分组网络中同步标准的进展及分析

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摘要：如何解决同步信号地面链路传递问题，是目前分组传送网络中研究的一个重要课题。传统同步体系中的标准仅适用基于电路交叉技术的网络，并不适用于指导分组传送网络中面临的问题。目前虽已有运营商应用1588v2，满足移动回传网络中的时间同步需求，但随着网络复杂性的逐步增强，以及对设备时间(时钟)能力要求的不断提高，亟待相关标准的出台及完善。文章对分组网络中的同步标准进行了讨论，并就当前包交换技术实现频率和时间同步的热点应用给出了建议。
【关键词】：分组包网络；时分复用技术；同步以太网；时间同步
　　同步网是辅助电信网络业务正常运转的三大支撑网络系统之一。早先的同步网采用的是准同步数字系列(PDH)传输技术，它可以利用N×2Mhit/s系统的PDH链路对Ⅳ个网元进行独立授时。与PDH不同，同步数字体系(sDH)自身需要时钟同步技术的保障，同时又可以对同步网中的定时信号起到传送作用。SDH系统中的各个网元，均可以从该系统中获得同步信息并为自身传送业务服务。也就是说，SDH网络既是同步网的使用者，又是同步网的承载者。正是因为在SDH系统中传定时不需要占用额外的负载空间，而且经过时钟规划，能够满足线路系统中所有网元的时钟同步需求。因此该时钟同步方式仍广泛使用，并逐渐满足传送网络中的时钟同步要求。
　　随着3G技术应用服务的普遍开展以及长期演进(LTE)时代的逐渐到来，分组设备越来越多地被引入到传输网络中。目前，分组传送网(PTN)被首先引入到本地网络的建设范围中，承担3G移动信号回传的重要任务，将来还会有更多的分组设备引入到干线网络中。由此可见，分组设备在传送网络中所占的比重越来越多。现在我们面临的问题是如何在分组网络环境中实现同步信号(时钟和时间)的地面链路传递。一些3c移动通信技术需要保证在基站空口之间维持严格的时间同步关系，这在原有SDH系统中是无法实现的。业界倾向于采用IEEE 1588v2的技术来实现在分组传送网络中传送同步信息以替代全球定位系统(GPS)方式。目前，该技术已在中国多个本地网中开展了广泛的应用。
　　1、分组网络同步标准的讨论
　　ITU－T 013/15主要研究网络同步、定时以及相关设备时钟性能参比方法等，并且它制订了大量的网络同步标准。早先的同步标准主要面向时分复用模式(TDM)网络，并且针对SDH系统传送时钟同步信号的标准已经得到了大量的应用。近两年来，随着分组设备在传输网络中所占比重的不断加大，需要考虑在分组环境中如何实现同步信号的传递。另外，除了满足时钟同步需求外，更要思考解决时间同步的方法。比如，目前一些时分同步码分多址(TD－SCDMA)的基站依旧采用安装GPS天线接收机的方式，以解决基站之间时间同步关系的难题，但GPS提供时间同步存在施工难、维护重、成本高和安全度低等弊端。目前各大运营企业及通信设备制造商都积极投身于时间(时钟)同步地面链路传递的研究中。
　　国际标准化组织，如国际电信联盟远程通信技术标准化组织(ITU－T)，正在抓紧制订在分组环境下时间(时钟)同步的相关建议及规范。本章对于已出台的分组网络同步的标准进行解读，对于早先的TDM环境下的标准将不再赘述。图1列举了目前由ITU－T主导的同步标准。
　　1.1　分组网络中同步的相关术语和定义
　　ITU－TG.810为同步(时钟)协议族提供了技术术语解释及定义。G.82 0则是对分组网络的频率及时间同步规范中使用到的术语、缩略语进行了定义。该建议分两大部分：一是用数学方法对分组网络中同步的稳定性及时钟质量进行了度量；二是针对分组网络中采用包交换取定时的方式进行描述，并就包网络中定时损伤的产生及影响进行了说明。另外在附录中对于包的分组延迟测量也进行了补充陈述。
　　1.2分组网络中的频率定时技术要求
　　G.82 1是ITU－T第一个讨论分组网络同步的建议，它规定了分组网的网络定时和同步概貌，讨论了分组网络的同步需求和同步方法。G.82 2则是定义了如何通过以太网的物理层实现整个网络同步信息的传送。
　　1.2.1　分组网络实现时钟同步的总体需求及框架
　　ITU－TG.82 1规定了分组网络内同步结构的整体概貌。分组网络同步的一个很重要的目的是要在分组网络上支持TDM业务，因此该建议还规定了抖动和漂移的最大网络限值及包交换的边界TDM接口上必须具备的最小设备容限。
　　仿照G.823中的TDM网络同步定时信息的分配方法，G.82 1对参考定时信号在分组网络内的分配进行了说明，并且针对同步以太和基于信息包的方式给出了整体上的需求建议。
　　另外，G.82 1还对于分组网络内从固定比特率业务中获得定时同步信息的方法进行了规定。在补充建议中新增了部分以太网接口的工程规范。
　　1.2.2　同步以太网设备时钟性能规范
　　2001年 月ITU－T通过了“G.82 2同步以太网设备从时钟(EEC)的定时特性”建议。该建议定义了同步以太网设备时钟的性能参数，如同步以太网设备从时钟上的频率准确度、保持范围、牵引入(出)范围、锁定状态下的漂移限值及抖动容限等。
　　同步以太技术与SDH系统对时钟进行恢复的原理相同，并且由于与网络中所承载的业务无关、时钟恢复性能好、技术成熟，因此被运营商普遍看好。虽然G.82 2是作为分组网络同步系列的建议，但它提出的很多性能指标均与传统网络设备有相似的要求。如前所述，EEC的部分参考指标及计量方式与ITU－TG.813相关部分对应，仅是对网络进行了优化。所以传统TDM网络同步规划方法基本可以应用到分组网络中。
　　该建议的最后描述了当在分组网内进行定时分配和业务时钟恢复时，网络报文的损伤给同步定时信号的恢复所造成的影响。
　　1.3　同步以太网的实现机制
　　ITU－TG.82 1规范了采用同步以太方式进行定时恢复的相关要求，而G.82 4则详细规定了分组网络中采用同步以太的方式是如何传送定时同步信息的。
　　ITU－TC，82 4详细描述了在以太网环境中，同步状态信息(SSM)报文的格式、时钟等级分类、采用同步以太传送时钟频率信息的定时分配原则、同步以太设备时钟优选原则等。SSM算法源于SDH的时钟同步控制，使用规则和时钟选择算法符合ITU－TG.181的规范。同步以太网的SSM控制继承了SDH网络特性，在传统时钟同步网的基础上通过增加以太网同步消息信道(ESMC)丰富了对同步以太网的支持。
　　1.4　基于分组的时钟同步网络规范
　　目前主要有两种方式可以实现时钟同步信号的地面传递，分别为物理层定时信息方式和分组报文传递            方式。前述的同步以太方式就属于物理层同步定时的方法。分组报文传递方式是将本地时间信息以时间戳的形式被报文所携带，当报文到客户端后通过算法恢复本地时钟，从而达到同步定时。ITU－TG，82 5就是用于规范利用包进行的时钟同步。该建议对分组报文用于解决网络时钟定时传递问题的总体框架、功能需求结构以及相关的技术进行了描述，同时对目前常用的解决方法――IEEE1588v2中的技术进行了分析。
　　ITU－T G.82 5.1则是在IEEE 1588技术的基础上，提出了采用单播的通信方式在分组网络环境中实现时钟传递。该建议中对使用精确时间传输协议(PTP)实现时钟定时信号的传送中遇到的问题进行了说明，包括IEEE 1588协议使用原则(PTP的通信模式、封装格式及报文频率等)和最佳主时钟选择算法。在该建议的附录I中，针对在PTP报文交互中采用单播还是组播的问题，分析了两种方式的利弊，并给出了在具体工程应用实施中的相关建议。
　　2、分组网络同步标准的展望
　　ITU－T组织为早先TDM网络的同步架构及性能指标，制订了详细的规范和分配定义。ITU－T SGl5 WP3中的013课题组在同步标准的制订上，做了大量的工作和努力，输出了不少标准建议。尤其是在近几年，传统传输设备(尤其是以SDH、MSTP为代表的传统意义上的传输设备)受到来自向IP化转型传输设备的挑战，分组包交换环境将是今后同步领域研究的重要平台。目前Q13已经完成了分组网络环境中解决时钟同步(即：频率同步)的绝大多数标准议题，在完善时钟同步体系标准的同时，也在积极开展对时间/相位同步标准的研究工作。
　　2.1　Q13/15标准
　　从近几次013会议上的白色文稿讨论来看，目前标准组成员主要关注3方面内容。
　　(1)分组设备时钟特性
　　和G.81x系列相比，ITU－TG.82 x体系缺少一项重要的标准，即分组网元设备的时钟质量评定方法。G.82 2对EEC的时钟特性进行了定义和规范，如何考量一个采用包交换的方式进行时钟信号恢复的时钟质量就成为需要关注的问题之一。
　　(2)利用包交换解决时间同步
　　・概貌和功能框架
　　2010年013深圳会议上，多个议题集中在了时间同步的需求及定位上。关于时间/相位同步的需求基本上已经达成一致。但目前利用1588v2技术，能否在大范围区域内建立多级时间同步网，还存在比较大的争议。
　　・时间同步网的技术规范
　　目前，时间同步地面传递的解决方案更多是倾向于采用IEEE 1588v2技术，但ITU－T并未明确指定将其作为唯一解决时间同步信号传递的技术。从时间同步网建设发展来看，同步标准族中缺少采用PTP进行组网的系列指导意见。尽管IEEE 1588v2设计的初衷就是为满足电信网络应用的需要，但是站在ITU的角度，仅依靠IEEE的现有规范，依旧无法直接指导日益发展的时间同步网，时间同步系列的标准是目前013组织研究的中心内容之一。
　　・采用包交换的传输节点时钟
　　传统SDH网元设备时钟(sEC)的设备结构，如果引入时间同步需求，则内部的时钟处理单元和时间处理单元的协调工作就需要重点考虑。另外针对1588v2技术引入电信同步网络后，新出现的主用基准时钟(PRTC)、边界时钟(Bc)、透明时钟(Tc)和普通时钟(Oc)等设备的时钟特性也需要进一步规范。
　　(3)实际应用中的问题
　　目前从中国电信运营商采用1588v2的应用领域来看，主要还是集中于本地网络无线信号回传中基站间的同步问题。但如网络范围较大，城域核心层则多采用光传送网(OTN)发备，同时出于多种因素的考虑，有必要把1588服务器移至核心节点位置上。另外OTN设备也需要采取适当措施保证各类同步信息的精准传输，并与下游分组网络构建端到端的统一同步网。如此一来，同步信息就有可能要穿越核心层的OTN网络到达汇聚层的PTN设备。中国移动等单位已就在OTN上传1588报文并进行了前沿性的技术分析及外场测试，积累了大量第一手的数据，为推动ITU－T在该项技术上制订相关的标准，提供了详实可用的素材。ITU－TG.8251对OTN接口上的时钟特性(抖动和漂移)进行了规范，但如何考虑在OTN上进一步承载PTP信号，以及对应OTN设备时钟的进一步改造，需要进一步讨论。
　　另外，随着宽带接入网的发展，无源光网络(PON)以其能很好的承载移动网络回传信号，推动了网络大融合的进一步拓展，因此接入网的移动业务就需要同步做以支撑。针对使用IEEE 1588协议来同步的端到端网络，需要实现PON系统上的时间传递。但由于PON的结构特殊性，导致光缆终端设备(OLT)和光节点(ONU)之间的上下行时延差距很大，影响了，1588算法的实施。ITU－T02/15正在研究通过CPON本身的管理通道来解决延时信息和OLT精确时间信息的传递问题，如何能够保证精度和实现的可操作性，都需要标准组织仔细考虑。另外，Q13/15也需把OLT的时钟特性列为近期输出的建议之一。
　　2.2　IETF的相关研究
　　早先的互联网及以太网技术不考虑没备之间的定时同步的问题，其技术自身的开发、维护是靠IEEE来支持。但互联网工程任务组(IETF)看到了数据互联网中提供同步定时信号的必要性。TICTOC标准工作组，成立于2008年3月，隶属IETF组织中的网际互联研究领域。一方面网络时间协议(NTP)工作组的任务定位已无法满足目前高精度时间同步的严格需求；另一方面，IETF专家认为未来的定时信息将统一采用IP/多协议标签交换(MPLS)封装的形式予以传递。该工作组目前的研究重点在于把同步定时信息，如NTP或是PTP包，封装到MPLS帧中，实现在IP/MPLS网络中端到端1588v2时间传递方式。在这一研究过程中也产生了多篇很有价值的文稿，其内容包括报文的封装格式、定时信息链路的保护倒换及安全性等方面。但现阶段，ITU－T则认为把PTP报文封装进业务里，形式复杂，而且其性能恢复指标还有待进一步验证。因此ITU－T希望PTP报文的封装和转发与业务转发能分开考虑。
　　3、结束语
　　中国电信运营商对于在分组网络上传送同步定时信号的需求强劲，尤其是对于采用TD－WCDMA技术的基站来讲，更需要在空口上具备严格的时间同步条件。近些年来，中国通信科研人员在该领域向国际标准组织输出了大量的文稿，为推动分组网络中同步标准的完善贡献了力量。            
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