呂博,陳學鋒,周曉東,潘峰,胡昌軍

(1.工業(yè)和信息化部電信研究院,北京 100191; 2.國網(wǎng)福建省電力有限公司,福州 350003)

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DTI在通信網(wǎng)中的應(yīng)用研究

呂博1,陳學鋒2,周曉東2,潘峰1,胡昌軍1

(1.工業(yè)和信息化部電信研究院,北京 100191; 2.國網(wǎng)福建省電力有限公司,福州 350003)

摘要:對將廣電網(wǎng)中采用的DTI(有線電纜數(shù)據(jù)服務(wù)定時接口)時間同步技術(shù)應(yīng)用到通信網(wǎng)中進行了探索性研究,結(jié)合DTI的技術(shù)特點,分析了DTI在通信網(wǎng)中所需解決的關(guān)鍵問題,得出DTI技術(shù)在進行參數(shù)轉(zhuǎn)換后可移植到通信網(wǎng)中成為UTI(通用定時接口)技術(shù)的可行性結(jié)論,最后對UTI技術(shù)在通信網(wǎng)中的應(yīng)用場景進行了分析與展望。

關(guān)鍵詞:時間同步;頻率同步;有線電纜數(shù)據(jù)服務(wù)定時接口;通用定時接口;通信網(wǎng)

0　引 言

通信技術(shù)的發(fā)展和新業(yè)務(wù)的不斷驅(qū)動對同步技術(shù)提出了更高的要求,如利用基站提供定位服務(wù)要求時間精度在±200 ns內(nèi)[1],LTE-A(改進的長期演進)的關(guān)鍵技術(shù)Co MP-JP(多點協(xié)同傳輸處理)中要求相鄰基站間的相對時間精度在±500 ns內(nèi)[1]。隨著5G移動通信技術(shù)的深入研究,在同步方面也比目前的3GPP(第三代合作伙伴計劃)對空中接口提出的50 ppb頻率準確度要求和±1.5μs時間精度指標更加嚴格[2]。目前對所采用的C-RAN(集中式無線接入網(wǎng))FH(前傳)技術(shù)中的CPRI(通用無線接口)提出了50 ppb頻率準確度、5μs最大往返絕對時延以及65 ns的時間精度要求[3]。

從實現(xiàn)原理與協(xié)議設(shè)計的角度講,同步技術(shù)的實現(xiàn)具有多樣性,在高精度時間同步方面,DTI(有線電纜數(shù)據(jù)服務(wù)定時接口)具有一定的代表性。目前在有線電視標準J.211[4]中將DTI協(xié)議用于MCMTS(模塊型電纜調(diào)制解調(diào)終端系統(tǒng))、EQAM(邊緣型正交幅度調(diào)制器)和上下行接收機進行頻率和時間同步[5],精度可以達到5 ns。DTI技術(shù)在有線電視網(wǎng)絡(luò)中已得到廣泛應(yīng)用,且DTI本身具備一定的通用性與技術(shù)潛力。本文將針對DTI在通信網(wǎng)中的應(yīng)用進行研究與探討。

1　DTI中的關(guān)鍵技術(shù)

J.211標準規(guī)定DTI協(xié)議在同一根電纜的兩個方向上采用主從同步的通信方式,DTI服務(wù)器與客戶端的發(fā)送和接收信號均在同一根同軸電纜中傳輸,通過TDM(時分復(fù)用)的方式進行時間分割,因此不存在非對稱時延誤差,解決了因收發(fā)線路長度差異所引入的非對稱固定時延問題。DTI中采取的關(guān)鍵技術(shù)主要包括ping-pong機制、Cable Advance補償機制和時間戳映射與處理機制。

1.1ping-pong機制

通常情況下,DTI通過接收GPS(全球定位系統(tǒng))信號得到精準的時間信息,經(jīng)過校正本地時鐘后向下游DTI客戶端輸出DTI信號。服務(wù)器和客戶端采用TDM方式共享傳輸鏈路,通過ping-pong機制在一根電纜兩側(cè)以半雙工方式無間斷地發(fā)送和接收DTI報文。DTI協(xié)議運行于數(shù)據(jù)鏈路層,信號的基本單元為DTI信號幀,并分為服務(wù)器時隙幀和客戶端時隙幀,報文大小固定為256 bit,其中包括234 bit的信息位和22 bit的TGT(反轉(zhuǎn)保護時間) 位,來回共512 bit,線路上每秒傳輸104個來回DTI幀信號。在此報文中服務(wù)器端向客戶端傳輸準確的時間戳,客戶端則返回收到時間戳的信息。

1.2Cable Advance補償機制

Cable Advance補償機制是DTI協(xié)議中規(guī)定的一種電纜時延補償機制。當DTI服務(wù)器和客戶端發(fā)送DTI幀時,兩端都精確記錄DTI幀離開本地的時間,這樣DTI服務(wù)器端可以計算出數(shù)據(jù)在線路上的延時,在每次發(fā)報時做出補償[6],理論上做到了傳輸和接收的都是服務(wù)器端本地時鐘,保證了ns級的時間精度。Cable Advance在DTI中規(guī)定為24 bit,其中前16 bit為Cable Advance值的整數(shù)部分,由149.8 MHz的采樣時鐘循環(huán)生成計數(shù),剩余的8 bit為分數(shù)部分,經(jīng)過倍頻處理后為149.8 MHz采樣時鐘周期的1/256。因此可推算出Cable Advance的時延分辨率為1/256×1/149.8×10-6=26 ps,經(jīng)過Cable Advance處理后能達到很高的精度。

1.3時間戳映射與處理機制

DTI主服務(wù)器跟蹤GPS后,需要將GPS時間信息轉(zhuǎn)換為DTS(DTI時間戳),再通過ping-pong機制與Cable Advance機制進行DTS的傳遞與處理,完成服務(wù)器與客戶端之間的時間同步。DTS由32 bit組成,其中前22 bit為DTI設(shè)備內(nèi)部的計數(shù)器進行計數(shù),后10 bit提供了復(fù)幀之間的ToD (Time of Day)信息。在DTI中,為保證DTS與GPS時間的一致性,需定義DTS的映射機制,DTS與從GPS衛(wèi)星接收機上獲取的gpssec(GPS時間)的映射關(guān)系為

DTI服務(wù)器的衛(wèi)星接收機收到GPS信號后根據(jù)式(1)將gpssec轉(zhuǎn)換為DTS,然后在DTI幀中進行傳送,從而實現(xiàn)服務(wù)器與客戶端之間的時間同步。

2　DTI在通信網(wǎng)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題

2.1傳輸距離的考慮

(1)傳輸帶寬

DTI的長距離傳輸首先要解決傳輸帶寬問題。J.211中規(guī)定采用RJ45電纜作為傳輸介質(zhì),信號在電纜中傳輸衰耗較大,并且DTI信號采用曼切斯特基帶編碼,傳輸帶寬十分有限。為解決DTI長距離傳輸?shù)膯栴},從傳輸帶寬的角度考慮兩種解決途徑,一是仍將電纜作為傳輸介質(zhì),但采用擴頻編碼來增加傳輸帶寬;二是為解決傳輸帶寬及信號衰減問題,采用光纖作為傳輸介質(zhì)進行廣域傳輸。DTI應(yīng)用于通信網(wǎng)時,推薦優(yōu)先采用光纖作為傳輸介質(zhì)。目前已驗證可通過80 km光纖直連方式實現(xiàn)10 ns以內(nèi)的時間傳送,Microsemi公司報道了在德國斯圖加特、紐倫堡和漢堡三地之間采用該技術(shù)在光纖上實現(xiàn)了時間同步組網(wǎng),時間精度為25 ns。

(2)TGT

DTI采用ping-pong的半雙工通信方式,在J.211的DTI幀中規(guī)定了TGT,分別位于DTI服務(wù)器幀和客戶端幀的后22 bit位。目前TGT提供了大約4.3μs的保護時間(22 bit/5.12 Mbit/s)。假設(shè)TGT設(shè)定的比特位數(shù)為B,信號速率為v bit/s, DTI單跨段最大傳輸距離為L m,線纜的時延系數(shù)為ρns/m,DTI處理時延為Δt,,則有

由式(2)可知,在通信網(wǎng)中增大傳輸距離L有3種途徑:一是增加TGT的比特位數(shù)B,二是降低傳輸速率v,三是減少DTI設(shè)備的處理時延Δt。其中,增加TGT的比特位數(shù)需要重新定義DTI的幀結(jié)構(gòu),新定義的幀會增加CRC(循環(huán)冗余校驗)的處理時間;降低傳輸速率會減少單位時間進行ping-pong通信的DTI幀數(shù)量,使服務(wù)器和客戶端之間進行交互的DTS減少,降低了服務(wù)器對客戶端頻率與時間的校準能力,從而影響到同步精度;而減少DTI的處理時延對DTI設(shè)備的硬件處理能力提出了更高的要求。另一種途徑就是將DTI改變?yōu)槿p工方式,規(guī)避單線雙向ping-pong方式引起的時間碰撞問題,如在電纜中傳輸可將J.211所規(guī)定的RJ45物理接口二線制重定義成四線制,在光纖中可采用單纖雙向的方式。

(3)Cable Advance的補償能力

在J.211中規(guī)定了24 bit用于Cable Advance時延補償,其中16 bit為整數(shù)位,8 bit為分數(shù)位,可推算出DTI Cable Advance的最大時延補償能力為216×1/149.8×10-6+28×1/149.8×10-6× 1/256≈437.5μs,最多可補償97 km的傳輸距離。進一步增大傳輸距離有兩種途徑:一是增加Cable Advance的整數(shù)比特位數(shù),相應(yīng)的DTI幀結(jié)構(gòu)需要調(diào)整重定義;二是降低時鐘的采樣頻率,但對應(yīng)的補償精度會降低。在通信網(wǎng)中建議分辨率和比特位數(shù)可設(shè),根據(jù)傳輸距離進行相應(yīng)調(diào)整。

2.2組網(wǎng)要求

(1)DTI設(shè)備級聯(lián)

DTI采取主從模式組網(wǎng),定義了DTI根服務(wù)器、DTI轉(zhuǎn)接服務(wù)器和DTI客戶端3種設(shè)備類型。在DTI的服務(wù)器幀中定義了設(shè)備類型,但對級聯(lián)跳數(shù)只規(guī)定了直連和轉(zhuǎn)接兩種情況。在通信網(wǎng)中需要考慮多跳數(shù)級聯(lián)的問題,以解決大規(guī)模組網(wǎng)以及長距離多跳數(shù)的時間信號傳送,需要在DTI服務(wù)器幀中設(shè)備類型的級聯(lián)跳數(shù)中定義更多的字節(jié),并規(guī)定DTI服務(wù)器最大級聯(lián)跳數(shù)。此外,當DTI的客戶端經(jīng)過轉(zhuǎn)接服務(wù)器連接至根服務(wù)器時,根服務(wù)器與轉(zhuǎn)接服務(wù)器的IP地址需同時記錄在DTI客戶端的路由表中,同時DTI根服務(wù)器不能跟蹤其他服務(wù)器,以防止成環(huán)。因此在通信組網(wǎng)中還需要考慮每種類型DTI設(shè)備的路由表容量以及跟蹤規(guī)則。

(2)組網(wǎng)保護

在組網(wǎng)保護方面,DTI已經(jīng)考慮到參考源、DTI服務(wù)器、鏈路以及卡板的保護機制。在通信組網(wǎng)中仍然面臨兩方面的挑戰(zhàn),一是基于多服務(wù)器的選源算法問題。在PTP(精確時鐘同步協(xié)議)中目前已有成熟的BMC(最佳主時鐘)算法[7]可解決域內(nèi)的最佳時鐘源選擇與端口狀態(tài)的決定機制,而DTI幀中并沒有規(guī)定相應(yīng)的字節(jié)用于自動選源與端口狀態(tài)的判決,因此在大規(guī)模組網(wǎng)中還需要進一步研究多服務(wù)器的選源問題。二是對進行保護時切換恢復(fù)時間的考慮。進行保護倒換時相位跳變和相位不連續(xù)性應(yīng)滿足電信級網(wǎng)絡(luò)標準的要求,同時進行保護倒換后應(yīng)能實現(xiàn)自動時延補償,這些均是在組網(wǎng)保護方面需進一步研究的問題。

(3)與現(xiàn)有通信網(wǎng)的兼容性

目前DTI服務(wù)器的主時鐘頻率為10.24 MHz, DTI客戶端的時鐘頻率有10.24與9.216 MHz兩種。DTI設(shè)備的協(xié)議、主頻、接口與有線電視網(wǎng)設(shè)備是兼容的,但在通信網(wǎng)中由于同步實現(xiàn)機理的不同, DTI協(xié)議還無法與通信網(wǎng)中所應(yīng)用的PTP、NTP(網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議)兼容統(tǒng)一。此外通信網(wǎng)中多種設(shè)備經(jīng)過電處理后會引入一定的時延,經(jīng)過多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點后會嚴重影響到DTI的時間精度,因此進行DTI透傳時需避免經(jīng)過設(shè)備的電處理,目前比較可行的方案是將DTI視為業(yè)務(wù)信號作透傳處理;在主頻方面,通信網(wǎng)中多采用2 Mbit/s與2 MHz的頻率輸入?yún)⒖?因此要求DTI設(shè)備支持相應(yīng)的分頻與倍頻處理;接口方面要求DTI設(shè)備支持2 Mbit/s與2 MHz的頻率接口以及1 pps+ToD等時間接口,并可實現(xiàn)多接口及多協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

3　UTI在通信網(wǎng)中的應(yīng)用場景分析

上述分析驗證了DTI技術(shù)具備在通信網(wǎng)中進行組網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)可行性。本文提出將DTI技術(shù)移植到通信領(lǐng)域中,通過DTI參數(shù)的轉(zhuǎn)化與重定義,進行時間和頻率信號的統(tǒng)一分配與傳送,并將該技術(shù)初步命名為UTI(通用定時接口)技術(shù)。為了滿足通信網(wǎng)中各種業(yè)務(wù)設(shè)備的同步及組網(wǎng)需要,提出了3種UTI應(yīng)用場景。

(1)局內(nèi)定時分配

在場景1局內(nèi)定時分配中,可通過UTI技術(shù)實現(xiàn)局內(nèi)設(shè)備或裝置與局內(nèi)同步設(shè)備間的自動時延補償,有效保證同步精度。UTI用于局內(nèi)定時分配有兩個實現(xiàn)目的,一是為局內(nèi)的設(shè)備提供定時分配,衛(wèi)星接收機通過天饋線從GPS蘑菇頭獲得衛(wèi)星信號,轉(zhuǎn)換為DTS后由UTI服務(wù)器發(fā)送至定時分配單元,再由定時分配單元提供多接口為局內(nèi)的被授時設(shè)備、UTI客戶端和UTI級聯(lián)服務(wù)器提供高精度的同步信號;二是為主備用定時單元提供同步基準,保證系統(tǒng)可靠性。為保證可靠性可在UTI服務(wù)器上配置主備板卡實現(xiàn)板卡保護,也可設(shè)置主備UTI服務(wù)器提供時間源保護,通過UTI技術(shù)使主備板卡或設(shè)備時間同步,當板卡或設(shè)備失效后,可減少相位跳變或相位不連續(xù)性。

(2) 時鐘源監(jiān)控比對

UTI技術(shù)的另一個應(yīng)用場景是進行多源頭的相互監(jiān)控與比對,從而實現(xiàn)基準源頭的全同步。異地的3個銫鐘源之間通過UTI技術(shù)將本地的同步信號發(fā)送至對端,對端接收到DTS信息后可實現(xiàn)兩兩比對與性能監(jiān)控。UTI技術(shù)可應(yīng)用在同一根光纖上,規(guī)避了光纖不對稱帶來的非對稱時延誤差,可在數(shù)十公里范圍內(nèi)達到ns級的時間精度,因此這種異地時鐘源比對性能理論上可達到同局內(nèi)時鐘源組的比對效果。場景2時鐘源監(jiān)控比對可為通信網(wǎng)絡(luò)的同步源頭提供監(jiān)控、比對和校準服務(wù),還可將現(xiàn)有的頻率基準和時間基準溯源到地面的國家級時頻基準上,組建光纖授時網(wǎng)絡(luò),從而根本上擺脫對衛(wèi)星授時系統(tǒng)的依賴。

(3) 時頻同步組網(wǎng)

UTI協(xié)議不但帶有DTS信息,還具有10.24 MHz的頻率分量,可同時進行時間和頻率信號的傳送,兼容現(xiàn)有通信網(wǎng)中所有需同步的系統(tǒng)與

設(shè)備,采用緊耦合方式進行時間和頻率的統(tǒng)一傳送還可充分利用網(wǎng)絡(luò)資源,降低同步網(wǎng)建設(shè)成本。場景3時頻同步組網(wǎng)中可要求傳送網(wǎng)絡(luò)對UTI信號進行透傳,實現(xiàn)UTI服務(wù)器至UTI客戶端的端到端時間及頻率信號統(tǒng)一傳送,UTI客戶端可提供UTI時間頻率的統(tǒng)一接口或獨立的時間和頻率接口。在場景3中需要重點研究的是不同傳送技術(shù)對UTI時間精度的影響、UTI信號的保護技術(shù)以及時間和頻率信號的關(guān)聯(lián)機制。

4 結(jié)束語

DTI技術(shù)可同時進行時間和頻率信號的傳送,時間精度可達到ns級,并可實現(xiàn)自動時延補償,在通信領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)用前景。本文提出將DTI技術(shù)借鑒并移植至通信網(wǎng)中,定義為UTI技術(shù),在DTI向UTI移植的研究過程中,重點是要解決關(guān)鍵參數(shù)的轉(zhuǎn)換問題。目前UTI在通信網(wǎng)應(yīng)用中仍存在一些問題,需要進一步研究與探討,如傳輸距離、組網(wǎng)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)管理,同時UTI在通信網(wǎng)中的標準化工作也需要開展與推進。

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無線通信技術(shù)

光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

Applications and Research of DTI in Communication Networks

LüBo1,CHEN Xue-feng2,ZHOU Xiao-dong2,PAN Feng1,HU Chang-jun1
(1.China Academy of Telecommunication Research,Beijing 100191,China;
2.State Grid Fujian Power Ltd.,Fuzhou 350003,China)

Abstract:In this paper,we make an exploratory study on the applications of the time synchronization technology named DOCSIS Timing Interface(DTI)adopted in the radio and television networks to communication networks,analyze the key issues required to be solved for its applications in communication networks in connection with the technical characteristics of DTI and conclude that it is feasible for the DTI technology to be transplanted to the communication networks after parameter conversions and become Universal Timing Interface(UTI)technology.Finally,we analyze and look into the prospect of the applications of the UTI technology in the communication networks.

Key words:time synchronization;frequency synchronization;DTI;UTI;communication network

中圖分類號:TN915

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0008-03

收稿日期:2015-03-17

基金項目:國家電網(wǎng)公司科技項目(52018E140001);國家科技重大專項資助項目(2014ZX03003005-002)

作者簡介:呂博(1981-),男,河北秦皇島人。高級工程師,博士,主要研究方向為光通信和同步。

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.003