同步以太网(SyncE)技术白皮书-6W100

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同步以太网(SyncE)技术白皮书

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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概述

1.1  产生背景

在通信网络中,许多业务的正常运行都要求网络时间同步。时间同步包括频率和相位两方面的同步。通过时间同步可以使整个网络各设备之间的频率和相位差保持在合理的误差范围内。

不同业务对时间同步的要求不同,其中,无线接入业务的要求最高,它要求无线基站之间的频率必须同步在一定精度之内。如1所示,以WCDMA/LTE FDD为代表的标准采用FDD制式,只需要频率同步,精度要求0.05ppm。以TD-SCDMA/LTE TDD为代表的标准采用TDD制式,同时需要频率和相位的高精度同步。如果无线基站不满足同步精度要求,会导致移动终端在进行基站切换时容易掉线,严重时无法联网。

表1 不同制式基站对频率/相位同步的要求

无线制式

频率同步精度要求

相位同步精度要求

GSM

0.05ppm

无相位同步精度要求

WCDMA

0.05ppm

无相位同步精度要求

WiMax FDD

0.05ppm

无相位同步精度要求

LTE FDD

0.05ppm

无相位同步精度要求 (except for MB-SFN<+/-1us, LBS)

TD-SCDMA

0.05ppm

+/-1.5us

CDMA2000

0.05ppm

+/-3us

WiMax TDD

0.05ppm

+/-1.5us+/-1us

LTE TDD

0.05ppm

+/-1.5us

 

同步以太网(SyncESynchronous Ethernet)是一种基于物理层码流携带和恢复频率信息的同步技术,能实现网络设备间高精度的频率同步,满足无线接入业务对频率同步的要求。通常将SyncEPTP技术配合使用,同时满足频率和相位的高精度要求,实现纳秒级的时间同步。本文主要介绍SyncE的技术原理和典型组网应用,PTP技术的介绍请参见PTP技术白皮书。

1.2  技术对比

SyncE只能实现频率同步,SyncEPTP配合可实现时间同步。“SyncE+PTP”与其它时间同步技术,如GPSGlobal Positioning System,全球定位系统)、BDSBeiDou Navigation Satellite System,中国北斗卫星导航系统)、NTPNetwork Time Protocol,网络时间协议)、PTPPrecision Time Protocol,精确时间协议)之间的技术实现对比如下表所示:

时间同步技术

频率同步

相位同步

时间同步

精度

说明

GPS

支持

支持

纳秒级

通过电磁波携带频率和相位信息,实现时间同步。近年来,GPS的精度不断提高,但依赖于美国的GPS技术

BDS

支持

支持

纳秒级

通过电磁波携带频率和相位信息,实现时间同步。目前,BDS同步网络正在建设中,2035年可实现“全覆盖、可替代”

NTP

不支持

支持

毫秒级

通过NTP报文传输相位信号,实现相位同步,但不能满足无线接入网络等微秒级的时间同步精度要求

PTP

支持

支持

亚微秒级甚至几十纳秒

通过PTP报文传输频率和相位信息,和硬件配合一同实现高精度的时间同步。随着软硬件技术的进步,PTP的精度可以达到几十纳秒甚至更高

SyncE+PTP

支持

支持

纳秒级

SyncE频率同步+PTP相位同步”比纯PTP时间同步,精度更高。因为,SyncE通过物理层码流携带和恢复频率信息,来实现频率同步,比PTP频率同步更快速更精准

 

1.3  技术优点

SyncE基于物理层码流携带和恢复频率信息,由于频率信号是在物理层传输的,SyncE的时钟同步不受上层协议的影响,也不会受到数据网络拥塞、丢包、时延等的影响。

技术实现

2.1  时间同步简介

2.1.1  频率同步

频率同步也称为时钟同步。频率同步指两个信号的变化频率相同或保持固定的比例,信号之间保持恒定的相位差。如1所示,两个表的时间不一样,但是保持一个恒定的差(6小时)。

图1 频率同步

 

2.1.2  相位同步

相位同步是指信号之间的频率和相位都保持一致,即信号之间相位差恒定为零。如2所示,两个表每时每刻的时间都保持一致。相位同步的前提是频率同步,所以,相位同步也称为时间同步。

图2 相位同步

 

2.2  时钟源类型

为设备提供时钟信号的设备叫做时钟源。根据时钟信号的来源不同,SyncE支持的时钟源包括:

·     BITSBuilding Integrated Timing Supply System,通信楼综合定时供给系统)时钟源:时钟信号由专门的BITS时钟设备产生。设备通过专用接口(BITS接口)收发BITS时钟信号。

·     线路时钟源:由上游设备提供的、本设备的时钟监控模块从以太线路码流中提取的时钟信号,即开启SyncE功能的接口传递的时钟信号。线路时钟源精度比BITS时钟源低。

·     PTP时钟源:本设备从PTP协议报文中提取的时钟信号。PTP协议时钟源的精度比BITS时钟源低。

·     本地时钟源:本设备内部的晶体振荡器产生的38.88 MHz时钟信号,通常本地时钟源精度最低。

2.3  时钟源选择

当设备连接了多种时钟源,有多路时钟信号输入设备时,可以通过手动模式或自动模式选择一路优先级最高的时钟信号作为最优时钟(也称为参考源)。

·     手动模式:用户手工指定最优时钟。如果最优时钟的同步信号丢失,设备不会自动采用其他时钟源的时钟信号,而是使用设备上存储的已丢失的最优时钟的时钟参数继续运行。

·     自动模式:系统自动选择最优时钟(也称为自动选源)。如果最优时钟的同步信号丢失,设备会自动选择新的最优时钟,并和新的最优时钟保持同步。

2.3.1  自动选源参考因素

影响设备自动选择最优时钟的参考因素包括SSMSynchronization Status Message,同步状态信息)级别和优先级。

1. SSM级别

SSMITU-T G.781SDHSynchronous Digital Hierarchy,同步数字系列)网络中定义的标识时钟源质量等级(QLQuality Level)的一组状态信息。SyncE也使用SSM级别来表示时钟源的好坏,并把SSM级别称为QL级别,本文中统称为SSM级别。

SyncE中支持的SSM级别按照其同步质量由高到低依次为:

·     PRCPrimary Reference Clock,基准参考时钟)级别精度符合G.811协议要求通常,BITS跟踪GPS或者北斗等卫星源后输出的时钟信号的质量等级为PRC

·     SSU-Aprimary level SSU,转接局时钟)级别:精度符合G.812中转接节点要求。通常,配置了铷钟的BITS在丢失GPS等卫星源后进入保持或者自由振荡时输出的时钟信号的质量等级为SSU-A

·     SSU-Bsecond level SSU,本地局时钟)级别:精度符合G.812中本地节点要求。通常,配置了晶体钟的BITS在丢失GPS等卫星源后进入保持或者自由振荡时输出的时钟信号的质量等级为SSU-B

·     SECSDH Equipment ClockSDH设备时钟)/EECEthernet Equipment Clock,以太网设备时钟)级别:精度符合G.813协议要求。通常,承载网设备(SDH设备SEC或者同步以太设备EEC)丢失参考源后进入保持或者自由振荡时输出的时钟信号的质量等级为SEC/EEC

·     DNUDo Not Use for synchronization,不应用作同步)级别:精度不符合时钟同步的要求。该质量等级的时钟源不可以作为参考源。

·     UNK级别:同步质量未知。

提示

用户可以通过命令行选择SSM级别是否参与自动选源:

·     如果时钟源不可靠,用户可以选择SSM级别不参与自动选源,或者通过命令行为时钟源指定SSM级别。

·     如果用户连接的时钟源是可靠的,建议使用SSM级别作为自动选源参考因素。

 

SSM级别对于自动选择最优时钟、时钟环路避免具有重要意义。设备间通过周期发送ESMCEthernet Synchronous Message Channel,以太网同步消息通道)报文传递时钟源的SSM级别。ESMC报文有两种发送方式:

·     周期发送:设备在开启了SyncE功能的接口上每秒发送一次ESMC information报文,用于告知邻居设备本设备提供的时钟信号的SSM级别。

·     事件触发发送:当本设备选择的最优时钟变化时,立即发送携带新的最优时钟的SSM级别的ESMC event报文,以便尽快通知下游设备本设备提供的时钟信号的SSM级别发生变换。与此同时,复位ESMC information报文的发送定时器,并周期性发送携带新SSM级别的ESMC information报文。

2. 优先级

时钟源的优先级是用户在设备上为每个时钟源指定的一种属性。用户通过命令行为BITSPTP和线路时钟源配置优先级,该优先级本地有效,不会传递给邻居设备。

缺省情况下,时钟源的优先级为255,不能参与最优时钟的选举。如果要使该时钟源参与最优时钟的选举,则需要为其指定优先级。时钟源的优先级值越小,则表示该时钟源的优先级越高。设备支持的各种类型的时钟源中,本地时钟的优先级最低且不支持配置。

2.3.2  自动选源机制

3所示,SyncE按照以下原则为设备自动选举最优时钟:

(1)     SSM级别最高的时钟源优先当选为最优时钟。

(2)     如果用户配置了SSM级别不参与自动选源,或者SSM级别相同,则按照时钟源的优先级进行选择,优先级值最小的时钟源优先被选中。

(3)     如果时钟源的优先级相同,则按照时钟源类型进行选择,优先选用BITS时钟源,其次选用线路时钟源,然后选用PTP时钟源。

(4)     如果时钟源的类型也相同,继续比较时钟信号入接口的编号,编号最小的时钟源优先被选中。

(5)     BITS时钟源、线路时钟源、PTP时钟源均不可用时,使用本地时钟源。

选举出最优时钟后,设备会通过ESMC报文将最优时钟的SSM级别传递给下游设备,进一步影响下游设备最优时钟的选择

如果某接口收到的时钟信号当选为最优时钟,而该接口在5秒钟内未收到ESMC information报文,设备会认为最优时钟丢失或不可用,将自动按照上述原则重新选择最优时钟。当原最优时钟源恢复时,系统自动立即切换回原最优时钟。

图3 自动选源流程图

 

2.4  时钟同步原理

选出最优时钟后,设备开始锁定最优时钟,进行时钟同步(频率同步)。

数字通信网中传递的是对信息进行编码后得到的PCMPulse Code Modulation,脉冲编码调制)数字脉冲信号,每秒生成的脉冲个数即为脉冲的频率。以太网物理层编码采用FE(百兆)和GE(千兆)技术,平均每4个比特就插入一个附加比特,这样在其所传输的数据码流中不会出现超过41或者40的连续码流,可有效地包含时钟信息。利用这种信息传输机制,SyncE在以太网源端接口上使用高精度的时钟发送数据,在接收端恢复、提取这个时钟,并作为接收端发送数据码流的基准。

4所示,假设外接时钟源1比外接时钟源2更可靠,当选为最优时钟。Device1Device2均同步外接时钟源1的频率,同步原理如下:

1. 发送方向同步机制

发送端携带并传递同步信息:

(1)     因为外接时钟源1SSM级别最高,Device1选择外接时钟源1作为最优时钟。

(2)     Device1提取外接时钟源1发送的时钟信号,并将时钟信号注入以太网接口卡的PHY芯片中。

(3)     PHY芯片将这个高精度的时钟信息添加在以太网线路的串行码流里发送出去,向下游设备Device2传递时钟信息。

2. 接收方向同步机制

接收方向提取并同步时钟信息:

(1)     Device2的以太网接口卡PHY芯片从以太网线路收到的串行码流里提取发送端的时钟信息,分频之后上送到时钟扣板。

(2)     时钟扣板将接口接收的线路时钟信号、外接时钟源2输入的时钟信号、本地晶振产生的时钟信号进行比较,根据自动选源算法选举出线路时钟信号作为最优时钟,并将时钟信号发送给时钟扣板上的锁相PLL

(3)     PLL跟踪时钟参考源后,同步本地系统时钟,并将本地系统时钟注入以太网接口卡PHY芯片往下游继续发送,同时将本地系统时钟输出给本设备的业务模块使用。

图4 SyncE时钟同步原理示意图

 

2.5  时钟工作状态

系统时钟存在三种工作状态,用户通过查看系统时钟的状态信息,可了解设备的时钟同步情况:

·     跟踪状态:当设备选择了一个最优时钟,并和最优时钟达到频率同步,将处于跟踪状态。系统时钟处于跟踪状态时,时钟芯片内部会不断保存最优时钟的相关数据。

·     保持状态:当最优时钟失效,不能继续提供时钟信号时,时钟芯片会根据之前存储的相关数据,在一定时间(最长不超过24小时)内保持之前最优时钟的频率特征,提供与原最优时钟相符的时钟信号。此时,系统时钟处于保持状态。

·     自由振荡状态:若保持状态超时,原最优时钟仍未恢复,系统时钟会进入自由振荡状态。此时,设备使用内部晶振作为最优时钟。

2.6  时钟环路避免

当网络设备跟踪并同步自己输出的时钟信号时,称为时钟环路。当时发生钟环路时,设备会循环同步自己发送出去的时钟信号,导致时钟精度恶化,整网无法同步。使用SSM级别以及合理规划时钟同步路径可避免时钟环路。

2.6.1  直连链路上时钟环路的避免

5所示,Device1作为时钟信号发送方,Device2作为时钟信号接收方。根据“2.4  时钟同步原理”,Device2同步Device 1的时钟后,会将将该时钟信号注入Device2发送的业务报文中。如果不使用SSM级别,Device1在收到Device2的业务报文时,会同步Device2的时钟,从而导致时钟信号从Device1->Device2->Device1,形成时钟环路。

图5 直连链路时钟环路示意图

 

如果使用SSM级别,Device2会将发送给Device1ESMC报文中的SSM级别设置为DNUDevice1在收到Device2的业务报文时,不会同步Device2的时钟,从而避免时钟环路的形成。

2.6.2  环型链路上时钟环路的避免

为提高链路可靠性,实际网络中存在大量环型链路。如果不对时钟信号的传输路径进行规划,肯定会形成时钟环路。对于环型链路,通过使用SSM级别,并手工配置优先级,将时钟信号传输路径规划成树型或者链型,可避免时钟环路。

6所示,四台设备物理连接成一个RRPP环网,如果希望Device1连接的外接时钟源作为全网的最优时钟,所有设备和外接时钟源达成时钟同步,当外接时钟源故障,Device1作为最优时钟,则可以这样规划设备上各路时钟信号的优先级:Device1Ext, Local)、Device2P1, P2, Local)、Device3P1, P2, Local)、Device4P1, P2, Local)。其中,Ext表示外接时钟源;P1P2表示线路时钟源,Local表示本地时钟,Device1Ext, Local)表示在Device1Ext的优先级最高,Local的优先级其次,Device2P1, P2, Local)表示在Device2P1的优先级最高,P2的优先级其次,Local的优先级最低。

6所示组网环境下,SyncE时钟路径生成过程如下:

·     Device1收到外接时钟源的时钟信号,同时通过P1收到Device2传递的时钟信号。因为外接时钟源的SSM级别高于P1,稳定后,Device1跟踪并同步外接时钟源的时钟。

·     Device2通过P1收到Device1传递的时钟信号(来自外接时钟源),通过P2收到Device3传递的时钟信号。因为P1的优先级高于P2,稳定后,Device2跟踪并同步P1的时钟信号。

·     Device3通过P1收到Device2传递的时钟信号,同时还收到Device4传递的时钟信号。因为P1的优先级高于P2,稳定后,Device3跟踪并同步Device2传递过来的时钟信号。

·     Device4通过P1收到Device3传递的时钟信号,同时还通过P2收到Device1传递的时钟信号。因为P1的优先级高于P2,稳定后,Device4跟踪并同步Device3传递过来的时钟信号。

Device1未为P2配置优先级,不同步P2接口的线路时钟,最终形成一个逆时针的时钟同步路径,所有设备跟踪并同步外接时钟源的时钟信号。通过合理规划、人工“破”环,来避免时钟同步路径成环。

图6 合理规划解除环型链路时钟环路示意图

 

典型组网应用

3.1  通过SyncE实现全网频率同步

7所示,无线基站采用WCDMA制式,通过IP设备接入运营商网络,为保证无线终端在基站之间正常切换,要求所有相邻基站之间频率同步,精度要求0.05ppm。为了兼顾成本和可靠性,需要在运营商网络的核心层部署两个互为备份的时钟源。

通过SyncE协议,时钟源的时钟信号将同步给所有的无线基站:

·     正常情况下使用外接时钟源1,当时外接钟源1故障时,可自动切换到外接时钟源2

·     SyncE协议的频率同步精度高,可满足WCDMA制式无线接入设备的频率同步精度要求。

图7 通过SyncE实现全网频率同步组网图

 

3.2  通过SyncEPTP实现全网时间同步

8所示的5G接入网络,无线基站通过IP设备接入运营商网络,为保证无线终端在基站之间正常切换,要求所有相邻基站之间时间同步,时钟同步精度为纳秒级。

H3C为用户提供“SyncE频率同步+PTP相位同步”的综合同步方案。该方案的优势在于:

·     精度更高:通过SyncE实现频率同步,精度比PTP频率同步精度更高,使得整个方案的时间同步精度可达到纳秒级别。

·     更可靠:

¡     SyncEPTP都具有频率同步能力,设备优先使用SyncE进行频率同步,如果SyncE时钟源故障或者链路故障,导致频率同步信号丢失,设备会启用PTP频率同步。

¡     SyncEPTP可以共用时钟源,也可以分别使用独立的时钟源。当PTP功能故障导致PTP时间信号丢失时,SyncE仍能工作,各设备仍能保持频率同步,各设备的时间偏差仍能控制在可接受的范围内。

图8 SyncE频率同步+PTP相位同步典型应用组网图

 

参考文献

Ÿ     IEEE 1588-2008IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems

Ÿ     ITU-T G.781Synchronization layer functions

Ÿ     ITU-T G.811Timing Characteristics of Primary Reference Clocks

Ÿ     ITU-T G.812Timing requirements of slave clocks suitable for use as node clocks in synchronization networks

Ÿ     ITU-T G.813Timing characteristics of SDH equipment slave clocksSEC

Ÿ     ITU-T G.823The control of jitter and wander within digital networks which are based on the 2048 kbit/s hierarchy

Ÿ     ITU-T G.8261Timing and synchronization aspects in packet networks

Ÿ     ITU-T G.8262Timing characteristics of a synchronous Ethernet equipment slave clock (EEC)

Ÿ     ITU-T G.8264/Y.1364Distribution of timing information through packet networks

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