基於PON的NTP時鐘同步伺服器技術
基於PON的NTP時鐘同步伺服器技術
1 引言
無線業務對於回傳網路（Wireless Backhaul，基站和無線交換裝置之間的鏈路）的頻寬需求，隨著無線業務的飛速發展而快速增加。過去，由於無線語音和低速無線資料是無線的主要業務，無線基站對頻寬需求較小，租用E1/T1線路就能夠滿足需求。現在，隨著3G時代的到來，無線資料以及視訊業務的快速發展促使無線網路對覆蓋和頻寬的需求持續增長。
然而由於頻寬的增長速度遠高於收入的增長速度，運營商面臨著增量不增收的矛盾。在運營商的OPEX總成本中，回傳租用線約佔45%。對於傳統語音業務而言，2G基站傳輸1～2個E1/T1已基本上可以滿足需求，此時頻寬與收入的矛盾還不突出；但是到了3G時代，基站通常需要4～5個E1介面，支援HSDPA的基站甚至可能需要8～16個E1/T1。因此，如果仍舊採用租用E1/T1的傳送方式，其網路的OPEX將因為頻寬需求的增長而不斷上升，這就迫使運營商尋找價格低廉而且有業務安全和品質保證的無線回傳的解決方案。
PON作為可以滿足上述運營商需求的網路技術之一，越來越受到運營商以及標準組織的重視。GPON/10G GPON的時間同步解決方案在ITU-T相關標準系列中已完成並公佈，IEEE也正在制定EPON/10G EPON時間同步解決方案的相關標準並即將釋出。
2 無線回傳網路的時間同步需求
對於WCDMA，由於採用了非同步基站技術，因而不需要無線回傳網提供時間同步。對於 cdma2000以及TD-SCDMA，由於採用了同步基站技術，所以需要無線回傳網提供時間同步。4G的LTE也傾向於採用同步基站技術。根據 3GPP2標準（cdma2000國際標準）的要求，時間同步的精度要優於±3?s，因此基站與基準時鐘時間同步的精度要優於±1.5?s。根據3GPP 標準（TD-SCDMA以及WCDMA的國際標準）對TD-SCDMA的要求，時間同步精度要優於±3?s；同理，基站與基準時鐘時間同步的精度要優於±1.5?s。因此，基站與基準時鐘相位同步的精度要求要優於±1.5?s。
由上述分析可知，時間同步需求是cdma2000，TD-SCDMA，LTE等無線制式對回傳網路的基本需求。如果PON不支援高精度的時間同步，則將無法作為這幾種無線制式的回傳網路。
3 GPON/10G GPON時間同步標準
GPON/10G GPON的時間同步機制參見圖1。
圖1 GPON/10G GPON時間同步機制
圖1所示方法的具體步驟為：
（1）OLT首先與上一級裝置完成時間同步。
（2）OLT計算出第X個Super Frame到達ONUi時對應的ToDx,i（TIme of Day，時間）。
（3）OLT通過OMCI訊息告知ONUi，當第X個 Super Frame到達ONUi時對應的ToDx,i。
（4）ONUi收到該OMCI訊息後，對ToDx,i進行相應的補償，得到精確的第X幀到達時間real_ToDx,i。
（5）ONUi在第X幀到達時，將其本地時間設定為 Real_ToDx,i即完成時間同步。
該方案的誤差主要由3部分引入：上/下行波長不同，Serdes，測距。
GPON的下行中心波長為1490nm，上行中心波長為1310nm。對於典型的 SMF-28光纖，下行的折射率n1490 = 1.4682，上行的折射率n1310 = 1.4677，兩者之差為0.0005，因此得到矯正因子為 。如果使用0.5作為近似值進行計算，則引入的誤差約為170ppm，在最大的物理距離20km的情況下，大約為17ns。因為20km的單向傳輸時延約為100?s，乘以這個170ppm，可以得到誤差約為17ns。這個值是可以通過計算補償的。
Serdes串並轉換的時延在ONU每次啟用時都是不確定的，具體誤差取決於 Serdes位寬。對於目前比較常用的16bit位寬的Serdes，此處在相鄰兩次啟用時引入的最大誤差可達±16bits。對於GPON來說，下行速率為2.488Gbit/s，則該誤差換算成時間約為±6.4ns。這個誤差的補償理論上也是可以由MAC晶片完成，但是實現相對困難：這要求ONU的 MAC晶片在ONU每次上線啟用以後，提取Serdes具體偏移，然後再對其補償。
1 引言
無線業務對於回傳網路（Wireless Backhaul，基站和無線交換裝置之間的鏈路）的頻寬需求，隨著無線業務的飛速發展而快速增加。過去，由於無線語音和低速無線資料是無線的主要業務，無線基站對頻寬需求較小，租用E1/T1線路就能夠滿足需求。現在，隨著3G時代的到來，無線資料以及視訊業務的快速發展促使無線網路對覆蓋和頻寬的需求持續增長。
然而由於頻寬的增長速度遠高於收入的增長速度，運營商面臨著增量不增收的矛盾。在運營商的OPEX總成本中，回傳租用線約佔45%。對於傳統語音業務而言，2G基站傳輸1～2個E1/T1已基本上可以滿足需求，此時頻寬與收入的矛盾還不突出；但是到了3G時代，基站通常需要4～5個E1介面，支援HSDPA的基站甚至可能需要8～16個E1/T1。因此，如果仍舊採用租用E1/T1的傳送方式，其網路的OPEX將因為頻寬需求的增長而不斷上升，這就迫使運營商尋找價格低廉而且有業務安全和品質保證的無線回傳的解決方案。
PON作為可以滿足上述運營商需求的網路技術之一，越來越受到運營商以及標準組織的重視。GPON/10G GPON的時間同步解決方案在ITU-T相關標準系列中已完成並公佈，IEEE也正在制定EPON/10G EPON時間同步解決方案的相關標準並即將釋出。
2 無線回傳網路的時間同步需求
對於WCDMA，由於採用了非同步基站技術，因而不需要無線回傳網提供時間同步。對於 cdma2000以及TD-SCDMA，由於採用了同步基站技術，所以需要無線回傳網提供時間同步。4G的LTE也傾向於採用同步基站技術。根據 3GPP2標準（cdma2000國際標準）的要求，時間同步的精度要優於±3?s，因此基站與基準時鐘時間同步的精度要優於±1.5?s。根據3GPP 標準（TD-SCDMA以及WCDMA的國際標準）對TD-SCDMA的要求，時間同步精度要優於±3?s；同理，基站與基準時鐘時間同步的精度要優於±1.5?s。因此，基站與基準時鐘相位同步的精度要求要優於±1.5?s。
由上述分析可知，時間同步需求是cdma2000，TD-SCDMA，LTE等無線制式對回傳網路的基本需求。如果PON不支援高精度的時間同步，則將無法作為這幾種無線制式的回傳網路。
3 GPON/10G GPON時間同步標準
GPON/10G GPON的時間同步機制參見圖1。
圖1 GPON/10G GPON時間同步機制
圖1所示方法的具體步驟為：
（1）OLT首先與上一級裝置完成時間同步。
（2）OLT計算出第X個Super Frame到達ONUi時對應的ToDx,i（TIme of Day，時間）。
（3）OLT通過OMCI訊息告知ONUi，當第X個 Super Frame到達ONUi時對應的ToDx,i。
（4）ONUi收到該OMCI訊息後，對ToDx,i進行相應的補償，得到精確的第X幀到達時間real_ToDx,i。
（5）ONUi在第X幀到達時，將其本地時間設定為 Real_ToDx,i即完成時間同步。
該方案的誤差主要由3部分引入：上/下行波長不同，Serdes，測距。
GPON的下行中心波長為1490nm，上行中心波長為1310nm。對於典型的 SMF-28光纖，下行的折射率n1490 = 1.4682，上行的折射率n1310 = 1.4677，兩者之差為0.0005，因此得到矯正因子為 。如果使用0.5作為近似值進行計算，則引入的誤差約為170ppm，在最大的物理距離20km的情況下，大約為17ns。因為20km的單向傳輸時延約為100?s，乘以這個170ppm，可以得到誤差約為17ns。這個值是可以通過計算補償的。
Serdes串並轉換的時延在ONU每次啟用時都是不確定的，具體誤差取決於 Serdes位寬。對於目前比較常用的16bit位寬的Serdes，此處在相鄰兩次啟用時引入的最大誤差可達±16bits。對於GPON來說，下行速率為2.488Gbit/s，則該誤差換算成時間約為±6.4ns。這個誤差的補償理論上也是可以由MAC晶片完成，但是實現相對困難：這要求ONU的 MAC晶片在ONU每次上線啟用以後，提取Serdes具體偏移，然後再對其補償。
Serdes部分引入的誤差也一樣，只是EPON速率較低，引入的誤差為±12.8ns。
測距部分，EPON的guardThresholdOLT門限為12個TIme Quanta，每個Time Quanta為16ns，換算為時間為192ns，則在單向時延上引入的最大誤差為±96ns（但是最惡劣情況是小概率事件，通常不會出現）這個誤差在不改變現有EPON標準的前提下是無法補償的。
綜上所述，對於上/下行波長不同引入的誤差，在20km的極限情況下約為17ns，這個誤差可通過簡單計算補償；對於Serdes串並轉換引入的誤差，在使用16bit位寬的Serdes的情況下，為±12.8ns，這個誤差也可補償，但是實現比較複雜，不推薦做；對於測距引入的誤差，為±96ns，這個誤差在不改變現有標準的情況下，無法補償；所以，在實現了所有補償的情況下，理論精度可達±96ns；在不實現任何補償的情況下，精度在±130ns以內；10G EPON的誤差分析類似。
該方案在2009年1月的IEEE 802.1AS會議上進行了討論，得到了廣大參會成員的認可，認為該方案利用了EPON/10G EPON本身的測距的結果以及EPON/10G EPON本身的同步機制，實現也較為簡單。目前，802.1AS標準基本定稿，該方案也已經能被標準文字正式內容所覆蓋。
5 結束語
華為積极參與了EPON以及10G EPON標準的制定，提出了大量有價值的技術方案，上述的EPON/10G EPON的時間同步方案就是由華為最先提出的。華為的專家Yuanqiu Luo為IEEE 802.1AS Clause 13（EPON/10G EPON的時間同步部分）的標準編輯者（Clause Editor），為推動EPON/10G EPON標準的進展做出了重要的貢獻。