成并公布，IEEE也正在制定EPON/10G EPON時間同步解決方案的相關(guān)標(biāo)準并即將發(fā)布。
2  無線回傳網(wǎng)絡(luò)的時間同步需求
對于WCDMA，由于采用了異步基站技術(shù)，因而不需要無線回傳網(wǎng)提供時間同步。對于 cdma2000以及TD-SCDMA，由于采用了同步基站技術(shù)，所以需要無線回傳網(wǎng)提供時間同步。4G的LTE也傾向于采用同步基站技術(shù)。根據(jù) 3GPP2標(biāo)準（cdma2000標(biāo)準）的要求，時間同步的精度要優(yōu)于±3?s，因此基站與基準時鐘時間同步的精度要優(yōu)于±1.5?s。根據(jù)3GPP 標(biāo)準（TD-SCDMA以及WCDMA的標(biāo)準）對TD-SCDMA的要求，時間同步精度要優(yōu)于±3?s；同理，基站與基準時鐘時間同步的精度要優(yōu)于±1.5?s。因此，基站與基準時鐘相位同步的精度要求要優(yōu)于±1.5?s。
由上述分析可知，時間同步需求是cdma2000，TD-SCDMA，LTE等無線制式對回傳網(wǎng)絡(luò)的基本需求。如果PON不支持高精度的時間同步，則將無法作為這幾種無線制式的回傳網(wǎng)絡(luò)。
3  GPON/10G GPON時間同步標(biāo)準
GPON/10G GPON的時間同步機制參見圖1。
 
圖1  GPON/10G GPON時間同步機制
 圖1所示方法的具體步驟為：
（1）OLT首先與上一級設(shè)備完成時間同步。
（2）OLT計算出第X個Super Frame到達ONUi時對應(yīng)的ToDx,i（TIme of Day，時間）。
（3）OLT通過OMCI消息告知ONUi，當(dāng)?shù)赬個 Super Frame到達ONUi時對應(yīng)的ToDx,i。
（4）ONUi收到該OMCI消息后，對ToDx,i進行相應(yīng)的補償，得到精確的第X幀到達時間real_ToDx,i。
（5）ONUi在第X幀到達時，將其本地時間設(shè)置為 Real_ToDx,i即完成時間同步。
該方案的誤差主要由3部分引入：上/下行波長不同，Serdes，測距。
GPON的下行中心波長為1490nm，上行中心波長為1310nm。對于典型的 SMF-28光纖，下行的折射率n1490 = 1.4682，上行的折射率n1310 = 1.4677，兩者之差為0.0005，因此得到矯正因子為 。如果使用0.5作為近似值進行計算，則引入的誤差約為170ppm，在大的物理距離20km的情況下，大約為17ns。因為20km的單向傳輸時延約為100?s，乘以這個170ppm，可以得到誤差約為17ns。這個值是可以通過計算補償?shù)摹?br />Serdes串并轉(zhuǎn)換的時延在ONU每次激活時都是不確定的，具體誤差取決于 Serdes位寬。對于目前比較常用的16bit位寬的Serdes，此處在相鄰兩次激活時引入的大誤差可達±16bits。對于GPON來說，下行速率為2.488Gbit/s，則該誤差換算成時間約為±6.4ns。這個誤差的補償理論上也是可以由MAC芯片完成，但是實現(xiàn)相對困難：這要求ONU的 MAC芯片在ONU每次上線激活以后，提取Serdes具體偏移，然后再對其補償。
1  引言 
無線業(yè)務(wù)對于回傳網(wǎng)絡(luò)（Wireless Backhaul，基站和無線交換設(shè)備之間的鏈路）的帶寬需求，隨著無線業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展而快速增加。過去，由于無線語音和低速無線數(shù)據(jù)是無線的主要業(yè)務(wù)，無線基站對帶寬需求較小，租用E1/T1線路就能夠滿足需求?，F(xiàn)在，隨著3G時代的到來，無線數(shù)據(jù)以及視頻業(yè)務(wù)的快速發(fā)展促使無線網(wǎng)絡(luò)對覆蓋和帶寬的需求持續(xù)增長。
然而由于帶寬的增長速度遠高于收入的增長速度，運營商面臨著增量不增收的矛盾。在運營商的OPEX總成本中，回傳租用線約占45%。對于傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)而言，2G基站傳輸1～2個E1/T1已基本上可以滿足需求，此時帶寬與收入的矛盾還不突出；但是到了3G時代，基站通常需要4～5個E1接口，支持HSDPA的基站甚至可能需要8～16個E1/T1。因此，如果仍舊采用租用E1/T1的傳送方式，其網(wǎng)絡(luò)的OPEX將因為帶寬需求的增長而不斷上升，這就迫使運營商尋找價格低廉而且有業(yè)務(wù)安全和質(zhì)量保證的無線回傳的解決方案。
PON作為可以滿足上述運營商需求的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，越來越受到運營商以及標(biāo)準組織的重視。GPON/10G GPON的時間同步解決方案在ITU-T相關(guān)標(biāo)準系列中已完成并公布，IEEE也正在制定EPON/10G EPON時間同步解決方案的相關(guān)標(biāo)準并即將發(fā)布。
2  無線回傳網(wǎng)絡(luò)的時間同步需求
對于WCDMA，由于采用了異步基站技術(shù)，因而不需要無線回傳網(wǎng)提供時間同步。對于 cdma2000以及TD-SCDMA，由于采用了同步基站技術(shù)，所以需要無線回傳網(wǎng)提供時間同步。4G的LTE也傾向于采用同步基站技術(shù)。根據(jù) 3GPP2標(biāo)準（cdma2000標(biāo)準）的要求，時間同步的精度要優(yōu)于±3?s，因此基站與基準時鐘時間同步的精度要優(yōu)于±1.5?s。根據(jù)3GPP 標(biāo)準（TD-SCDMA以及WCDMA的標(biāo)準）對TD-SCDMA的要求，時間同步精度要優(yōu)于±3?s；同理，基站與基準時鐘時間同步的精度要優(yōu)于±1.5?s。因此，基站與基準時鐘相位同步的精度要求要優(yōu)于±1.5?s。
由上述分析可知，時間同步需求是cdma2000，TD-SCDMA，LTE等無線制式對回傳網(wǎng)絡(luò)的基本需求。如果PON不支持高精度的時間同步，則將無法作為這幾種無線制式的回傳網(wǎng)絡(luò)。
3  GPON/10G GPON時間同步標(biāo)準
GPON/10G GPON的時間同步機制參見圖1。
 
圖1  GPON/10G GPON時間同步機制
 圖1所示方法的具體步驟為：
（1）OLT首先與上一級設(shè)備完成時間同步。
（2）OLT計算出第X個Super Frame到達ONUi時對應(yīng)的ToDx,i（TIme of Day，時間）。
（3）OLT通過OMCI消息告知ONUi，當(dāng)?shù)赬個 Super Frame到達ONUi時對應(yīng)的ToDx,i。
（4）ONUi收到該OMCI消息后，對ToDx,i進行相應(yīng)的補償，得到精確的第X幀到達時間real_ToDx,i。
（5）ONUi在第X幀到達時，將其本地時間設(shè)置為 Real_ToDx,i即完成時間同步。
該方案的誤差主要由3部分引入：上/下行波長不同，Serdes，測距。
GPON的下行中心波長為1490nm，上行中心波長為1310nm。對于典型的 SMF-28光纖，下行的折射率n1490 = 1.4682，上行的折射率n1310 = 1.4677，兩者之差為0.0005，因此得到矯正因子為 。如果使用0.5作為近似值進行計算，則引入的誤差約為170ppm，在大的物理距離20km的情況下，大約為17ns。因為20km的單向傳輸時延約為100?s，乘以這個170ppm，可以得到誤差約為17ns。這個值是可以通過計算補償?shù)摹?br />Serdes串并轉(zhuǎn)換的時延在ONU每次激活時都是不確定的，具體誤差取決于 Serdes位寬。對于目前比較常用的16bit位寬的Serdes，此處在相鄰兩次激活時引入的大誤差可達±16bits。對于GPON來說，下行速率為2.488Gbit/s，則該誤差換算成時間約為±6.4ns。這個誤差的補償理論上也是可以由MAC芯片完成，但是實現(xiàn)相對困難：這要求ONU的 MAC芯片在ONU每次上線激活以后，提取Serdes具體偏移，然后再對其補償。
Serdes部分引入的誤差也一樣，只是EPON速率較低，引入的誤差為±12.8ns。 
測距部分，EPON的guardThresholdOLT門限為12個TIme Quanta，每個Time Quanta為16ns，換算為時間為192ns，則在單向時延上引入的大誤差為±96ns（但是情況是小概率事件，通常不會出現(xiàn)）這個誤差在不改變現(xiàn)有EPON標(biāo)準的前提下是無法補償?shù)摹?br />綜上所述，對于上/下行波長不同引入的誤差，在20km的極限情況下約為17ns，這個誤差可通過簡單計算補償；對于Serdes串并轉(zhuǎn)換引入的誤差，在使用16bit位寬的Serdes的情況下，為±12.8ns，這個誤差也可補償，但是實現(xiàn)比較復(fù)雜，不*做；對于測距引入的誤差，為±96ns，這個誤差在不改變現(xiàn)有標(biāo)準的情況下，無法補償；所以，在實現(xiàn)了所有補償?shù)那闆r下，理論精度可達±96ns；在不實現(xiàn)任何補償?shù)那闆r下，精度在±130ns以內(nèi)；10G EPON的誤差分析類似。
該方案在2009年1月的IEEE 802.1AS會議上進行了討論，得到了廣大參會成員的認可，認為該方案利用了EPON/10G EPON本身的測距的結(jié)果以及EPON/10G EPON本身的同步機制，實現(xiàn)也較為簡單。目前，802.1AS標(biāo)準基本定稿，該方案也已經(jīng)能被標(biāo)準文本正式內(nèi)容所覆蓋。 
5  結(jié)束語 
華為積極參與了EPON以及10G EPON標(biāo)準的制定，提出了大量有價值的技術(shù)方案，上述的EPON/10G EPON的時間同步方案就是由華為提出的。華為的專家Yuanqiu Luo為IEEE 802.1AS Clause 13（EPON/10G EPON的時間同步部分）的標(biāo)準編輯者（Clause Editor），為推動EPON/10G EPON標(biāo)準的進展做出了重要的貢獻。