分组通信网的同步与定时技术(1)

[编者按]分组通信网同步与定时，其技术需求源于分组网与传统通信网的互连互通，是分组网承载电路仿真业务和实时型业务的前提条件，是移动回传网、音视频桥和无线传感网等应用的关键技术之一。无线分组网的定时与同步，面向无线传感网和物联网的控制与应用，具有广阔的发展前景。本讲座从技术发展、有线和无线环境3个方面，分期论述分组网同步与定时技术：第1讲概要介绍同步与定时的技术概念、需求和现状，第2讲着重讨论以太网为主的同步技术标准，第3讲对无线分组网的同步算法及性能进行综述和介绍。

    同步是通信系统和通信网的基本技术之一。以固定时分复用(TDM)技术为基础的公众电话交换网(PSTN)，其同步质量主要通过专门的数字同步网来保障[1]；以异步复用技术为基础的分组通信网，对同步的质量要求远低于TDM系统，就传送而言，并无全网同步的需要。通信网在向分组化演进的今天，TDM业务的分组化承载、TDM系统与分组网的互通、新型实时业务的创新，对分组通信网提出了同步与定时的要求[2]。

1 同步与定时的技术概念

1.1 时钟技术
    (1) 时钟种类
    时钟产生的时钟信号，单位时间内相对理想时钟的偏差称为准确度，相对自身平均频率的偏差称为稳定度。在通信技术中得到应用的时钟，主要有：原子钟、石英钟和卫星钟。卫星钟同步于卫星发送的原子钟信号，并不是一种独立运行的时钟。

    原子钟利用了原子核超精细能级的稳定性，以能级跃迁过程中吸收或发射的微波频率作为时钟振荡源的参考。原子钟有非常好的稳定性。2010年，基于铝(Al)原子的原子钟创造了稳定度达8.6×10-18的最高记录[3]。目前，常规的高精度原子钟基于铯(Cs)、铷(Rb)的同位素，精度好于10-8。

    石英钟以石英晶体片的压电效应作为产生周期信号的物理基础，它通过调整交变电压的频率，与固定尺寸石英晶体的机械振动达到谐振，从而产生较为精确的时钟频率。石英钟的频率稳定度很宽，在10-12~10-4范围之内，工艺、温度和老化是影响稳定度的主要因素，可参考如表1所示的常见时钟性能参数。虽然精度远低于原子钟，但由于在价格和集成化方面具有显著优势，石英钟是信息通信设备的首选元器件。

    (2) 时钟同步
    在一段物理链路两端，收端正确判决发端信息数据的前提是触发判决的时钟信号，其相位同步于接收信号中的时钟信号。这种作用于一段链路的同步称为位同步。

    图1给出了收端接收数字信息的功能结构。其中，本地时钟触发读出模块从缓冲存储器读取位信息。当本地时钟慢于接收时钟，即收端时钟慢于发端时钟，会产生周期性的漏读现象，如图2所示。当收端时钟快于发端时钟，则会产生周期性的多读现象。这两种因时钟频率失步产生的数字损伤，称为滑动。

    在PSTN系统中，以复用帧（比如E1/DS1帧）为单位完成收发处理，帧头对位显得尤为重要。通过设置一定量的缓存器，可以减少失步损伤的影响程度，这种方法称为帧同步。国际电信联盟(ITU)制订了一系列建议，规范通信网络的同步性能指标，以满足通信业务的质量要求。

1.2 网同步方式及性能指标
    (1) 网同步方法
    为达到全网范围内的时钟同步，需要综合考虑业务需求、时钟性能、成本、可靠性、安全性等技术要求。对地理分布广、采用分级管理的通信运营企业，一般采用主从同步或外基准同步的网同步方法。

    所谓主从同步，就是在通信网中部署少量高性能时钟设备（比如铯钟），通过专用的数字传输链路将高性能时钟信号直接传送给网中的其他时钟设备，以便后者跟踪于前者。提供时钟信号的设备称为主时钟；接收时钟信号并跟踪于主时钟的设备称为从时钟。对于大规模网络，通常部署三级主从同步网络，因此，时钟设备细分为一级参考钟(PRC)、区域参考钟(LPR)、二级钟和三级钟[4]。

    外基准同步是主从同步的一种特殊形式，主时钟部署在定位卫星上，或者部署在地面通过卫星上时钟简接提供时钟参考，同步信号通过无线方式传递到地面接收设备。

    (2) 时钟同步性能
    同步网的主时钟以自由方式运行，稳定度和准确度是衡量其性能的主要参数。对从时钟而言，正常工作时需要同步跟踪于主时钟，而当时钟信号中断时，则需要能类似于记忆的形式工作，因此从时钟的工作模式包括：自由运行方式、跟踪方式和保持方式。

    从时钟的同步跟踪能力，通过牵引范围来度量，它是指从时钟能够锁定的输入时钟信号最大频率变化范围。输入信号频率超出此范围，从时钟失去跟踪能力。进一步细分，可以把从不能跟踪进入到能跟踪的牵引范围，称为牵引入范围；而把从能跟踪进入不能跟踪的牵引范围，称为牵引出范围。

    在实际应用中，稳定度和准确度两个参数不能反映短时间内的时钟质量。为此，引入时间间隔误差(TIE)来度量准确度的时变特性，并把短周期（变化频率大于10 Hz）的TIE称为抖动，长周期（变化频率小于10 Hz）的TIE称为漂移。

2 分组通信网的同步需求

2.1 电路仿真的同步需求
    通过分组网提供传统TDM业务的承载服务，以保证现有网络的平滑演进，这种业务称为电路仿真业务(CES)[5]。CES最早出现在异步传输模式(ATM)技术中，通过互连功能装置或设备实现分组网与PSTN的互通，目前被延伸到电信级以太网等分组传送网。

    虽然分组网本身采用异步通信方式，并不需要全网同步，但为满足与PSTN互通的质量要求，同步是必不可少的。实际应用中存在3种CES部署结构：第1种部署在骨干网，并与TDM形成串接；第2种部署在接入网；第3种则单独构成骨干网。表2中列出了ITU-T G.8261给出的时钟质量指标。

2.2 移动回传的同步需求
    移动回传位于小区基站和基站控制器(BSC)之间，它将分布的小区或小区汇聚点连接到BSC及核心网。在以TDM为基础的PSTN/2G网络中，时钟传递并不是主要问题，这是因为TDM已具有较好的同步机制。在以分组传送网为基础的移动回传中，同步性能不能得到保证，可能影响话音业务质量、越区切换和干扰控制，易导致业务中断、业务质量劣化、频谱效益下降[6]。

    表3列出了不同移动技术的同步与定时需求。全球移动通信系统/宽带码分多址(GSM/WCDMA)采用异步基站技术，只需要做频率同步，精度要求0.05 ppm。而码分多址(CDMA)/CDMA 2000、时分同步码分多址(TD-SCDMA)、长期演进(频分双工)(LTE(TDD))和全球微波互联接入(WiMAX)中，空口技术采用同步基站方案，需要做时钟的相位同步，同步的精度分别为3 μs、1.5 μs、2.5 μs和1 μs。

2.3 专业级多媒体音视频桥的同步需求
    以太网技术所具有的高带宽特性，促进了它在高端多媒体领域内的应用，包括专业级音视频的应用场合，如大型体育运动会、会展中心和音乐厅等。但传统局域网设备不能满足实时多媒体的应用需求。为此，IEEE 802.1AVB工作组开展标准化工作，涉及系统体系结构、定时同步、传送质量控制、桥接传输等[7]。
AVB应用的网络结构如图3所示，其中“AVB云”由支持AVB协议的以太网桥、无线AP和终端组成。AVB终端包括音视频服务器、分布的音频和视频播放设备等，其上时钟为普通时钟。无线AP的时钟为边缘时钟，AVB网桥的时钟为点对点(P2P)透明时钟。表4说明了AVB业务的同步质量规范要求。

2.4 无线传感网的同步需求
    无线传感网(WSN)通过WiFi和ZigBee等无线通信手段，连接数量大、分布广、环境复杂的传感器，通常需要将传感测量的数据进行汇总，并用于向分布的控制器传送控制信息。

    WSN所进行的数据汇总，时间同步是重要前提之一。研究表明[8]，WSN的频率稳定度要求小于1%，频率准确度要求则小于1 000 ppm。根据应用的不同，定时信号的抖动要求在1 ms~n min，漂移要求在1 ms~1 min。

    由于WSN节点通常使用共同的无线通信资源，在节点数较多时，无线资源的合理分配成为提高通信容量的主要手段。以WiFi为例，在同一冲突信道内，如不同节点交替占用信道，则需要节点间达到准确同步。对于数据帧长小于200 μs的无线局域网络[9]，如同步准确度小于200 μs，则可实现通信资源的高效分配。

3 分组网同步技术及应用

3.1 网络时间协议
    网络时间协议(NTP)是一个最早的IP分组网时钟同步协议，于2010年6月成为Internet工程任务组(IETF)的建议标准。NTP同步系统采用分级组织结构，顶层(Stratum 0)为高精度原子钟或GPS时钟，第1层(Stratum 1)时钟直接同步于顶层参考时钟源，并向第2层(Stratum 2)时钟提供定时服务，依次向下，最多可达256层。

    NTP服务器之间可采用3种方式校时，包括：广播/组播方式、对称方式和客户机/服务器方式。其中，广播/组播方式适用于局域网环境，对称方式适用于同层服务器之间，而客户机/服务器方式适用于上下层服务器之间[10]。

    NTP采用Marzullo算法完成时间校时，其基本计算原理可用图4来说明。客户机向服务器发送查询请求，并记录发送时的本地时钟值T1；服务器在收到请求后，记录收到时的本地时钟值T2，并回应时间信息，将T2和发送该信息的时间T3返回给客户机；客户机收到时间信息后，记录收到时的本地时钟值T4。通过简单计算，可在客户机一侧得到单向传送延时和时间偏差，客户机就可以调整本地时间，实现与服务器的同步。

3.2 精确时间协议
    IEEE 1588工作组自2002年开始制订精确定时协议(PTP)，并于2008年发布了第2版本[11]。PTP最初面向控制和测量的应用需求，用于增强局域网的同步定时性能，目前主要应用于以太网之中，因此也被称作工业以太网。

    与NTP相比，PTP同步控制过程需要4次握手，且用于同步计算的时间值均要求取自物理层，以减少软件处理产生的抖动，并避免局域局内冲突及回退所产生的干扰。PTP的从时钟，其准确度可达亚微秒量级，远好于NTP。但与NTP一样，PTP不能保证短期稳定性，也不能直接提供频率同步。

3.3 同步以太网
    ITU分别于2006年和2007年发布了G.8261/Y.1361和G.8262/Y.1362建议，明确了同步以太网的概念、体系结构和性能要求，规定了同步以太网网络设备中使用的时钟最低性能指标。

    同步以太网通过以太网物理层传送时钟信号，通常以专用方式独占以太网设备的物理端口，并支持类似于TDM的线路编码方式传送时钟信号。同步以太网设备可选用的时钟信号输入输出接口，包括2 048 kHz、2 048 kbit/s、STM-N等传统TDM接口和同步以太网接口。

    同步以太网提供时间频率同步，采用专用接口传送时钟信号时，同步的准确度可优于10 ns，但时间同步需要采用其他技术手段。同步以太网是电信以太网的重要基础之一，有望在移动回传和分组传送网中得到应用。 （待续）

4 参考文献
[1] YD/T 1012-1999.数字同步网节点时钟系列及其定时特性[S]. 1999.
[2] 李勤. PTN时钟同步技术及应用[J].中兴通讯技术, 2010, 16(3):26-30.
[3] CHOU C W, HUME D B, KOELEMEIJ J C J, et al. Frequency Comparison of Two High-Accuracy Al+ Optical Clocks[J]. Physical Review Letters, 2010,104(7): 070802.
[4] YD/ T 5089-2005. 数字同步网工程设计规范[S]. 2005.
[5] ITU-T G.8261/Y.1361. Timing and Synchronization Aspects in Packet Networks[S]. 2006.
[6] Juniper Networks Inc. Mobile Backhaul Reference Architecture[EB/OL].
      http://www.juniper.net/us/en/local/pdf/reference-architectures/8030008-en.pdf, 2010.
[7] IEEE 802.1Qav. Standard for Local and Metropolitan Area Networks--Virtual Bridged Local Area Networks Amendment 12:Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams [S]. 2010.
[8] RODRIGUES S, LINDQVIS K. TICTOC Requirement[R].draft-ietf-tictoc-requirements-00. 2009.
[9] IEEE 802.11. Wireless Local Area Networks[S]. 2007.
[10] Mills D, Martin J, Burbank J,et al. Delaware Network Time Protocol Version 4: Protocol and Algorithms Specification[R].IETF RFC5905. 2010.
[11] IEEE 1588. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S]. 2008.

收稿日期：2010-11-23