【京准科技】基于PON的网络时间同步技术

【京准科技】基于PON的网络时间同步技术
【京准科技】基于PON的网络时间同步技术
京准电子科技官微——ahjzsz
　1  弁言
　　无线业务对于回传网络（Wireless Backhaul，基站和无线互换装备之间的链路）的带宽需求，随着无线业务的飞速发展而快速增加。已往，由于无线语音和低速无线数据是无线的主要业务，无线基站对带宽需求较小，租用E1/T1线路就能够满意需求。如今，随着3G期间的到来，无线数据以及视频业务的快速发展促使无线网络对覆盖和带宽的需求持续增长。
　　然而由于带宽的增长速率远高于收入的增长速率，运营商面临着增量不增收的抵牾。在运营商的OPEX总本钱中，回传租用线约占45%。对于传统语音业务而言，2G基站传输1～2个E1/T1已基本上可以满意需求，此时带宽与收入的抵牾还不突出；但是到了3G期间，基站通常需要4～5个E1接口，支持HSDPA的基站甚至可能需要8～16个E1/T1。因此，如果仍旧采用租用E1/T1的传送方式，其网络的OPEX将由于带宽需求的增长而不停上升，这就迫使运营商寻找代价低廉而且有业务安全和质量保证的无线回传的办理方案。
　　PON作为可以满意上述运营商需求的网络技术之一，越来越受到运营商以及尺度构造的器重。GPON/10G GPON的时间同步办理方案在ITU-T相关尺度系列中已完成并公布，IEEE也正在制定EPON/10G EPON时间同步办理方案的相关尺度并即将发布。
　　2  无线回传网络的时间同步需求
　　对于WCDMA，由于采用了异步基站技术，因而不需要无线回传网提供时间同步。对于 cdma2000以及TD-SCDMA，由于采用了同步基站技术，以是需要无线回传网提供时间同步。4G的LTE也倾向于采用同步基站技术。根据 3GPP2尺度（cdma2000国际尺度）的要求，时间同步的精度要优于±3?s，因此基站与基准时钟时间同步的精度要优于±1.5?s。根据3GPP 尺度（TD-SCDMA以及WCDMA的国际尺度）对TD-SCDMA的要求，时间同步精度要优于±3?s；同理，基站与基准时钟时间同步的精度要优于±1.5?s。因此，基站与基准时钟相位同步的精度要求要优于±1.5?s。
由上述分析可知，时间同步需求是cdma2000，TD-SCDMA，LTE等无线制式对回传网络的基本需求。如果PON不支持高精度的时间同步，则将无法作为这几种无线制式的回传网络。
　　3  GPON/10G GPON时间同步尺度
　　GPON/10G GPON的时间同步机制参见图1。

 

 图1  GPON/10G GPON时间同步机制

 图1所示方法的具体步调为：
（1）OLT首先与上一级装备完成时间同步。
（2）OLT计算出第X个Super Frame到达ONUi时对应的ToDx,i（TIme of Day，时间）。
（3）OLT通过OMCI消息告知ONUi，当第X个 Super Frame到达ONUi时对应的ToDx,i。
（4）ONUi收到该OMCI消息后，对ToDx,i进行相应的补偿，得到准确的第X帧到达时间real_ToDx,i。
（5）ONUi在第X帧到达时，将其本地时间设置为Real_ToDx,i即完成时间同步。
　　该方案的毛病主要由3部分引入：上/下行波长差别，Serdes，测距。
　　GPON的下行中心波长为1490nm，上行中心波长为1310nm。对于典型的 SMF-28光纤，下行的折射率n1490 = 1.4682，上行的折射率n1310 = 1.4677，两者之差为0.0005，因此得到矫正因子为 。如果使用0.5作为近似值进行计算，则引入的毛病约为170ppm，在最大的物理距离20km的情况下，大约为17ns。由于20km的单向传输时延约为100?s，乘以这个170ppm，可以得到毛病约为17ns。这个值是可以通过计算补偿的。
　　Serdes串并转换的时延在ONU每次激活时都是不确定的，具体毛病取决于 Serdes位宽。对于如今比较常用的16bit位宽的Serdes，此处在相邻两次激活时引入的最大毛病可达±16bits。对于GPON来说，下行速率为2.488Gbit/s，则该毛病换算成时间约为±6.4ns。这个毛病的补偿理论上也是可以由MAC芯片完成，但是实现相对困难：这要求ONU的 MAC芯片在ONU每次上线激活以后，提取Serdes具体偏移，然后再对其补偿。
1  弁言
　　无线业务对于回传网络（Wireless Backhaul，基站和无线互换装备之间的链路）的带宽需求，随着无线业务的飞速发展而快速增加。已往，由于无线语音和低速无线数据是无线的主要业务，无线基站对带宽需求较小，租用E1/T1线路就能够满意需求。如今，随着3G期间的到来，无线数据以及视频业务的快速发展促使无线网络对覆盖和带宽的需求持续增长。
　　然而由于带宽的增长速率远高于收入的增长速率，运营商面临着增量不增收的抵牾。在运营商的OPEX总本钱中，回传租用线约占45%。对于传统语音业务而言，2G基站传输1～2个E1/T1已基本上可以满意需求，此时带宽与收入的抵牾还不突出；但是到了3G期间，基站通常需要4～5个E1接口，支持HSDPA的基站甚至可能需要8～16个E1/T1。因此，如果仍旧采用租用E1/T1的传送方式，其网络的OPEX将由于带宽需求的增长而不停上升，这就迫使运营商寻找代价低廉而且有业务安全和质量保证的无线回传的办理方案。
　　PON作为可以满意上述运营商需求的网络技术之一，越来越受到运营商以及尺度构造的器重。GPON/10G GPON的时间同步办理方案在ITU-T相关尺度系列中已完成并公布，IEEE也正在制定EPON/10G EPON时间同步办理方案的相关尺度并即将发布。
　　2  无线回传网络的时间同步需求
　　对于WCDMA，由于采用了异步基站技术，因而不需要无线回传网提供时间同步。对于 cdma2000以及TD-SCDMA，由于采用了同步基站技术，以是需要无线回传网提供时间同步。4G的LTE也倾向于采用同步基站技术。根据 3GPP2尺度（cdma2000国际尺度）的要求，时间同步的精度要优于±3?s，因此基站与基准时钟时间同步的精度要优于±1.5?s。根据3GPP 尺度（TD-SCDMA以及WCDMA的国际尺度）对TD-SCDMA的要求，时间同步精度要优于±3?s；同理，基站与基准时钟时间同步的精度要优于±1.5?s。因此，基站与基准时钟相位同步的精度要求要优于±1.5?s。
由上述分析可知，时间同步需求是cdma2000，TD-SCDMA，LTE等无线制式对回传网络的基本需求。如果PON不支持高精度的时间同步，则将无法作为这几种无线制式的回传网络。
　　3  GPON/10G GPON时间同步尺度
　　GPON/10G GPON的时间同步机制参见图1。

 

图1  GPON/10G GPON时间同步机制

 图1所示方法的具体步调为：
（1）OLT首先与上一级装备完成时间同步。
（2）OLT计算出第X个Super Frame到达ONUi时对应的ToDx,i（TIme of Day，时间）。
（3）OLT通过OMCI消息告知ONUi，当第X个 Super Frame到达ONUi时对应的ToDx,i。
（4）ONUi收到该OMCI消息后，对ToDx,i进行相应的补偿，得到准确的第X帧到达时间real_ToDx,i。
（5）ONUi在第X帧到达时，将其本地时间设置为Real_ToDx,i即完成时间同步。
　　该方案的毛病主要由3部分引入：上/下行波长差别，Serdes，测距。
　　GPON的下行中心波长为1490nm，上行中心波长为1310nm。对于典型的 SMF-28光纤，下行的折射率n1490 = 1.4682，上行的折射率n1310 = 1.4677，两者之差为0.0005，因此得到矫正因子为 。如果使用0.5作为近似值进行计算，则引入的毛病约为170ppm，在最大的物理距离20km的情况下，大约为17ns。由于20km的单向传输时延约为100?s，乘以这个170ppm，可以得到毛病约为17ns。这个值是可以通过计算补偿的。
　　Serdes串并转换的时延在ONU每次激活时都是不确定的，具体毛病取决于 Serdes位宽。对于如今比较常用的16bit位宽的Serdes，此处在相邻两次激活时引入的最大毛病可达±16bits。对于GPON来说，下行速率为2.488Gbit/s，则该毛病换算成时间约为±6.4ns。这个毛病的补偿理论上也是可以由MAC芯片完成，但是实现相对困难：这要求ONU的 MAC芯片在ONU每次上线激活以后，提取Serdes具体偏移，然后再对其补偿。
Serdes部分引入的毛病也一样，只是EPON速率较低，引入的毛病为±12.8ns。
　　测距部分，EPON的guardThresholdOLT门限为12个TIme Quanta，每个Time Quanta为16ns，换算为时间为192ns，则在单向时延上引入的最大毛病为±96ns（但是最恶劣情况是小概率变乱，通常不会出现）这个毛病在不改变现有EPON尺度的条件下是无法补偿的。
　　综上所述，对于上/下行波长差别引入的毛病，在20km的极限情况下约为17ns，这个毛病可通过简单计算补偿；对于Serdes串并转换引入的毛病，在使用16bit位宽的Serdes的情况下，为±12.8ns，这个毛病也可补偿，但是实现比较复杂，不推荐做；对于测距引入的毛病，为±96ns，这个毛病在不改变现有尺度的情况下，无法补偿；以是，在实现了所有补偿的情况下，理论精度可达±96ns；在不实现任何补偿的情况下，精度在±130ns以内；10G EPON的毛病分析类似。
　　该方案在2009年1月的IEEE 802.1AS会议上进行了讨论，得到了广大参会成员的认可，认为该方案利用了EPON/10G EPON自己的测距的结果以及EPON/10G EPON自己的同步机制，实现也较为简单。如今，802.1AS尺度基本定稿，该方案也已经能被尺度文本正式内容所覆盖。
　　5  结束语
　　华为积极参与了EPON以及10GEPON尺度的制定，提出了大量有价值的技术方案，上述的EPON/10G EPON的时间同步方案就是由华为最先提出的。华为的专家Yuanqiu Luo为IEEE 802.1AS Clause 13（EPON/10G EPON的时间同步部分）的尺度编辑者（Clause Editor），为推动EPON/10G EPON尺度的进展做出了重要的贡献。

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