（通信与信息系统专业论文）分组传送网络自适应时钟同步技术研究及应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着网络技术的高速发展，基于电路交换方式的传统时分复用t d m 网络将朝着分 组传送网络p t n o a c k e tt r a n s p o r tn e t w o r k ) 的方向发展，实现传统通信网络与目前应用 广泛的p t n 网络融合已成为建设多业务融合网络的重要环节。但在实现传统通信网络 和p t n 网络的融合过程中，会出现许多问题，比如如何保障分组传送网络中传送t d m 业务的服务质量q o s 、数据封装类型的互通、定时信息的分配等。具有实时性要求的 同步业务在p t n 网络中传送时，如何保证p t n 网络的时钟同步是实现同步业务同步传 输首先要解决的问题。 基于包交换方式的p t n 网络起初是为传输异步数据而建立，各通信节点之间数据 以异步方式传输，且不需要严格的时钟同步。如果考虑在p t n 网络上传送传统t d m 业 务，必须考虑p t n 网络中同步定时信息分配问题。实现分组传送网络定时信息分配可 以采用外部时钟同步法、同步以太技术或数据包方式的自适应时钟恢复算法 a c r ( a d a p t i v ec l o c kr e c o v e r y ) 。其中外部时钟同步法和同步以太技术都需要相关硬件 设备支持，这加大了网络建设成本。自适应时钟恢复算法可以完全采用软件方式实现 同步时钟恢复与同步，从而大大降低了网络建设成本，但这种技术受p t n 网络包传输 延时变化p d v ( p a c k e td e l a yv a r i e t y ) 影响，需要在终端设备上设计好的滤波算法来实现 时钟同步。 本文是在p t n 网络的自适应时钟同步技术的基础上，采用基于时间戳方式的自适 应时钟恢复方法，在一块具有1 6 路e 1 接入并提供分组传送功能接入单板的f p g a 芯片 中，实现p t n 网络承载t d m 业务的2 m 业务时钟恢复与同步。通过提取分组数据包中时 间戳信息来控制本地时钟恢复的方式( 主要提取1 s 时间内p t n 网络最小延时进行滤波操 作】，从而消除p t n 网络p d v 和网络丢包对时钟恢复性能影响。其中，时钟同步方案主 要完成时戳运算模块的设计，时戳运算模块完成数字信号处理功能，即时戳信息的处 理。本设计没有使用专门的数字信号处理器d s p 芯片，而是用f p g a 内部定制的n i o si i 软核来进行数字信号处理。n i o si i 软核实现数字信号处理器功能，并生成控制直接数字 频率合成器d d s ( d i r e e td i g i t a ls y n t h e s i z e r ) 输出频率的频率控制字f c w ( f r e q u e n e y c o n t r o lw o r d ) 。t d m 业务的2 m 业务时钟恢复通过控制脉冲溢出型d d s 来完成，其中频 率合成器没有采用专用的d d s 芯片，而在f p g a 芯片中设计一相位累加器来实现d d s 功 能，并通过相位累加器的最高位输出获得2 m 时钟。设计中为了加快恢复时钟锁定于发 送端时钟的速度，设置了时钟快锁和慢锁。快锁应用于系统工作初期，主要采用最小 二乘法求出接收端与发送端的初始频偏，生成控制d d s 输出频率的f c w ；慢锁主要对 网络延时数据进行7 6 阶f i r 滤波，输出f c w 。 为了验证本设计的可行性，进行了实际组网测试。测试结果表明，恢复时钟同步 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 性能可以满足i r r u tg 8 2 3 中规定的2 m q l t 务接口+ _ 5 0 p p m 频偏和相关标准的要求，且该 时钟同步方案成功实现了p t n 网络承载t d m 业务的2 m 业务时钟同步功能。 关键词：p t n ；自适应时钟恢复；时钟同步；时间戳；频率控制字；d d s ；2 m 时钟 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 li 页 a b s 订a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h et r a n d i t i o n a lt d mn e t w o r kb a s i n g o nc i r c u i t - s w i t c h e dt o w a r d sp a c k e tt r a n s p o r tn e t w o r k ( p t n ) a n dr e a l i z i n gt h ec o m b i n a t i o n o ft r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa n dw i d e l yu s e dp t nh a v eb e c o m eai m p o r t a n tp a r t o ft h ec o n s t r u c t i o no fm u l t i s e r v i c ec o n v e r g e n c en e t w o r k b u td u r i n gt h ep r o c e s so fr e a l i z i n g t h ec o m b i n a t i o no ft h et r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k sa n dp t n ，t h e r ew i l lb eal o to f p r o b l e m s ，s u c ha sh o wt op r o t e c tt h eo o s o ft d ms e r v i c e so v e rp t n ，d a t ae n c a p s u l a t i o n t y p e ，a n dc l o c ki n f o r m a t i o n d i s t r i b u t i o na n ds oo n w h i l et r a n s m i t t i n gs y n c h r o n i z a t i o n s e r v i c e s 丽t 1 1r e a l - t i m er e q u i r e m e n ti np a c k e tn e t w o r k s ，h o wt oo n s u r ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o n o fp t ni st h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mt ob es o l v e df i r s t l y t h ep t nb a s i n go np a c k e t - s w i t c h e dw a so r i g i n a l l ye s t a b l i s h e df o rt h et r a n s m i s s i o no f a s y n c h r o n o u sd a t aw h i c hw a st r a n s m i t t e da s y n c h r o n o u s l yb e t w e e nn o d e s ，a n dt h ep t n n e t w o r kd o e sn o tr e q u i r es t r i c td o c ks y n c h r o n i z a t i o n i fc o n s i d e r i n gt r a n s m i t t i n gt h e t r a d i t i o n a lt d ms e r v i c e so v 6 tt h ep t n ，w em u s tc o n s i d e rt h ed i s t r i b u t i o no fs y n c h r o n i z a t i o n t i m i n gi n f o r m a t i o no v e rt h ep t n t i m i n gi n f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o no v e rt h ep t n c a nu s et h e e x t e r n a lc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，s y n c h r o n o u se t h c m e tt e c h n o l o g yo rp a c k e t - b a s e da d a p t i v e c l o c kr c c o v c r y ( a c r ) e x t e r n a lc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na n ds y n c h r o n o u se t h c m e t t e c h n o l o g yn c c dt h e r e l a t e dh a r d w a r es u p p o r t , w h i c hi n c r e a s e st h ec o s to fn e t w o r k c o n s t r u c t i o n t h ea c rc a nu s et h es o r w a r ep r o g r a mt oa c h i e v es y n c h r o n o u sc l o c kr e c o v e r y a n dc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，w h i c hr e d u c e st h ec o s to fn e t w o r kc o n s t r u c t i o nm o s t l y , b u tt h i s t e c h n o l o g yi sa f f e c t e db y p a c k e td e l a yv a r i c t y ( p d v ) o fp t n ，d e s i g n i n g9 0 0 df i l t e r i n g a l g o r i t h mi st h ek e yt or e a l i z et h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o n a f t e rr e s e a r c h i n go nt h ea c rt or e a l i z et h ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o no fp t n ，a n dt h e no n a f p g ao fas i x t e e nc h a n n e l s e 1a c c e s s i n gb o a r d ，w h i c hs u p p o r t st h ep a c k e t st r a n s p o r t , u s i n g a na c rm e t h o db a s e do nt h ep a c k e t st or e a l i z et h e2 mc l o c kr e c o v c t yo ft d ms e r v i c eo v e r p t n b ye x t r a c t i n gt h et i m e s t a m pi n f o r m a t i o ni nt h ep a c k e t st oc o n t r o lt h el o c a lc l o c k r e c o v e r y , o v e ne x t r a c t i n gt h el e a s td e l a yo fp a c k e td e l a yd u r i n go n e m i n i m u mt ob ef i l t e r e d t oe l i m i n a t et h ee f f e c to fp d va n d1 0 s so fp a c k e t so nc l o c kr e c o v e r y t h em a i nt a s ko ft h i s c l o c ks y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ei st od e s i g nat i m e s t a m pp r o c e s s i n gu n i t , w h i c hr e a l i z e st h e f u n c t i o no fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) f u n c t i o nt op r o c e s st h et i m e s t a m pi n f o r m a t i o n i n t h i sd e s i g nw ed o n tu s et h es p e c i a ld s pc h i p ，b u ti naf p g ac h i pb yc u s t o m i z i n gt h en i o si i c o r et oo u t p u tf r e q u e n c yc o n t r o lw o r d ( f c 哪t oc o n t r o lt h eo u t p u tf r e q u e n c yo fd i r e c t d i g i t a ls y n t h e s i z e r ( d d s ) ，a n dt h en i o su c o r er e a l i z e st h ef u n c t i o no fd s et oc o n t r o la 西南交通大学硕士研究生学位论文第f v 页 p u l s eo v e r f l o wd d s t or e c o v e r y2 mt r a f f i cc l o c ko ft d m s e r v i c e ，b u tw ed o n tu s et h e s p e c i a ld d sc h i p ，i n s t e a do fd e s i g n i n gap h a s ea c c u m u l a t o ra n dg e tt h e2 mc l o c ko u t p u t t h o u g ht h em o s ts i g n i f i c a n tb i t ( m s b ) o fp h a s ea c c u m u l a t o r i no r d e rt os p e e du pt h e r e c o v e r yc l o c kl o c k i n gt ot h et r a n s m i t t e r d o c k , d e s i g nd o c kf a s tl o c ka n ds l o wl o c kt o d y n a m i c a l l yc o n t r o lt h er e c o v e r yo fl o c a ld o c k d u r i n gf a s tl o c kp r o c e s st h el e a s ts q u a r e s m e t h o di su s e dt oo u t p u tf r e q u e n c yc o n t r o lw o r d ( f c w ) t oc o n t r o lt h eo u t p u tf r e q u e n c yo f d d s ；d u r i n gt h ep r o c e s so fs l o wl o c kt h e7 6o r d e rf i r f i l t e ri su s e dt oo u t p u tf c w i no r d e rt oc h e kt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sd e s i g nw ec a r r y e do u ts o m et e s t s ，t h et e s tr e s u l t s s h o wt h a tt h er e c o v e r yc l o c kp e r f o r m a n c em e e t s2 mt r a f f i ci n t e r f a c es t a n d a r do f + 5 0 p p m f r e q u e n c yo f f s e ts p e c i f i e di ni t u tg 8 2 3a n do t h e rr e a l a t e ds t a n d a r dn e e d s ，a n d1 1 1 i sc l o c k s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m es u c c e s s f u l l ya c h i e v e sd o c ks y n c h r o n i z a t i o no ft d m s e r v i c e so v e r p t n k e yw o r d s ：p t n ；a d a p t i v ec l o c kr e c o v e r y ；c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ；t i m e s t a m p ；f c w ； d d s ；2 mc l o c k 西南交通大学硕士研究生学位论文第vl f 页 英文缩写表 p t n q o s t d m a c r p d v d d s f c w m p l s o a m m 匝 c e s p s 田n p c m t o p p w e 3 i w f l d p r t p c e s o p s n s a r o p t m t m t d e v p a c k e tt r a n s p o r tn e t w o r k分组传送网络 q u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x时分复用 a d a p t i v ec l o c kr e c o v e r y 自适应时钟恢复 p a c k e td d a yv a r i e t y包延时变化 d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r直接数字频率合成器 f r e q u e n c yc o n t r o lw b r d频率控制字 m u l 邱l cp r o t o c o ll a b ds w i t c h i n g 多协议标签交换 o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e操作管理维护 m c r t oe t h e r n e t城域以太网 c i r c u i te m u l a t i o ns e r v i c e电路仿真业务 p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k公用电路交换网 p u l s ec o d em o d u l a t i o n脉冲编码调制 t i m eo v e rp a c k e t分组数据携带定时 p s e u d ow e m u l a t i o ne d g et oe d g e 边缘伪线仿真 i n t e rw o r k i n gf u n c t i o n内部功能单元 l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l标签分配协议 r e a lt i m ep r o t o c o l实时传输协议 c i r c - a i te m u l a t i o ns e r v i c eo v e rp a c k e ts w i t c h e dn e t w o r k 结构化仿真传输 s t r u c t u r e - a g n o s t i ct r a n s p o r to v e rp a c k e t非结构化传输 t i m ei n t e r v a le r r o r 时间间隔误差 m a x i m u mt i m ei n t e r v a le r r o r。最大时间间隔 t i m ed c v i a t i o n时间偏差 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景与意义 第1 章绪论 s d h 传输网络主要为以语音信号为代表的电路交换性业务而设计的传输技术体 制，经过了2 0 多年的发展，也成为电信网络的重要传输技术之一。目前通信市场正高 度动态地向愈加丰富和不断增长的按需服务的环境发展。基于口的内容、应用、及业 务不断扩大，在电信数据业务中，p 业务已经占9 5 以上，我国骨干网口业务流量已 经高达9 0 以上【l 】。口技术是基于包交换和传输的分组传送技术之一，中国p t n 市场的 快速发展已经呈现出大规模商用的趋势。分组技术优点是能够非常灵活地利用网络资 源，带宽的颗粒性好；传送技术吸收了s d h 传送网的丰富传送网经验，具有高可靠性、 易操作维护管理和强大的可运营等电信级特征【2 】。分组传送技术融合了分组技术和传送 网技术的优势，成为传送网发展方向。分组传送网络能够对分组业务提供高效统计复 用传送，网络结构支持分层分域，具有良好的可扩展性，可以提供可靠的网络保护及 o a m ( o p c r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ) 管理功能，具备完善的q o s 功能，兼容传统t d m 、a t m 、 f r 等业务的综合传送，支持分组的时间及时钟同步【3 】。和p t n 技术的优势相比，独立 的s d h 传输技术在灵活性和效率方面的不适应逐渐显现。实现s d h 传输网路和分组传 送网络的融合，固定网络和移动网络的融合，多媒体、视频、语音等业务的融合，将 是建设多业务融合网络的必然趋势。 分组传送网从实现分组传送网的核心技术来分类，主要有以以太网为承载网络的 分组传送技术( 也可称作电信级以太网) 和基于多协议标签交m p l s ( m u l t i p l ep r o t o c o l l a b e ls w i t c h i n g ) 的分组传送技术。电信级以太网由城域以太网论坛提出，最早被称为 城域以太网m e ( m e r t oe t h e r n e t ) ，从2 0 0 5 年开始城域以太网论坛在其会议和标准中开始 使用c e ( c a r r i e re m e m c t ) 的名称【4 j 。电信级以太网具有总体效能高、成本低廉的特性， 而被网络运营商广泛看好。电信级以太网具有提供标准化业务传输、可扩展性、可靠 性、高网络服务质量、业务可管理性5 大特征，并以此来衡量以太网业提供业务的能力 和类型。利用c e 可以在以太网上承载运营级数据传送业务，实现多业务融合网络建设 或提供快速低廉的专线业务，这也是网络分组化传输发展趋势和运营商实现业务转型 的需求。基于m p l s 的分组传送技术，主要采用m p l s 网络作为承载网络。m p l s 是一 种用标签进行快速数据包交换和路由的体系。它在数据转发时，只在网络边缘进行口 识别、分类、封装标签，核心交换机只根据d 报文头的标签进行交换，而不用在每一 跳都分析口报文，从而节省了时间，提高了转发速度i s 。 基于包交换方式的以太传送技术，经过长期发展，已具备大量的硬件基础设施， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 技术比较成熟，当使用以太网传输数据时成本低廉，支持多播和良好的管理能力。以 太分组传输技术是在改进现有以太网传输技术发展而来，主要通过以太数据包上添加 帧头或标签，添加操作管理维护o a m 开销来满足可管理、可扩展、高可靠性和高服 务质量q o s 的需求。 在实现多业务融合网络建设过程，不同网络时钟同步问题、网络丢包、网络拥塞、 传输安全等问题都值得考虑，解决时钟同步问题是实现同步业务传送和非同步传输网 络融合的首要问题。利用分组传送网络承载语音数据通信业务也是实现建设多业务融 合网络总要组成部分。v o d 技术的出现为在口网络上传送单纯语音业务提供了成功的 解决方案，这是一种基于分组交换网络的语音交换技术【6 】。利用分组网络传送t d m 业 务，不但能实现语音信号的传输，还能实现数据业务的传送。 s d h 是同步传输网络，通过s d h 网络承载语音数据业务通信，成功解决了语音和 数据通信终端的时钟同步问题。分组传送网络采用数据包方式实现数据传输与交换， 属于非同步传输网络范畴。分组网络中各节点数据异步传输，无需严格的时钟同步。 如果考虑在分组传送网络上传送t d m 业务、口t v 、3 g 等对实时性要求较高的业务， 必须考虑分组网络的同步问题，业界提出了几种实现分组传送同步的技术方案，如外 部时钟同步法、以太网物理层同步、i e e e1 5 8 8v 2 、1 5 8 8a c r 、c e sa c r 等【7 】【8 】【9 】。 采用a c r 技术可以在通信双方没有共同参考时钟基础上，实现穿越异步通信网络 的同步传输，只需要通信终端设备支持自适应时钟恢复即可实现通信双方的时钟同步 功能，并且a c r 技术可以利用便宜的分组传送网络，降低网络建设成本。但采用a c r 技术在通信终端设备实现同步时钟恢复的性能受中间分组传送网络包传输延时变化影 响较大。由于中间传输网络不恢复同步时钟，以及受业务流量和网络拓扑结构等的影 响，报文延时抖动较大，这就需要通信末端网元尽量滤除延时抖动对时钟恢恢复性能 影响。 a c r 技术主要包括1 5 8 8a c r 和基于电路仿真业务c e s ( c i r c u i te m u l a t i o ns e r v i c e ) 的a c r 技术。1 5 8 8a c r 技术以成熟的1 5 8 8v 2 协议为基础，有专用的时钟报文，互 通性好；c e sa c r 技术没有专用的时钟报文，时钟信息放在c e s 业务报文中传递，而 且1 5 8 8v 2 主要用于实现时间同步的场厶【加1 1 1 。1 5 8 8 a c r 采用时间戳方式恢复时钟， 利用源时钟产生时间戳，并使用专用的同步报文传送发送端时钟信息。通信终端记录 同步报文到达时间，同时产生到达时间戳，利用源端时间戳和本地时间戳计算得到控 制本地时钟的控制信息，完成本地时钟恢复。c e s a c r 目前主要有二种实现方式：自 适应模式下的f i f o 方式和自适应模式下的时戳方式。自适应模式下的f i f o 方式实现 时钟恢复功能，主要根据接收侧接收f i f o 填充情况，通过对f i f o 填充情况的实时监 测得到水线差值，并利用数字滤波技术对这些水线差值进行滤波处理后，生成控制本 地时钟输出的控制信息，完成本地同步时钟恢复，从而实现源端和接收端频率同步。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 f i f o 模式下的自适应时钟同步对网络丢包较为敏感，而其恢复时钟变化滞后于源端时 钟变化情况较明显，容易导致恢复时钟漂移过大；自适应模式下的时戳方式和f i f o 方 案有很大不同，类似1 5 8 8a c r 实现本地时钟恢复方案，利用源端时钟产生时间戳，但 在业务报文头部中的时间戳域携带源端时钟信息【1 2 】。接收端记录携带源端时钟信息报 文到达时间，同时产生到达时间戳，利用源端时间戳和本地时间戳计算得到控制本地 时钟的控制信息，完成本地时钟恢复，从而实现源端和接收端频率同步。采用时间戳 方式的时钟恢复机制和f i f o 方式的自适应时钟恢复方案相比，降低了对了网络丢包率 对时钟恢复性能的影响。基于时间戳方式的时钟同步，具有网络建设成本低廉，对网 络丢包不敏感的特性。本文在此基础上设计了一种时间戳方式的自适应时钟同步方案， 并进行了相关的测试验证工作，测试结果显示时钟恢复同步性能满足相关标准要求。 1 2 时钟和时间同步网 同步网是通信网一个不可缺少的重要组成部分，是保障良好的通信网络定时与同 步性能的关键所在，通信系统中的同步技术包括频率同步和时间同步两个方面。频率 同步即时钟同步，指通信过程中所使用时钟信号频率保持严格的特定关系，相对应的 有效瞬间以同一速率出现，以维持通信网络中设备运行速率的一致；通常所说“时间 同步，具有两层含义：时间间隔和时刻。前者指两个瞬时时刻之间的间隔，后者指连 续时间的某一时刻。通信网络的时间同步指接收设备按照接收时间调控设备内部时刻 和时钟，即时间同步包括时钟频率和时钟相位的调控 1 3 】。 在要求时钟同步的通信系统中，当各设备时钟同步运行时，各通信设备节点工作 速率相同，或时钟频率偏差控制在规定的偏差范围内，从而使通信网络中各数字通信 节点设备正确实现数字比特流的有效处理、交换与传输【1 4 1 。通信系统中，如果发送设 备的时钟频率快于接收的时钟频率，接收端就会周期性地丢失一些送给它的信息，产 生漏读滑动；如果接收端的时钟频率快于发送端的时钟频率，接收端就会周期性地重 读一些给它的信息，产生重读滑动【”】。采用缓冲区存储控制数字滑动的数字通信设备 中，是通过再定时原理使发送端和接收端时钟保持同步工作，即从写入数字比特流中 提取定时信息作为写入定时，以系统时钟作为数字比特读出定时，如图1 1 所示。 图1 - 1 缓冲区存储控制数字滑动原理 数字通信网络中，模拟信号经过采样、量化、编码后传递编码后的p c m ( 蹦s ec o d e 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 m o d u l a t i o n ) 离散脉冲，若数字通信终端或中间交换设备运行时钟频率不一致，或者数 字信号在传输过程中，由于网络传输延时、外界干扰等，而叠加了相位的抖动或漂移， 就会导致数字码元丢失或重复，严重影响了数字通信网络的可靠性n 们。因此，实现通 信网络时钟同步是保证高质量通信的首要条件。 和时钟同步相比，时间同步在调控方式上有所不同，时间同步可以通过接收非连 续的时间信息非连续地调控设备时钟，而时钟同步需要进行周期性的调节。通信设备 时间同步主要实现设备授时和守时【1 7 】。授时就是“对表 ，通过接收非连续的时间信 息进行不定周期的对表动作，保证本地时钟和标准时钟相位的同步；守时及频率同步， 保证在对表的时间间隙内，本地时刻和标准时刻偏差在一定范围内【1 8 】。时钟同步和时 间同步的区别可以用图1 2 说明。如果表a 和表b 处于时间同步状态下，则两表每时每刻 的时间都一致；如果两个表时刻不一致，但始终保持一个恒定的差值，比如4 小时，这 个状态叫频率同步。总的来说，时钟同步不要求时钟相位的对齐；而时间同步，不但 要求时钟频率大小一致，还要求时钟相位的严格对齐。 薯已 时阿同步 囊蟹 一 拟 榭：可一万一” 图1 - 2 时间同步和时钟同步区别 1 3 网络分组化传输发展过程中的同步问题 随着网络技术的高速发展，无论是移动网络还是固定网络都将向基于包交换的分 组传送网络p t n 发展，电信网络从传统的公用电路交换网p s t n ( p u b l i cs w i t c h e d t e l e p h o n en e t w o r k ) 逐步向分组网络演进成为大势所趋，这也是建设多业务融合网络的 必由之路。包交换网络主要处理异步数据，不需要考虑定时与同步，只有在传统的p s t n 网络中，定时与同步才显得非常重要【1 9 】。随着通信技术的高速发展，我们也认识到， 即使包交换本身不需要时钟同步，但应用层会有大量的业务需要精确的同步需求，这 就需要下层的承载网络满足上层应用的同步需求。+ 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 1 分组传送网络同步需求 目前利用应用广泛的分组网络承载同步业务需求越来越高，特别是在利用分组传 送网络承载同步业务。利用分组网络承载同步业务需要分组网络能够提供精确定时和 同步功能。可以采用多种方式为通信节点提供精确参考时间，但要求定时信号具有公 认的标准格式和特性。 在传统的t d m 网络中很容易解决时钟同步问题。例如在建设t d m 网络时，同时 建立一个同步定时信息分配网络，同步定时信息网络向t d m 网络中各通信节点设备提 供跟踪于网络基准参考时钟的同步定时信息。采用异步传输体制的分组传送网络中， 没有专门的同步定时信息分频网络，当考虑在分组传送网络上承载同步传输业务时， 需要采用特定的时钟同步机制，保障穿越分组传送网络同步业务的同步传输。 1 3 2 分组传送网络承载传统t d m 业务定时需求 通信网络在向分组化传输方向发展过程中，遗留的大量p s t n 、t d m 业务需要进 行统一的接入与传送，s d h 传送网络将被分组传送技术替代，分组传送技术将成为主 流的传送网承载技术【2 0 】。网络运营商可以在分组传送网络承载可获得高额利润的e l 专线业务；e 1 f e 混合接入或者独立e 1 设备业务也可以利用分组网络承载。如图1 3 所示，在基于包交换技术的分组交换网络中承载t d m 等传统业务( 如n x6 4 k b i t s 、 e 1 等) ，需用重点考虑分组网络定时与同步问题。 图1 - 3 分组传送网络对传统z d k l 业务支持导致的同步需求 t d m 业务、p s t n 等业务在利用分组网络承载时，便产生了定时和同步需求。网 络分组化传送并不能消除我们对t d m 业务的需求，因此有必要对分组网络如何承载 t d m 业务、时钟同步技术进行深入研究。在基于a t m 传输网络初期，采用电路仿真 c e ( c i r c u i te m u l a t i o n ) 技术承载t d m 业务，采用这种技术承载t d m 业务被称作电 路仿真业务c e s ( c i r c u i te m u l a t i o ns e r v i c e ) 。从2 0 0 3 年开始，i t u ts g l 5 、s g l 3 便开 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 始了利用分组网络承载t d m 业务的标准化研究。网络带宽、分组传送延时、抖动和精 确的定时同步是实现分组网络承载传送t d m 、p s t n 等业务的关键技术【2 1 。 分组传送网络基于统计复用方式实现分组数据的交换和传输，分组传送网络物理 链路中不存在有效的定时传送机制，当考虑在分组传送网络上承载同步传输t d m 业务 时，t d m 接收端无法直接通过简单的时钟恢复方式恢复发送端时钟信息来重建发送端 t d m 码流。其次，分组传送技术的信道是共享的，分组数据采用存储转发机制，数据 包传输延时将无法控制，即数据包延时变化具有随机性，延时变化受网络用户数、网 络带宽、业务类型等影响较大。 1 4 同步增强技术在实现分组传送网络时钟同步上的应用 1 4 1t o p 技术在分组传送网络同步上应用 t o p ( t i m eo v e rp a c k e t ) 最早在i r r u tg 8 2 6 1 中提出，接收端从接收到的时钟报文中 恢复时钟，可以支持多点或点对点传输方式。利用分组传送网络实现定时信息传送， 可以考虑将包含发送端时钟信息的定时信息像处理发送端业务信息一样，封装成数据 包形式，利用分组传送网络完成携带发送端时钟信息的数据包存储转发与传输。接收 端从接收到时钟报文信息中提取定时信息，并采用一定的时钟恢复算法恢复源端时钟， 并利用恢复时钟恢复出数据业务流，图1 4 说明了采用t o p 技术实现分组传送网络时 钟同步原理。 ，口、 i。l 时问标签产生l j l 髓鹏一 i 时阃标签处理l i 图1 - 4t o p 技术实现分组传送网络时钟同步原理 采用t o p 技术实现分组传送网络时钟同步，时钟恢复与同步主要受中间分组传送 网络的包延时变化影响较大。网络传输延时包括固有延时和可变延时，在传输路径固 定情况下，固有延时可以根据信息传输速率和路径长途计算得到，但可变延时即网络 包延时变化p d v 具有不可预测性，可以在一定范围内波动甚至是无法预料的传输延时 值。接收端接收到携带发送端时钟信息报文的p d v 变化如图1 5 所示。其中发送端以 一定的时间间隔、均匀地发送定时数据包，但接收端接收到数据包的延时变化值将呈 现出随机性。中间分组交换网络对数据包采用存储转发方式传输而存在处理延时等的 影响，携带源端时钟信息的定时信息在穿越中间分组网络过程中受到分组传送网络 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 p d v 的影响较大瞄】。 渊 士士土土土土i i i 士土 一 图1 - 5 分组传送网络的p d v 变化情况 1 4 2c e s 技术在分组传送网络同步上应用 电路仿真c e s 技术最早应用于a t m 网络中，用于在分组网络中仿真基于电路交 换的业务，通过a a l 适配层协议承载固定速率的实时性业务【2 3 】。在分组传送网络上实 现电路仿真，就是在分组传送网络上建立专用“隧道 ，在隧道中实现业务的透明传输。 数据和信令在进入分组传送网络之前，被封装成适合在分组传送网络中传送和交换的 数据包形式，并在“隧道 中传输到对端设备，对端端设备对收到数据包后进行解封 装操作还原原始数据流。 电路仿真技术提供了一种从传统电路交换网络p s t n 向分组传送网络过渡的方案。 通过把t d m 数据流封装成适合在分组传送网络中传输的数据包形式传输，接收端从封 装数据包中恢复出原始t d m 数据流。电路仿真技术工作原理如图1 - 6 所示。采用电路 仿真技术在分组交换网络上透传t d m 业务时，接收端需要恢复出发送端时钟信息，其 时钟恢复方法可分为非同步和同步两类【2 4 1 。非同步方式恢复时钟方式下，主要采用自 适应时钟恢复技术a c r 。在没有公共参考时钟情况下，接收端提取接收到数据包中提 供的发送端时钟信息来恢复发送端时钟：同步方式下的恢复时钟，需要发送端和接收 端都具备跟踪于高精度和高稳定度的的公共参考时钟。在采用同步方式下恢复时钟， 需要维护公共参考时钟，这加大了网络建设成本，相比之下采用a c r 技术恢复时钟具 有更强的灵活性，网络建设成本更低廉【2 5 1 。 t d m 设鲁 删 ( 唧 ( 专删， 1 1 d l m 设鲁 ( t l e 1 ) ( t i 肥1 ) 、 客户i 眩鲁 客户囊设备 基于髑的电膏仿真生务 图1 - 6c e s 技术技术工作原理 t o p 和c e s 技术都可以在穿越未知网络情况下，传递同步时钟信息。源端时钟信 息封装在特定报文中透传到接收端，接收端从接受报文中提取源端时钟信息，按照一 定的时钟恢复算法恢复本地时钟，实现源端和接收端业务的同步传输。但t o p 和c e s 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 技术用于封装时钟信息的报文是不同的，t o p 技术利用专门时钟报文封装并传递源端 时钟信息，如i e e e l 5 8 8 报文，而c e s 技术在业务报文中封装和传递源端时钟信息， 如伪随机序列p w e 3 ( p s e u d ow e m u l a t i o ne d g et oe d g e ) 报文 2 6 】。 1 4 3 同步以太技术在分组传送网络同步上应用 同步以太网技术是一种通过物理层p h y 芯片恢复同步时钟实现分组传送网络时钟 同步的技术。以太网物理层采用4 b 5 b ( f e ) 或8 b 1 0 b ( g e ) ，即对于f e 链路数据平均每4 个比特就要插入1 个附加比特，g e 链路数据频率每8 个比特插入2 个附加比比特，通过 这种方式减少数据连0 或连1 个数，并可有效地包含时钟信息。源端采用高精度的基准 时钟发送数据，但定时信息传递和时钟恢复都只在p h y 层完成，上层业务流量将不会 影响时钟恢复质量，这种方式的时钟同步可提供与s d h 网络相同的时钟质量。同步以 太实现分组传送网络同步原理如图1 7 所示，它需要物理层硬件支持物理层时钟恢复功 能，网络建设成本较高。 高层 高层 i !高层 一一一一一1 i i i 基准 m a c # m l n ： ：l l ，e ： m a cl 耐钟 m i ：i 1 j z c 葡 i ip h yi i - i l ； 定时滴 分组传送罔络数据流 图卜7 同步以太技术实现分组传送网络时钟同步原理 1 5 分组传送网络时钟同步方案介绍 考虑在分组传送网络上承载需要同步传输的t d m 业务时，需要实现分组传送网络 时钟同步。分组传送网络的时钟同步方案，主要包括网络时钟同步法、差分法、t d m 设备终端有基准参考时钟可用和自适应时钟恢复法四种。其中前三种时钟同步法都需 要为通信双方提供基准参考时钟p r c ，而自适应时钟恢复法无需通信双发拥有共同的 p r c 时钟，而只需要接收端设备支持自适应时钟恢复法即可实现穿越分组传送网络 t d m 业务的同步传输。下面将对前三种时钟同步方案进行介绍，而自适应时钟恢复方 案将在本文第2 章进行单独重点研究。 网络时钟同步法实现分组传送网络时钟同步原理如图1 8 所示。采用网络网络时钟 同步法实现分组传送网络时钟同步方案下，通信双方具有共同的高精度p r c 参考时钟， 整个网络在同步运行状态下运行。图中内部互连功能