GPON和EPON的時間同步技術分析

　　1 引言

　　無線業(yè)務對于回傳網(wǎng)絡(Wireless Backhaul，基站和無線交換設備之間的鏈路)的帶寬需求，隨著無線業(yè)務的飛速發(fā)展而快速增加。過去，由于無線語音和低速無線數(shù)據(jù)是無線的主要業(yè)務，無線基站對帶寬需求較小，租用E1/T1線路就能夠滿足需求?，F(xiàn)在，隨著3G時代的到來，無線數(shù)據(jù)以及視頻業(yè)務的快速發(fā)展促使無線網(wǎng)絡對覆蓋和帶寬的需求持續(xù)增長。

　　然而由于帶寬的增長速度遠高于收入的增長速度，運營商面臨著增量不增收的矛盾。在運營商的OPEX總成本中，回傳租用線約占45%。對于傳統(tǒng)語音業(yè)務而言，2G基站傳輸1～2個E1/T1已基本上可以滿足需求，此時帶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接口，支持HSDPA的基站甚至可能需要8～16個E1/T1。因此，如果仍舊采用租用E1/T1的傳送方式，其網(wǎng)絡的OPEX將因為帶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(yè)務安全和質(zhì)量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(wǎng)絡技術之一，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并公布，IEEE也正在制定EPON/10G EPON時間同步解決方案的相關標準并即將發(fā)布。

　　2 無線回傳網(wǎng)絡的時間同步需求

　　對于WCDMA，由于采用了異步基站技術，因而不需要無線回傳網(wǎng)提供時間同步。對于 cdma2000以及TD-SCDMA，由于采用了同步基站技術，所以需要無線回傳網(wǎng)提供時間同步。4G的LTE也傾向于采用同步基站技術。根據(jù) 3GPP2標準(cdma2000國際標準)的要求，時間同步的精度要優(yōu)于±3?s，因此基站與基準時鐘時間同步的精度要優(yōu)于±1.5?s。根據(jù)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(yōu)于±3?s;同理，基站與基準時鐘時間同步的精度要優(yōu)于±1.5?s。因此，基站與基準時鐘相位同步的精度要求要優(yōu)于±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(wǎng)絡的基本需求。如果PON不支持高精度的時間同步，則將無法作為這幾種無線制式的回傳網(wǎng)絡。

　　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首先與上一級設備完成時間同步。

　　(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消息告知ONUi，當?shù)赬個 Super Frame到達ONUi時對應的ToDx,i。

　　(4)ONUi收到該OMCI消息后，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，將其本地時間設置為 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。對于典型的 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?shù)摹?/P>

　　Serdes串并轉(zhuǎn)換的時延在ONU每次激活時都是不確定的，具體誤差取決于 Serdes位寬。對于目前比較常用的16bit位寬的Serdes，此處在相鄰兩次激活時引入的最大誤差可達±16bits。對于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芯片完成，但是實現(xiàn)相對困難：這要求ONU的 MAC芯片在ONU每次上線激活以后，提取Serdes具體偏移，然后再對其補償。

　　GPON測距時，不同ONU的Response TIme不定，可引入±1?s的誤差，從而使測出的單向時延的誤差為±0.5?s，從極端惡劣情況下對時間同步精確度的影響來看，這個補償必須做，否則將導致較大的精確度劣化。不過這個補償也是很容易實現(xiàn)的，因為在芯片做好以后，這個值相對固定，只需要加/減相應的固定值即可。

　　GPON的EqD誤差：GPON的DoW告警觸發(fā)門限為±4bits，GPON的上行速率為1.244Gbit/s，換算為時間±3.2ns，則在單向時延上引入的最大誤差為±1.6ns。這個誤差在不改變現(xiàn)有GPON標準的前提下是無法補償?shù)摹?/P>

　　綜上所述，對于上下行波長不同引入的誤差，在20km的極限情況下約為17ns，這個誤差可以通過簡單計算補償;對于串并轉(zhuǎn)換引入的誤差，在使用16bit位寬的Serdes的情況下，約為±6.4ns，這個誤差也可以補償，但是實現(xiàn)比較復雜，不推薦做;對于測距引入的誤差，在實現(xiàn)了response time補償?shù)那闆r下，為±1.6ns，這個誤差在不改變現(xiàn)有標準的情況下，無法補償：所以，在補償都實現(xiàn)的情況下，理論精度可以達到±1.6ns;在不做任何補償?shù)那闆r下，精度在±25ns以內(nèi)。10G GPON的誤差分析類似。

　　該方案在2008年12月的ITU-T SG15 Q2會議上首次提出即得到了廣大運營商和設備商的認可，認為該方案利用了GPON本身的測距的結果以及GPON本身的下行幀同步機制，實現(xiàn)也較為簡單。后續(xù)Q2對此方案進行了深入討論。2009年10月ITU-T SG15全會上，Q2與Q13就此問題進行了聯(lián)合討論，該方案獲得認可并正式寫入到了G.984標準(GPON的國際標準)中。

　　對于10G GPON，由于測距以及下行幀同步等時間同步相關的機制跟GPON相同，因此10G GPON的時間同步方案沿用了G.984標準的方案，目前已經(jīng)寫入G.987.3(10G GPON的TC層標準)以及G.988(10G GPON的OMCI標準)的草稿中，近期就會正式發(fā)布。

　　華為積極參與了GPON以及10G GPON標準的制定，提出了大量有價值的技術方案，上述的GPON/10G GPON的時間同步方案就是由華為最先提出的。華為的專家Frank Effenberger為ITU-T SG15 Q2(負責GPON/10G GPON標準的制定)的大會報告起草人(Rapporteur)，并兼任G.984.3(GPON國際標準的TC層部分)的標準合編者(co- editor)， Yuanqiu Luo為G.987.3(10G GPON國際標準的TC層部分)的co-editor，林薇為G.988(10G GPON國際標準的OMCI部分)的co-editor，為推動GPON/10G GPON標準的進展做出了重要的貢獻。

　　4 EPON/10G EPON時間同步標準

　　EPON/10G EPON的時間同步機制參見圖2。

　　圖2 EPON/10G EPON時間同步機制

　　圖2所示方法的具體步驟為：

　　(1)OLT首先與上一級設備完成時間同步。

　　(2)OLT計算出ONUi的localTime為X時的 ToDx,i。

　　(3)OLT通過OSSP報文，將localTime為X時的ToDx,i告知ONUi。

　　(4)ONUi收到該OSSP消息后，對ToDx,i進行相應的補償，得到精確的localTime為X時對應的時間real_ToDx,i。

　　(5)ONUi在localTime計數(shù)到達X時，將本地時間設置為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。與GPON類似。

　　上/下行波長不同引入的誤差部分，由于EPON的上/下行波長分別和GPON的上/下行波長相同，因此該部分的誤差也相同。

　　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(xiàn))這個誤差在不改變現(xiàn)有EPON標準的前提下是無法補償?shù)摹?/P>

　　綜上所述，對于上/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;對于Serdes串并轉(zhuǎn)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(xiàn)比較復雜，不推薦做;對于測距引入的誤差，為±96ns，這個誤差在不改變現(xiàn)有標準的情況下，無法補償;所以，在實現(xiàn)了所有補償?shù)那闆r下，理論精度可達±96ns;在不實現(xiàn)任何補償?shù)那闆r下，精度在±130ns以內(nèi);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(xiàn)也較為簡單。目前，802.1AS標準基本定稿，該方案也已經(jīng)能被標準文本正式內(nèi)容所覆蓋。

　　5 結束語

　　華為積極參與了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。