1、PTN 产品时钟专题,PTN产品组,Page 2,提纲,同步基本概念与需求 同步基本概念 同步需求 PTN产品同步技术 物理层同步 ACR同步 IEEE 1588v2 总结,Page 3,同步基本概念,同步方式,异步方式,发送端先将欲要发送的信息分成一个一个的字符，对每个字符在发送前又进行包装，在每个字符前端插入起始位、末端插入停止位，构成10bit /字符的结构发送出去，如图所示。接收端处在随时接收数据的等待状态，一旦收到启始位即受到提醒进入短时间的收发同步状态，进而进行该字符数据的接收，在收到停止位时，能确认字符接收完毕，并准备下一个字符的接收。,同步方式的工作过程则不同，它是将要发送的字
2、符数据集中批量发送，省去了所以字符前的起止位的提醒，大大提高了数据传输的效率。 发送端和接收端有一致的时钟信号，既要同频也要同相。右图为帧同步与异步方式的时序构对比示结意图,同步传送方式,通常时钟信号的获得来自二种途径：其一是采用时钟专线，即将发送端时钟直接传送给接收端同步使用；其二是借助锁相环，利用发送端传送的信息流中的时钟频率、相位信息，进行同步时钟提取、恢复再使用,Page 4,同步基本概念,时间同步（相位同步）,频率同步 （时钟同步）,同步分类,频率同步，即时钟同步，是指信号之间的频率或相位上保持某种严格的特定关系，其相对应的有效瞬间以同一平均速率出现，以维持通信网络中所有的设备以相同
3、的速率运行,“时间同步”也称为相位同步，有两种含义：时刻和时间间隔。前者指连续流逝的时间的某一瞬间，后者是指两个瞬间之间的间隔长。,时间同步与频率同步的区别如 上图所示。如果Watch A与Watch B每时每刻的时间都保持一致，这个状态叫时间同步（Phase synchronization）；如果两个表的时间不一样，但是保持一个恒定的差，比如6小时，那么这个状态称为频率同步（Frequency synchronization）。,同步的关键技术,锁相与频率合成是实现同步定时的关键技术,Page 5,同步基本概念,锁相原理,锁相环组成：锁相是指通过下图所示的闭合控制的环路，使压控振荡器产生的信
4、号能跟踪外参考输入信号，达到同频、同相状态的工作过程。它有三个核心部件组成,鉴相器（PD：又称相位检波器或相位敏感器，它能鉴别2个输入信号的相位差，输出相差控制电压。 环路滤波器（LPF）：它能将PD输出的信号进行低通滤波，得到控制电压去控制压控荡振器频率。 压控振荡器（VCO）：它能在其中心频率附近按受控电压大小改变输出频率。,锁相环工作状态：分自由振荡（free run）、捕捉(pull in)和锁定(lock)、跟踪（tracing）三种状态,自由振荡过程：锁相环在上电初期，或无外参考信号输入时，鉴相器不输出鉴相控制电压，此时VCO按照偏置的工作电压振荡输出信号，此工作状态称为自由振荡状
5、态。 捕捉过程：一旦出现外参考输入信号u1(t)，u1(t)与VCO输出信号u2(t)存在相位差，PD就不断产生正确极性的误差控制电压，控制VCO调整频率或相位，u1(t)和u2(t)的偏差越来越小，此工作状态称为捕捉 跟踪过程：当u1(t)和u2(t)相差足够小时，锁相环进入锁定于外参考信号的工作状态，称为锁定状态。进入锁定后，若外输入信号继续存在频率或相位的一定范围变化，u2(t)还继续跟踪u1(t)的变化，时时有PD输出的误差控制电压输出，控制VCO的频率相位不断调整则此过程称为跟踪。可见对锁相环而言锁定状态是相对的，跟踪状态才是绝对的,Page 6,同步基本概念,时钟原理,时钟定义：是
6、产生尽可能高的频率准确度和频率稳定度的振荡源，提供时间或频率的基准。 时钟状态：锁相环的性能就直接反映了时钟的性能，所以时钟工作模式与锁相环的模式相似，分三类 (1)自由振荡；(2)跟踪；(4)保持 时钟种类： 晶体时钟：采用低精度的晶体稳定度可达10-4量级；采用中精度的晶体可达10-6量级，加单层温度控制后可达10-710-8级；采用高精密晶体温度控制可达10-810-9量级；晶体振荡器的缺点是有严重的老化现象，需要与高一级的标准校准， 原子钟：如氢原子钟、铯原子钟、铷原子钟等，其中氢原子钟只能工作于实验环境 GPS 时钟：GPS钟与铷钟配合使用，能够使得振荡源既可有很高的短期的频率稳定度
7、，同时提高了长期期的频率稳定度,Page 7,同步基本概念,跟踪模式（TRACE）本地时钟同步于输入的基准时钟信号； 保持持模式（KEEP）当所有定时基准源都丢失后，从时钟可以进入保持模式，保持上个跟踪源的步调24小时或者永久； 自由振荡模式（FREE）当所跟踪的时钟基准源丢失时间超过24小时或跟踪模式下储存的控制数据已被取空，则时钟模块由保持工作模式进入到自由振荡工作模式，跟踪本网元内部时钟源；,同步时钟的状态,Page 8,提纲,同步基本概念与需求 同步基本概念 同步需求 PTN产品同步技术物理层同步 ACR同步 IEEE 1588v2 总结,Page 9,同步需求 业务,时间和频率的偏差
8、影响基站切换,时隙交换时由于频率偏差导致滑码,为何要同步?,SDH业务出现指针调整,误码率急剧升高或断业务,Page 10,同步需求无线基站,对于基站，除了有频率同步需求，部分也有时间同步要求；,Page 11,传统解决方案,传统解决方案： 时钟源为BITS设备；承载设备为传输设备，主要是SDH。同步网为BITSSDH。 GSM、WCDMA基站主要从SDH的E1支路上恢复时钟。 TD/WINMAX/CDMA2000的基站由于需要时间需求，只能从GPS获取时间。 时间同步靠每个基站一个GPS模块解决，只有频率同步需求的主要靠BITSSDH解决同步要求,Page 12,同步需求TDM业务仿真承载,
9、在传统网络IP化的过程中，大量的PSTN等TDM业务遗留下来需要统一接入和传送，同时运营商可以利用IP网络开展利润较高的E1专线业务，时钟指标需要满足G.823 traffic标准。 E1或者T1/FE混合接入的无线设备也有这样的需求。,Page 13,提纲,同步基本概念与需求 同步基本概念 同步需求 PTN产品同步技术物理层同步 ACR同步 IEEE 1588v2 总结,Page 14,物理层同步原理 同步以太1,以太网真的不能传输时钟码？ 以太网技术本身对时钟的要求很宽松，保持100ppm就可以了 很多以太网PHY，特别是光口PHY芯片，具备恢复时钟的能力 PHY芯片依靠CDR技术从串行数
10、据码流中恢复出发送端的时钟 这种技术与SDH时钟恢复技术是相同的 以太网只是缺乏全网时钟同步的机制，是因为以太网标准中没有定义发送端时钟与接收端恢复出来的时钟的关系 从一个PHY芯片恢复出的时钟不能被其他PHY芯片共享 以太网只是不需要，并不是不能够传输时钟 如何在以太网上传输时钟 仿照SDH机制，可以将以太PHY恢复出的时钟，送到时钟板上进行处理，然后通过时钟板将时钟送到各个单板，用这个时钟进行数据的发送。这样上游时钟与下游时钟就产生级连的关系，实现了在以太网络上时钟同步的目标。,Page 15,物理层同步原理 同步以太2,线卡恢复的时钟上报时钟板 以太/外时钟接口 时钟板比较恢复时钟等级
11、以太OAM报文SSM信息 时钟板发布高精度时钟 选择最高等级 滤抖,时钟板输出高精度系统时钟,Switch fabric,子卡上报恢复时钟,光链路,包交换路径,FE/GE/10GE接口线路时钟提取,接口,系统,Page 16,物理层同步原理 同步以太3,优点 时钟同步质量接近SDH 不受PSN网络影响 可实现性比较好 局限 需要全网部署，必须所有设备都支持 现阶段不是所有厂家的芯片都支持高精度时钟恢复质量 不能支持时间同步,Page 17,物理层同步原理 SDH同步1,SDH是当前电信运营商的主要承载网技术。产品的系统时钟由时钟模块提供，时钟模块完成从外同步时钟、线路时钟、或者E1时钟选源，并
12、且经过DSP算法完成滤波和锁相，产生系统时钟下发给各个单板或者对外提供。,交叉,支路卡,时钟模块,外时钟,系统架构,实现原理,Page 18,物理层同步原理 SDH同步2,优点 时钟同步质量高，技术成熟 不受PSN网络影响 可实现性比较好 局限 不能支持时间同步,Page 19,同步以太应用场景,GE/10GE 汇聚环,GE/FE,NodeB,NodeB,NodeB,FE,分组 Microware,RNC,FE/GE,汇聚层,接入层,FE,FE,FE/GE,RNC,RNC,FE/GE,NodeB,NodeB,FE,GPS,GE/FE,FE/GE,同步以太同步,GE/FE,中间所有设备都支持同步
13、,Page 20,SDH应用场景,SDH汇聚环,BTS,NodeB,E1,PDH Microware,E1,BSC,汇聚层,STM-1,E1,FE/GE,BSC,NodeB,NodeB,GPS,STM-1/E1,STM-1,SDH同步,中间所有设备都支持SDH物理层同步,接入层,Page 21,提纲,同步基本概念与需求 同步基本概念 同步需求 PTN产品同步技术物理层同步 ACR同步 IEEE 1588v2 总结,Page 22,CES ACR是什么,CES,Circuit Emulation Services （电路仿真服务）,ACR,Adaptive Clock Recovery （自适应
14、时钟恢复）,CES ACR：以电路仿真业务为基础，采用自适应的方法来恢复源端时钟；目的是解决在PSN网络中仿真TDM业务时钟传递问题，保证宿端能恢复出源端TDM时钟；,CES 业务标准：,Rfc5086 CESoPSN：Structure-aware TDM Circuit Emulation Service over Packet Switched Rfc4553 SAToP：Structure-Agnostic TDM over Packet MEF8 Implementation Agreement for the Emulation of PDH Circuits over Metro
15、 Ethernet Networks,ACR时钟测试标准：,G.8261 TIMING AND SYNCHRONIZATION ASPECTS IN PACKET NETWORKS,Page 23,CES ACR同步需求,业务需求：TDM业务需要在PSN网络透传；,时钟需求：当业务透传通过PSN网络后，在从端恢复出TDM业务，同时必须也恢复出时钟，才能保证主从端TDM业务同步；,Page 24,CES ACR同步原理1,主端把频率f (service) 信息 通过业务流传递给从端；,从端根据主端传递的频率信息， 恢复出频率f (service) ；,Page 25,CES ACR同步原理2,F
16、IFO原理恢复：,从端根据业务队列深度恢复出频率 超过FIFO上水线提高输出频率，恢复时钟频率升高； 不足FIFO下水标降低输出频率，恢复时钟频率降低；,从端根据业务报文中时戳信息恢复出频率 主端把时钟源频率信息封装在业务报文的时戳域中传递到从端； 从端解析出时戳，通过运算恢复出主端频率； 每个报文中都携带时戳，时戳值的大小反应出频率的快慢；,时戳原理恢复：,Page 26,CES ACR 同步限制,恢复时钟的质量依赖于承载的PSN网络性能 PSN网络的延时变化（PDV）； PSN网络的路由倒换； PSN网络的丢包等； 造成网络延迟变化（PDV）的因素 网络拓扑变化、网络流量负载变化； QOS
17、策略变化； 网络延迟的分布本质上是不可预测的； CES ACR只能恢复频率，无法恢复时间 各种滤波算法的局限 现有各种滤波算法都只能针对特定的网络延迟分布； 滤波算法主要根据G.8261定义的各种测试场景定义；,Page 27,CES ACR 应用场景,RNC与NodeB之间通过E1口透传业务，RNC把时钟通过CES ACR传递给NodeB,BSC与BTS之间通过E1口透传业务，BSC把时钟通过CES ACR传递给BTS,E1专线业务，需要透传PSN网络，通过CES ACR透传源端E1时钟,Page 28,1588V2 ACR 同步,运营商在NodeB和RNC侧使用PTN设备，中间穿越以太网络
18、，中间的以太网络不支持物理时钟和IEEE 1588 V2协议。这种场景中，运营商可以利用第三方网络透传1588 V2时钟报文，通过1588 ACR实现端到端设备的频率同步。,Page 29,1588 ACR 同步限制,1588 ACR目前只支持穿越ME网络（纯以太网络），不支持通过中间路径存在xDSL、WDM、PDH和微波的网络。 在满足穿越路径是纯以太网络前提下，网络的丢包率必须小于0.05%，网络PDV（包延时变化）必须小于16ms。 在与以太网络对接的PTN设备上通过1588 ACR恢复时钟频率信息，然后通过物理层往下游传递时钟。 由于1588 V2时钟报文为多播报文，所以第三方网络需要
19、支持二层多播。,Page 30,提纲,同步基本概念与需求 同步基本概念 同步需求 PTN产品同步技术物理层同步 CES ACR同步 IEEE 1588v2 总结,Page 31,1588 是什么,IEEE1588的全称是：网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准,IEEE1588协议设计用于精确同步分布式网络通讯中各个结点的实时时钟。其基本构思为通过硬件和软件将网络设备（客户机）的内时钟与主控机的主时钟实现同步 ；,频率同步,时间同步,IEEE 1588V2,OK,IEEE P1588 TM D2.2 Standard for a Precision Clock Synchronization
20、 Protocol for Networked Measurement and Control Systems,Page 32,PTN 支持的同步恢复模式,1588 V2 报文恢复频率+ 1588 V2 报文恢复时间,物理层方式恢复频率+ 1588 V2 报文恢复时间,Page 33,IEEE 1588V2 时钟基本架构,普通时钟OC（Ordinary Clock）：仅有一个1588端口与网络通信，所在的子域仅支持单个PTP协议和PTP状态。当OC作为整个网络的最佳时间源时，端口状态为MASTER；当OC作为整个网络的时间终端，用于恢复时间时，此时端口状态为SLAVE。,边界时钟BC（Boun
21、dary Clock）：有多个1588端口与网络通信，每个1588端口都类似于OC的端口，可用于多个子域连接，相当于时间中继器。其中一个端口状态为SLAVE，设备系统的时间同步于上一级设备，其他端口的状态可为MASTER、PASSIVE或LISTENING。状态为MASTER的端口作为时间源往下游传递时间,透明时钟TC（Transparent Clock）：对经本设备转发的PTP事件消息，记录其驻留时间，并且把记录的信息提供给接收这些PTP事件消息的时钟。不参与时钟同步，只负责处理延时，根据处理延时的机制不同，透明时钟TC可分为P2P TC和E2E TC。 P2P TC：当PTP报文进入P2P
22、 TC时，P2P TC不但修正PTP报文的驻留时间，而且修正接收端口连接链路的传输延时，同时计算设备内部和链路时延，可支持时钟链路倒换，主要应用于MESH组网。 E2E TC：使用主从时钟之间的端到端延时测量机制，中间节点不参与传输延时处理，只计算设备内部时延，主要应用于链型组网,Page 34,IEEE 1588V2同步机理,T1：Master端Sync报文的发送时间； T2：Slave端收到Sync报文的时间； T3：Slave端Request报文的发送时间； T4：Master端收到Request报文的时间； Master端收到Request报文后响应携带T4信息的Response报文，
23、这样经过握手后，Slave端就得到了T1、T2、T3、T4信息；,根据T1、T2、T3、T4，可以求得（Master/Slave间频率差）、d（链路延时）来调整Slave端的时间。,假设来回报文路径对称，即d1=d2，则可解得：,可以看出、d只与T2T1差值、T3T4差值相关，而与T2T3差值无关，即最终的结果与Slave端处理请求所需的时间无关。Slave端根据实时调整以保持和Master端的时钟同步，结合计算得到的路径延时d1=d2=d/2可以实现时间的同步 ；,Page 35,Timestamp（TS） 产生,时戳(TS-Time Stamp)：用于标记报文进出端口时间的关键技术，155
24、V2 利用硬件来记录报文到达和离开的时间，时戳的处理在MAC 层，提高了时戳的精确性,在C点：应用层CPU处理时间引入的时间抖动； 在B点：协议栈和MAC层FIFO引入时间抖动； A-B，A-C 的延时是不确定的，达到几十毫秒，严重影响时间恢复的精度,Page 36,OC（Ordinary Clock）模型,OC时钟只有一个物理端口与网络连接； 本地时钟必不可少，用来产生时戳； 有一套时钟数据集和端口数据集； OC在系统里能做grandmaster时钟设备或作为主从体系里的slave时钟设备；,Page 37,BC（Boundary Clock）模型,BC时钟有N个端口与物理网络连接 一个本地
25、时钟也是不可少，为所有端口共用； 一个时钟数据集为所有端口共用； 每个端口都单独有一套数据集与协议引擎； 只能做网元，不能连接网络中终端设备；,Page 38,TC（Transparent Clock）模型 E2E TC,E2E TC （Transparent Clock）模型,E2E TC转发所有的信息。利用“驻留时间桥接”测量PTP消息的驻留时间（消息通过TC的时间）。驻留时间主要用于在PTP事件消息或关联的Follow_Up(Follow_Up或者 Pdelay_Resp_Follow_Up)消息中的一个特定的、修正的域。修正是基于事件消息在进入和离开TC时产生的不同时戳,Page 39
26、,TC（Transparent Clock）模型 P2P TC,P2P时钟模型是V2版本新增加的一种，包括了中间的路径延迟能够更好的达到时间同步，报文在中间的阶段TC是透传的 ； P2P TC和E2E TC的不同之处在于他们修正和处理PTP事件消息的方式，在其他方面，两者相同。E2E TC修正和转发所有的PTP事件消息。P2P TC时钟只修正和转发Sync和Follow_Up消息。这些消息的修正域根据Sync在P2P TC内的驻留时间和接收Sync消息端口的链路延时进行修正,PTP TC （Transparent Clock）模型,Page 40,E2E路径延时计算,引入透明时钟概念 路径上每
27、台设备在报文里添加入境和离境时间 可以排除交换网造成的延迟 End to End 方案,主钟表,从钟表,TS0,到达：TS1 离开：TS2,到达：TS3 离开：TS4,到达：TS5 离开：TS6,到达：TS7 离开：TS8,TS9,链路延迟 (TS9-TS0) ( TS2-TS1) (TS4-TS3) (TS6-TS5) (TS8 TS 7),Page 41,P2P路径延时计算,时间同步过程只在相邻设备上进行 Peer to Peer 方案 设备自己通过带外方式实现接口之间的时间同步,主钟表,从钟表,Page 42,BMC算法,最佳时钟算法（Best Master Clock Algorith
28、m简称BMC算法）能在任意结构的网络中确定最高级时钟GMC，建立主从层次关系，并且能将主时钟、时间基准逐级传递到各节点，以取得尽可能好的时钟精度,算法由两部分组成：数据组比较算法，比较两组数据的优劣，一组是代表本地时钟的缺省特性的数据，一 组代表从某端口接收的同步报文所包含的信息。这个比较算法是要对各种数据组进行比较。根据比较结果计算每个端口的推荐状态（主站、从站、待机、未校正、只听、 禁止、初始化、故障状态）。,对于每一个端口，BMC模块比较从连接到端口的通信路径上的其它时钟端口所接收到的合格的同步报文Sync的数据组，通过数据组比较算法决定这个端口的最佳报文Erbest。 对时钟C0的N个
29、端口，BMC模块比较各端口的Erbest，决定时钟C0的最佳报文Ebest。 对时钟C0的N个端口的每一个端口，BMC模块根据Ebest、Erbest和缺省数据组D0，通过状态决策算法和应用端口的状态机决定端口的状态。,BMC时钟算法模型,Page 43,1588v2的局限,需要整网部署支持1588v2的新设备； 无法自动消除双向链路的差异，需要校准； 端口收/发方向光线路径差异； 设备内部收/发方向处理延时差异；,Page 44,1588v2 应用场景1-全网同步（推荐方式）,SLAVE,同步以太时钟,GE/10GE,FE/GE,NodeB,FE,RNC,FE/GE,1588时间信息路径,会
30、聚层,接入层,FE,FE/GE,FE/GE,PRC,FE,RNC,BC,BC,BC,BC,BC,MASTER,OC,NodeB,BC,MASTER,SLAVE,GPS,GPS,PRC,全网跟踪相同的时钟和时间源，支持时钟保护倒换 全网设备需要支持BC、OC 网络中各个设备都能实现选择时钟源和保护倒换,Page 45,1588v2 应用场景2-透传时间,同步以太时钟,GE/10GE,PRC,1588时间信息主路径,会聚层,接入层,FE,RNC,BC,P2P TC,P2P TC,P2P TC,P2P TC,1588时间信息从路径,MASTER,GPS,SLAVE,NodeB,NodeB,FE,FE
31、,FE,所有网元支持1588V2 单个网元支持TC 通过TC实现多个域时间的透传,Page 46,提纲,同步基本概念与需求 同步基本概念 同步需求 PTN产品同步技术物理层同步 CES ACR同步 IEEE 1588v2 总结,Page 47,总结 各时钟技术简单对比,红色：优势；蓝色：劣势。,Page 48,总结 技术前景展望,城域以太网的同步需求：在ALL IP的进程中，各种时钟技术会并存一段时间，各有优势，适用的场景也不一样，同步需求也会一直是城域以太网一个重要需求； 几种相关技术实现和前景展望 物理层同步 不能应用在传递时间场景，在适合的场景应该会长期存在，因为频率恢复性能好；ACR CES ACR 将随者TDM仿真业务的消失而消失； 1588/TOP ACR 对网络传输质量要求高，技术不成熟 IEEE1588V2 由于有传递时间的功能，后续应该会得到推广，主要能替代现在GPS应用，节约 建网成本，但是由于各种限制，还有较长的路要走；,
