GPON系统1588时间同步技术的研究与应用

摘要：GPON作为移动通信的基站回传方案需要支持高精度的时间同步，本文首先简单介绍了IEEE 1588v2协议基本机制，然后分析了在GPON系统中实现1588的几大难点，并介绍了烽火GPON特殊系统框架下的时间同步实现方案架构，给出了可靠的测试数据，最后针对GPON系统时间同步还存在的问题提出了针对性的建议。

关键词：基站回传;时间同步;IEEE 1588v2;GPON;内部同步机制

近年来，随着3G技术的普及和4G时代的来临，无线业务出现了爆炸式的增长。如果仍采用租用E1/T1的回传方式，网络的OPEX将因为带宽业务的增长而不断上升，因此急需成本低廉而且业务安全和质量有保证的基站回传解决方案。利用GPON的多业务汇聚能力可以实现基站回传，并且相对于PTN和IP RAN方案有着巨大的成本优势，有望成为未来小型基站回传的主导模式。在现网的移动通信制式中，3G的CDMA2000、TD—SCDMA制式以及4G的 WiMAX/LTE制式，都使用了同步基站技术，基站工作的切换、漫游等都需要高精度的时间同步提供精确的时间控制。现阶段应用最为成熟和广泛的时问同步技术是GPS卫星授时方式，但是存在成本高，选址施工困难，故障率高，政治不安全因素等问题，不是大规模使用的理想方案。基于硬件时间戳技术和网络时间同步协议的IEEE1588v2时间同步可以达到ns级的时间同步精度，克服了GPS卫星授时的各种弊端，已经被运营商接受为未来的主流的时间同步技术。由此可见，PON必须支持IEEE1588v2时间同步才能应用于回传网络中。

1 IEEE1588v2时间同步技术简介

1.1 IEEE1588v2协议简介

IEEE1588中文全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，它定义了一种精确时间协议PTP(Precision Time Protocol)，用于实现网络中不同设备间的精确时间同步。协议共有两个版本，v2版本针对通信网的特点进行了改进，更适合通信领域的应用。IEEE1588v2时间同步需要软件协议和硬件高精度时间戳技术结合实现。

1.2 时延测量机制

时延测量机制是1588时间同步的最为核心的部分，基本原理是采用主从时钟方式，通过节点之间交换PTP协议报文测量对称网络之间的时延确定主从时钟之间的时间偏差，由此纠正从时钟的时间实现同步。因此需要软件协议和硬件时间戳技术的结合才能完成。时延测量机制几种报文交换和时戳获取的一般过程如图1所示。

图中t1是Master时钟发送Sync报文时，Master时钟本地的时间;t2是Slave时钟接收Sync报文时，Slave时钟本地时间;t3是 Slave时钟发送Delay_Req报文时，Slave时钟本地时间;t4是Master时钟接收Delay_Req报文时，Master时钟本地的时间，并写入Delay_Resp报文中发送给Slave时钟。假设主从时钟之间的链路时延是对称的，即报文交互的上下行所用时间相同时，从时钟根据已知的 4个时间值，可以计算出与主时钟的时间偏移量和链路时延。设主从时钟之间的链路时延为Delav，主从时钟之间的时间偏差为Offset，可以得到

时延测量机制的前提是：主从时钟之间的链路时延是对称的，也就是tms=tsm=Delay。如果不对称的时延是固定的，可以在实际测试中通过补偿来修正，时延不固定将带来直接误差，1588自身机制无法检测和消除这种误差，并且能够累积传送到下游时间节点。

需要注意的是，t1时戳的获取方式有one_step模式和two_step模式两种，one_step模式由Svnc报文直接获取，而two_step 模式是由一段时间后发送的Follow_Up报文发送获取，如图1中所示。这两种模式只与芯片处理能力有关，不影响时延测量计算方式。

1.3 时钟模型

IEEE1588v2将网络中每个支持1588的节点设备定义为一个时钟，根据不同的应用场景协议定义了OC、BC、TC这3种时钟模型：

1)普通时钟OC(Ordinay Clock)。网络始端或终端设备，该设备只有一个PTP端口，只工作在Slave或Master状态。

2)边界时钟BC(Boundary Clock)。网络中间节点设备，该设备有多个PTP端口。其中一个端口可作为Slave，设备系统时钟和时间通过此端口同步于上一级设备，其他端口作为 Master，提供给下一级时间节点的Slave端口用作同步，实现逐级的时间传递。

3)透传时钟TC(Transparent Clock)。网络中间透传时间设备，该设备不终结PTP同步报文，也不用同步于上一级设备。只是对报文中修正域数据进行更新，并转发到下一节点。按照链路时延计算方式，可分为E2E(END TO END)和P2P(PEER TO PEER)两种。

E2E模式：在始端和末端交互报文，进行线路时延的计算。在中间节点只计算驻留时间并修正correction Field。

P2P模式：在始端到末端的每一段都进行线路时延和节点驻留时间的计算，