时钟同步理论.doc

课程 TA053001时钟同步理论ISSUE2.0TA053001 时钟同步理论 ISSUE2.0目 录目 录课程说明1课程介绍1课程目标1相关资料1第1章 时钟同步的基本原理21.1 同步方式21.1.1 主从同步方式21.1.2 相互同步方式41.2 时钟类型41.2.1 铯原子钟41.2.2 铷原子钟51.2.3 石英晶体振荡器51.2.4 GPS51.3 工作模式61.3.1 正常工作模式61.3.2 保持模式61.3.3 自由运行模式6第2章 SDH网同步结构和方式72.1 SDH的引入对网同步的影响72.2 SDH网同步结构82.2.1 局内应用82.2.2 局间应用92.3 SDH网同步方式112.3.1 同步方式112.3.2 伪同步方式112.3.3 准同步方式122.3.4 异步方式122.4 同步网定时基准传输链12第3章 时钟的定时要求143.1 基准主时钟的定时要求143.2 节点从时钟的定时要求143.3 SDH网元时钟的定时要求143.4 SDH时钟的应用15附录 缩略词表17iiTA053001 时钟同步理论 ISSUE2.0课程说明课程说明课程介绍本课程主要内容是光同步传输系统中网同步的原理部分，首先就网同步的概念、同步方式和时钟类型作一简介，然后就引入SDH网后所带来的一些特殊问题，诸如SDH网同步结构和同步方式、同步基准链、时钟的定时要求和应用等进行讨论。课程目标完成本课程学习，学员能够： l 了解光同步数字传送网中网同步的基本概念。l 掌握SDH网同步中基本理论。相关资料Architecture of transport networks based on the synchronous digital hierarchy (SDH).ITU-T,G.803(2000)The control of jitter and wander within digital networks which are based on the 2048 kbit/s hierarchy.ITU-T,G.823(2000)韦乐平.光同步数字传送网（修订本）,1998Timing characteristics of primary reference clocks.ITU-T,G.811(1997)Timing requirements of slave clocks suitable for use as node clocks in synchronization networks.ITU-T,G.812(1998)Timing characteristics of SDH equipment slave clocks (SEC).ITU-T,G.813(1996)16TA053001 时钟同步理论 ISSUE2.0第1章 时钟同步的基本原理第1章 时钟同步的基本原理网同步（network synchronization）是数字网所特有的问题。实现网同步的目标是使网中所有交换节点的时钟频率和相位都控制在预先确定的容差范围内，以便使网内各交换节点的全部数字流实现正确有效的交换。否则会在数字交换机的缓存器中产生信息比特的溢出和取空，导致数字流的滑动损伤，造成数据出错。由于时钟频率不一致产生的滑动在所有使用同一时钟的系统中都会出现，影响很大，因而必须有效控制。1.1 同步方式目前全球电信网中的交换节点时钟同步有两种基本方式，即G.803建议规范的主从同步方式和相互同步方式。1.1.1 主从同步方式主从同步方式使用一系列分级时钟，每一级时钟都与其上一级同步，在网中最高一级时钟称为基准主时钟或基准参考时钟（PRC）。它是一个高精度和高稳定度的时钟，该时钟经同步分配网（即定时基准分配网）分配给下面的各级时钟。目前ITU-T将各级时钟划分为4类：基准主时钟，G.811建议；转接局时钟，G.812建议；本地局时钟，G.812建议；SDH网元时钟，G.813建议。同步分配网将定时基准信号送至网内各交换节点，然后通过锁相环使本地时钟的相位锁定到收到的定时基准上，从而使网内各交换节点的时钟都与基准主时钟同步。这是一种单端控制技术，可以如图1-1表示。图1-1 主从同步方式主从同步的主要优点是网络稳定性好，组网灵活，适于树形组网和星形组网，对从节点时钟的频率精度要求较低，控制简单，网路的滑动性能也较好。主要缺点是对基准主时钟和同步分配链路的故障很敏感，一旦基准主时钟发生故障会造成全网问题。因此，基准主时钟应采用多重备份以提高可靠性。同步分配链路也尽可能有备用，即通常我们说的时钟链路保护。采用分级的主从同步方式不仅与交换分级网相匹配，也有利于改进全网的可靠性。当定时基准信号主要在SDH网内进行传送分配时，必须保证避免中间节点的指针调整，以免产生输出相位跃变，影响下行方向的从时钟。有两种解决办法：从接受的STM-N高速信号中直接提取定时基准，避免指针调整对下行方向从时钟的影响。准确的技术应用还在研究中。& 说明：为什么要从STM-N高速信号中直接提取定时基准？G.823共建议了三类业务流接口：接口名称接口特征举例异步接口不能也不需要提供同步的接口PDH网中的34368kbit/s和139264kbit/s接口同步的非定时接口不能按规定的性能水平提供同步的接口SDH网中的2048kbit/s接口同步的定时接口能够按规定的性能水平提供同步的接口（即同步接口）PDH网中的2048kbit/s接口和SDH网中的STM-1以上速率信号从不由SDH网支持的同步路径提取定时基准。1.1.2 相互同步方式这种方式在网中不设主时钟，由网内各交换节点的时钟相互控制，最后都调整到一个稳定的、统一的系统频率上，从而实现全网的同步工作。这种同步方式对同步分配链路的失效不是很敏感，适于网孔形结构，对节点时钟要求较低，设备便宜。但稳定性不如主从方式，系统稳态频率不确定且易受外界因素影响。相互同步方式用图1-2表示。图1-2 相互同步方式同步方式的选择取决于网络结构和规模、同步分配链路的特性、网络可靠性和经济性等多种因素。主从同步方式对公用网是比较合适的。有时将主从同步方式与相互同步方式结合应用，可以扬长避短，发挥综合优势。比如高等级节点时钟间按相互同步方式工作，低等级节点时钟按主从同步方式工作；或在不同网络等级间采用主从同步方式，而在某些网络等级内部采用相互同步方式。1.2 时钟类型目前公用网中实际使用的时钟类型主要分为以下几类：1.2.1 铯原子钟铯原子钟利用铯原子的能量跃迁现象构成的谐振器来稳定石英晶体振荡器的频率。原子时是极高的稳定时标，1967年第13届国际计量大会上，对秒的定义是：“铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期所持续的时间。”其长期频偏优于10-11，可以作为全网同步的最高等级的基准主时钟。不足之处是价格昂贵，可靠性较差，短期稳定度不够理想。长期频率稳定度可达10-1310-14，即约300万年误差一秒。1.2.2 铷原子钟铷原子钟的工作原理与铯原子钟基本相似，都是利用能级跃迁的谐波频率作为基准。与铯钟相比，虽然性能不如铯钟，长期频偏低于铯钟一个数量级，但它具有体积小，预热时间短，短期稳定度高，价格便宜等优点，在同步网中普遍作为地区级参考频率标准。1.2.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器是应用范围十分广泛的廉价频率源，可靠性高，寿命长，价格低，频率稳定度范围很宽，采用高质量恒温箱的石英晶体老化率可达10-11/天。缺点是长期频率稳定度不好，采用锁相环（PLL）技术使之能同步于外来基准信号，还具有频率记忆功能，可以作为长途交换局和端局的从时钟。1.2.4 GPSGPS全球定位系统是Navigation Satellite Timing and Range/Global Positioning System的缩写词NAVSTAR/GPS的简称，它的全称含义是：导航卫星测时和测距/全球定位系统，它时美国国防部在1973年开始建设的，是全天候的、基于高频无线电的卫星导航系统，能提供精确的定位（经度、纬度、高度）和速度、时间信息。GPS由24颗卫星组成，卫星高度20100km，运行周期为12小时，均分布在6个相对于赤道倾角为55的几乎为圆形的等间距轨道上，轨道面之间的夹角为60。卫星同时发射两种频率的载波无线电信号，所有这些信号都受到原子频标控制。GPS使用动态均衡的方法，综合最多6颗卫星的信号，所提供的频率精度可达10-12数量级（24小时平均）。卫星传输信号的固有缺点和选择性供给的影响，地面接收站接收到的定时信号短期稳定性是比较差的。同步网中使用的GPS接收机提供的定时信号，必须与大楼综合定时源（BITS）内部时钟和GPS接收机内部时钟综合，才能得到长期和短期都能满足要求的定时信号。&说明：因为GPS是美国所有，世界上很多国家都投入力量研究针对美国GPS政策的对策。俄罗斯拥有GLONASS（Russian Global Orbiting Navigation Satellite System ）卫星定位系统。也是由24颗卫星组成，但只有其中15颗在90%时间内可用。由于采用FDMA技术，不同于GPS的CDMA编码技术，抗干扰性有一定限制。但没有类似GPS的SA干扰政策，全球用户可以免费使用，由于其系统建设不完善，接收机价格较高，使用不广泛。1.3 工作模式在主从同步方式中，节点从时钟通常有3种实际工作模式。1.3.1 正常工作模式正常工作模式是指网元跟踪的时钟源正常情况下的时钟工作方式。此时，时钟同步于输入的基准时钟信号，影响时钟精度的主要因素有基准时钟信号的固有相位噪声和从时钟控制环（从时钟振荡器的锁相环）的相位噪声。通常，输入基准时钟信号可以跟踪至网中的主时钟。但也有可能是从另一更高等级而暂时处于保持模式工作的G.812从时钟中获取定时。1.3.2 保持模式当所有定时基准丢失后，从时钟可以进入所谓的保持模式。此时，从时钟利用定时基准信号丢失之前所存储的最后的频率信息作为其定时基准而工作，同时振荡器的固有频率会慢慢漂移，以保证从时钟频率在长时间内与基准频率只有很小的频率偏差，使滑动损伤仍然在允许的指标要求内。这种方式可以应付长达数天的外定时中断故障。其保持时间长短取决于设备时钟锁相部分寄存器的大小。1.3.3 自由运行模式当从时钟不仅丢失所有外部定时基准，而且也失去了定时基准记忆或者根本没有保持模式时，从时钟内部振荡器工作于自由振荡模式。TA053001 时钟同步理论 ISSUE2.0第2章 SDH网同步结构和方式第2章 SDH网同步结构和方式2.1 SDH的引入对网同步的影响SDH网本身并不一定需要同步才能工作，由于有指针调整可以应付频率差，因而携带信息的净负荷可以在网内很容易地传递。然而，为了PDH和所承载地业务网的需要，SDH仍需要工作在同步环境中。否则，指针调整会使SDH解同步器和互连的PDH（2Mbit/s）设备性能劣化，导致抖动超标甚至产生严重误块秒损伤。有了同步环境后，指针调整事件将很少发生，对业务不会造成影响。此外，有些业务网设备（蜂窝通信网的基站，信令业务等）需要传送网提供高精度频率或时间基准。因此，实际SDH网必须要有同步环境才能发挥作用。另外，由于国内业务和国际业务的需要，全路由各交换节点需要工作在同步环境下，这就是为什么SDH尽量追求高精度基准定时。理想情况是全球所有交换节点都是同步的。SDH的引入对同步网影响主要表现在以下三方面：SDH特有的指针调整会在SDH/PDH网络边界产生很大的相位跃变。由于SDH指针调整是按字节调整，所以用来传送网络定时基准的2Mbit/s信号通过SDH网时，都会遭受8UI的指针调整影响，峰峰值相当于2ms的相位变化。嵌入在高次群（例如140Mbit/s）信号内的2Mbit/s信号通过SDH网时，由于承载速率较高，尽管也遭受8UI（34Mbit/s或8Mbit/s）甚至24UI（140Mbit/s）的指针调整影响，但对应的输出相位变化要小得多，造成的定时损伤也小得多。SDH允许不同规格的净负荷实现混合传输，这对传送网应用十分方便，但对网同步规划却带来不利。SDH网中，网元收到的2Mbit/s一次群信号既可能是单独传来的，也可能是嵌入在高次群信号内一起传来的，显然两者的定时性能有很大不同。但由于SDH网中的DXC和ADM都有分插和重选路由的能力，因而在网中很难区分具有不同经历的2Mbit/s信号，也就难以确定最适于作网络定时的2Mbit/s信号，给网同步规划带来困难。SDH自愈环、路由备用和DXC的自动配置功能带来了网络应用的灵活性和高生存性，也给网同步定时的选择带来了复杂性。在SDH网中，网络定时和路由随时都有可能变化，因而其定时性能也随时可能变化，这就要求网元必须有较高的智能从而决定定时源是否还适用，是否需要搜寻其他更合适的定时源等。结果，选择和管理适于传定时基准的新配置的通道成为一项复杂的任务，需要对每一种网络配置及相关的各种故障影响都进行仔细分析和性能确认，并在全网实施统一的同步选择算法才行。2.2 SDH网同步结构SDH网同步结构通常采用主从同步方式，要求所有网元时钟的定时都能最终跟踪至全网的基准主时钟。同步定时的分配则随网络应用场合不同而异。2.2.1 局内应用局内同步分配通常采用逻辑上的星形拓扑，即所有网元时钟都直接从本局内最高质量的时钟BITS获取定时，只有BITS是从来自别的交换节点的同步分配链路中提取定时并能一直跟踪至全网的基准主时钟。该节点时钟一般至少为3级或2级时钟。定时信号再由该局内的SDH网元经SDH传输链路送往其他局的SDH网元。由于TU指针调整引起的相位变化会影响时钟的定时性能，因而通常不提倡采用在SDH TU内传送的一次群信号（2.048Mbit/s或1.544Mbit/s）作为局间同步分配，而直接采用高比特率的STM-N信号传送同步信息。局内时钟间关系如图2-3所示。对于较大的局，网元数较多的时候，BITS必须有足够的同步输出分配口才行。图2-3 局内分配的同步网结构2.2.2 局间应用局间同步分配一般采用类似树形拓扑，使SDH网内的所有节点都能同步。各级时钟间关系如图2-4所示。需要注意，低等级的时钟只能接收更高等级或同一等级时钟的定时，这样可以避免形成定时信号的环路，造成同步不稳定。为此，设计同步网时应能保证即便在故障条件下，也只有有效的高一级时钟基准出现在该级时钟的输入。图2-4 局间分配的同步网结构从功能结构的观点看，同步网的功能结构涉及定时信息传送建模问题，等级钟可以表示为一种适配功能，用以按照本身的质量级别来修改定时信息的质量。在同步网的功能结构钟，所有同步钟处于同一层，即同步分配（SD）层中。SD层网络提供SD路径将定时信息从一个钟传给另一个钟。由于SD层网络只涉及信息的单向传递，因而SD层网络的接入点是单向的。SD层可以由任何复用段或通道层来支持，前提是这些服务层必须对定时信息透明。另一方面，由SDH通道层支持的SDH VC层和PDH通道层不具备上述透明性，主要是指针调整处理会影响定时信息。图2-5是同步分配的一个简单例子，介绍了同步分配基准链中一段典型示例。G.811和G.812可以看作两个BITS，G.813看作一个SDH网元。图中SD层的客户是网同步（NS）层。NS层只负责为PRC和其他钟之间提供点到多点连接，在NS层的每一连接点都提供有通用协调时（UTC）的估计值，其质量取决于NS层网络的配置以及SD层网络提供的SD路径的定时质量。NS层的连接矩阵提供同步网的配置，矩阵之间的链路连接由SD层中的路径支持。这些连接矩阵还负责同步网的自动重构和保护倒换。SD层的连接矩阵负责提供SD路径，可用来选择支持SD路径的复用段和通道。同步状态消息（SSM）则在SD路径终结源插入，在SD路径终结宿提取。图2-6是同步分配通过PDH用户网络接口（UNI）的例子，时钟信号通过两个SDH网元MS层透明传送。图2-5 同步分配示例图2-6 同步分配通过PDH用户网络接口2.3 SDH网同步方式从工作原理上划分，SDH网同步可以有4种不同的方式，即同步方式、伪同步方式、准同步方式和异步方式。2.3.1 同步方式在网中的所有时钟都能最终跟踪到同一个网络的基准主时钟。此时指针调整只是由同步分配过程中不可避免的噪声所引起的，呈随机性。在单一网络运营者所管辖的范围内，同步方式是正常工作方式，同步性能也最好。2.3.2 伪同步方式在网中有几个都遵守ITU-T G.811建议的基准主时钟，即它们具有相同的标称频率，但准确的频率仍略有差别。这样，网络中的从时钟可能跟踪于不同的基准主时钟。因而在不同同步网边界的网元中会出现频率和相位差异，引起指针调整。通常在不同网络运营商所辖边界，以及国际网接口处，伪同步方式是正常工作方式。2.3.3 准同步方式同步网中有1个或多个时钟的同步路径和替代路径出了故障，于是失去所有外同步链路的节点时钟将进入保持模式或自由运行模式工作。如果丢失同步的网络节点是执行异步映射功能的SDH输入网关，则该节点时钟的频偏和频移将会导致整个SDH网络连接的持续指针调整，恶化同步性能；如果丢失同步的网络节点是SDH网络连接的最后一个网元，或者是最后一个网元处于被控状态（例如构成环路定时复用器状态）时的倒数第2个网元，则SDH网络输出仍有指针调整会影响同步性能；如果丢失同步的是中间的网络节点，只要输入网关仍然处于与PRC的同步状态，则紧随故障节点的仍处于同步状态的网元可以吸收部分指针调整，校正中间网络节点的指针移动，不会在最后的输出网关产生净指针移动，从而不会影响同步性能。2.3.4 异步方式此时网络中将出现很大的频率偏差（即异步的含义），当时钟精度达不到G.813所规定的数值时，SDH网不再维持业务量而将发送AIS信号。发送AIS所需要的时钟精度只要求有2010-6（适用于再生器以及所有同步丢失就意味着所有业务量丢失的其他SDH设备）即可。2.4 同步网定时基准传输链SDH同步网定时基准传输链如图2-7所示，各节点时钟经N个SDH网元互连，其中每个网元都配备有一个符合建议G.813要求的时钟。最长的基准传输链所包含的G.812从时钟数不超过K个。由于转接局时钟和本地局时钟在保持模式性能上的差异与SDH网同步无关，随着同步链路数的增加，同步分配过程的噪声和温度变化所引起的漂移都会使定时基准传输链最后一个网元的定时质量逐渐恶化。通常可以大致认为最坏值为K=10，N=20，最多G.813钟的数目不超过60个。需要注意的是由于再生器不装G.813钟，因而上述数目不含再生器。实际设计时应尽量限制串联的网元数，以保证网同步的可靠性。图2-7 同步网定时基准传输链在我国数字同步网规划和组织原则中，建议数字同步网设计时K=7，N=10。但这并不意味着数字同步网设备和SDH产品的生产厂商可以放松指标要求。TA053001 时钟同步理论 ISSUE2.0第3章 时钟的定时要求第3章 时钟的定时要求3.1 基准主时钟的定时要求全网的基准主时钟通常由多部铯原子钟或多部铯原子钟加GPS组成，而区域的基准主时钟通常由两部铷原子钟加两部GPS组成。一般经过相位对比或一定算法计算后择优输出。ITU-T建议G.811规定，在所有可应用的运行条件下，对于大于7天的观察时间，基准主时钟的最低频率准确度为10-11。基准主时钟的输出接口为2048kHz和2048kbit/s两种。3.2 节点从时钟的定时要求ITU-T建议G.812规定了6种不同类型的种作为节点从时钟应用。我们通常所说的转接局和端局时钟分别对应其中类和类钟。其中类钟的保持模式稳定度劣于类钟。类钟的频率准确度要求观察周期1年时不低于1.610-8，类钟的频率准确度要求观察周期1年时不低于4.610-6。其中测试周期应在连续工作30天后开始观察。节点从时钟的输出接口为2048kHz、2048kbit/s和STM-N业务信号三种。3.3 SDH网元时钟的定时要求ITU-T建议G.813规定了两种选项的频率准确度。选项1：在自由运行条件下，SDH网元的设备时钟（SEC）相对于可跟踪的G.811时钟的基准源输出频率准确度不应劣于4.610-6，测试周期是1个月或1年。选项2：在自由运行条件下，SDH网元的设备时钟（SEC）输出频率准确度不应劣于2010-6。从技术上看，选项1并不必选项2复杂很多，采用带温度补偿元件的无恒温箱压控晶体振荡器即可实现，所以目前大都采用选项1的时钟标准。SDH网元时钟的输出接口为2048kHz、2048kbit/s和STM-N业务信号三种。3.4 SDH时钟的应用从宏观上看，SDH网提供了3种不同的网元定时方法：外同步定时源：此时网元的同步由外部定时源供给。目前常用的是PDH网同步中的2048kHz和2048kbit/s同步定时源。从接收信号中提取的定时：这是一种广泛应用的同步定时方式。有通过定时、环路定时和线路定时3种