OTN网络承载频率和时间同步技术研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研 究 报 告 要 点 随着 业务种类的多样化、业务 带宽的 快速 增长 以及 大颗粒度灵活调度的需要， OTN 已经成为 传输网建设 的 主流技术 选择之一 。 随着 OTN 技术的 规模 部署 应用 ， OTN 网络 必然要面临 承载 频率和时间同步信号的问题。 在干线场景 下 ，频率同 步方面 ， 随着 省际骨干和省二干的 SDH/MSTP 传送网 的 逐步退网， 需要 基于 OTN 技术替代 SDH/MSTP 技术进行频率同步定时链路的组织，时间同步方面 ， 未来为组建时间同步网需要通过 OTN 网络对 时间同步信号（如 PTP 报文）进行传送，实现时间同步 定时链路 的 组织； 在 城域网场景 下 ，随着 3G 基站的大规模部署和 LTE 时代的来临，为了解决光纤资源紧张和高速率、大容量业务承载的问题，OTN 网络下沉趋势日渐明显， 同步设备 需要 通过 OTN 网络和分组网络如 PTN、 IPRAN 等 联合为基站侧提供端到端稳定可靠的频率 和时间同步信号 。 本 研究 报告分析了 OTN 网络承载频率和时间同步的具体技术实现 。在频率同步方面，可采用网同步方式和业务透传方式 。 对于网同步方式 ，要求 OTN 设备 具备完整的传输设备时钟功能和 SSM 功能，负责承载频率同步信号， 作 为同步网定时链路中的传输设备时钟节点，参与同步网组网 ，而业务透传方式可作为存量网络中不支持网同步功能时的技术补充；在时间同步方面，可采用 ESC、 OSC 和业务透传方式，其中前两种方式为 PTP 逐点处理方式， 而 业务透传方式不 做 PTP 处理。本报告 从同步性能、组网能力、经济性和标准支持四个维度 分别 对 ESC、 OSC 和业务透传方 式进行 分析 论证 。 本报告针对城域网场景和干线场景，从同步信号的注入、对接及落地方式、传送手段及保护策略三个方面，分别给出 OTN 网络承载频率和时间同步的具体组网建议。 在城域网中OTN 设备 建议 采用 ESC 方式 进行频率和时间承载 ； 在干线网络中 OTN 设备建议采用 OSC方式进行频率和时间承载 ，业务透传方式难以满足高精度时间传递的要求，在小规模城域网中 才 可作为补充应用 ， 但使用前必须进行谨慎评估 。 传送网与接入网技术工作委员会传送网工作组 研究单位： 中国信息通信研究院、中国联合网络通信集团有限公司、烽火科技集团有限公司 、 华为技术有限公司 项目负责人： 吕博 项目参加人： 胡昌军、潘峰、张贺、刘欣、 陈垦 、刘颂 完成日期： 2016 年 4 月 18 日 目 录 1 范围 . 1 2 缩略语 . 1 3 研究背景 . 3 4 OTN网络承载频率和时间同步场景分析 . 4 5 OTN同步传送技术 . 5 5.1 频率同步传送技术 . 5 5.1.1 网同步方式 . 6 5.1.2 业务透传方式 . 15 5.1.3 两种方式分析比较 . 17 5.2 时间同步传送技术 . 17 5.2.1 ESC方式 . 17 5.2.2 OSC方式 . 18 5.2.3 业务透传方式 . 19 5.2.4 三种方式论证比较 . 20 5.2.5 时间同步技术展望 . 22 6 不同应用场景下 OTN网络频率 /时间同步组网建议 . 23 6.1 干线场景下的 OTN承载频率和时间的组网建议 . 23 6.1.1 频率同步 . 23 6.1.2 时间同步 . 24 6.2 城域网场景下的 OTN承载频率和时间的组网建议 . 25 6.2.1 频率同步 . 25 6.2.2 时间同步 . 26 6.2.3 两种场景组网差异性分析 . 28 7 研究结论 . 29 8 参考资料 . 30 附录 A （资料性附录） 城域网中 OTN 承载频率及时间同步实验结果 . 32 附录 B （资料性附录） 长途干线中 OTN 承载频率及时间同步实验结果 . 38 附录 C （资料性附录） PTP 报文和 SSM 信息通过 OTN 开销传递的封装方式 . 45 1 OTN网络承载频率和时间同步技术 研究 1 范围 本报告研究了 OTN网络承载频率和时间同步的需求和应用场景，对 OTN网络承载频率和时间 同步技术进行了分析及论证，结合各实现技术的优缺点提出不同应用场景下 OTN网络承载频率和时间同步组网建议 。 2 缩略语 下列缩略语适用于本报告。 AIS：告 警指示信号 （ Alarm Indication Signal） BMC：最佳主时钟算法（ Best Master Algorithm） BMP： 比特同步映射规程 （ Bit-synchronous Mapping Procedure） BC：边界时钟（ Boundary Clock） BITS： 大楼综合定时供给设备（ Building Integrated Timing Supply） DNU：不可用 (Do Not Use) EEC：以太网设备时钟（ Ethernet Equipment Clock） ESC：电监控 通道（ Electric Supervisory Channel） FEC：前向纠错编码（ Forward Error Correction） FIFO：先进先出（ First In First Out） GFP-F：通用成帧规程 （ Frame mapped Generic Framing Procedure） GMP： 通用映射规程 （ Generic Mapping Procedure） GPS：全球定位系统（ Global Positioning System） IPRAN： IP 化无线接入网 （ Internet Protocol Radio Access Network） LOF： 帧 丢失（ Loss Of Frame） LOS：信号丢失（ Loss Of Signal） LPR：区域基准时钟源（ Local Primary Reference） LTE： 长期演进 （ Long Term Evolution） MSTP： 多业务传送平台 （ Multi-Service Transport Platform） MTIE：最大时间间隔误差（ Maximum Time Interval Error） 2 OA：光放大器 （ Optical Amplifier） OEC： OTN 设备时钟（ OTN Equipment Clock） OLP：光线路保护（ Optical Line Protection） OLT：光线路 终端 （ Optical Line Terminal） OMSP：光复用段保护（ Optical Multiplex Section Protection） ONU：光 网络单元 （ Optical Network Unit） OSC：光监控通道（ Optical Supervisory Channel） OTDR：光时域反射仪（ Optical Time Domain Reflectometer） OTN：光传送网络（ Optical Transport Network） OTU：光传送单元（ Optical Transmission Unit） PDV：分组时延变化（ Packet Delay Variation） PEC：基于分组的设备时钟（ Packet based Equipment Clock） PON：无源光网络（ Passive Optical Network） PPS：秒脉冲（ Pulse Per Second） PRC ：全国基准时钟（ Primary Reference Clock） PTN：分组 传送网络 （ Packet Transport Network） PTP：精确时间同步协议（ Precision Time Protocol） SDH：同步数字体系（ Synchronous Digital Hierarchy） SEC： SDH 设备时钟（ SDH Equipment Clock） SETG：同步设备定时发生器（ Synchronous Equipment Timing Generator） SNCP：子网连接保护（ Sub Network Connection Protection） SSM：同步状态信息（ Synchronization Status Message） SSU：同步供给单元（ Synchronization Supply Unit） SSU-L：本地同步供给单元（ Synchronization Supply Unit- Local） SSU-T：转接同步供给单元（ Synchronization Supply Unit- Transit） STM-N：同步传输模块 N 级（ Synchronous Transport Module- N） TDM：时分复用（ Time Division Multiplex and Multiplexer） TDEV：时间偏差（ Time Deviation） ToD：当前时刻（ Time of Day） UTC：协调世界时（ Coordinated Universal Time） WDM：波分复用（ Wavelength Division Multiplexing） 3 3 研究背景 随着多种业务带宽的增长和大颗粒度灵活调度的需要，在光传送技术中 传统的SDH/MSTP 已逐渐边缘化，而 OTN 将 成为主要的 建网 技术选择 。 OTN 技术 天然 采用异步工作方式，虽然自 身并不需要进行频率同步和时间同步，但 作为重要 承载网络，随着 OTN 技术的 规模 部署 应用 ， OTN 网络 必然要面临承载 频率和时间同步信号的问题 ，一方面需要与其他 承载网络进行同步信号对接 ，另一方面需要为同步网的 定时链路组织 提供支撑。 频率同步方面， 随着省际 骨干 层面和省 内 二干 层面的 SDH/MSTP 系统 逐步退网， 基于OTN 技术替代 SDH/MSTP 技术进行 频率同步定时链路的组织，保证原有时钟同步网的完整性是 亟待 解决的问题 ；在城域网中随着 3G 基站的大规模部署和 LTE 时代的来临，为了解决光纤资源紧张和高速率、大容量业务承载的问题 ， OTN 网络下沉趋势日渐明显， 同步设备 需要 通过 OTN 网络和 其它 分组网络如 PTN、 IPRAN 等 联合 为基站 提供 稳定可靠的频率同步信号， 在 3GPP 空中接口要求中， 基站的 频率准确度要求优于 0.05ppm。 时间同步方面， 在城域网中 ，一般 3G/LTE 基站 均 安装 有卫星接收机（主要采用 GPS）以获取 精准 的 时间同步信号，这给基站选址、配套建设及维护带来了较大的困难， 在安全性方面 也 存在一定隐患，因此 采用地面 组网方式（如采用 PTP 时间传送技术 ） 替代 GPS 已成为业界共识 并在部分运营商网络中得到实施应用 。 在 PTP 地面组网 方案 中 ， 通常 在城域网的核心或汇聚层 配置主备时间服务器，并通过城域传送网络对时间信号进行承载， 为基站提供稳定可靠的时间同步信号，端到端时间精度相对 UTC 需优于 1.5 s。 在该组网模式下 ， 为减少时间 服务器的数量，降低网络建设和维护成本，时间服务器的 设置 位置 一般在城域 核心 ，因此 利用核心层 OTN 传递时间同步信息是 需要面临 解决的 现实 问题 ； 在长途干线层面， 根据 我国行标 YD/T 2375-2011高精度时间同步技术要求 的 规定 ，高精度时间同步网 采用主从同步方式 、 三级等级结构 进行组网 ， 其中三级时间同步节点作为城域网中的时间授时 源头，在运营商城域网中已经得到了试点应用， 而一、二级时间同步节点 通常 设置 在省际 骨干 或省二干 层面 。 目前与三级时间同步节点 之间 还没有 考虑 溯源与组网问题， 考虑到 今后 时间同步网 的统一组网，一、二级和三级时间同步节点之间需要进行溯源 ， 省际骨干或省二干层面 的OTN 网络 不可避免地要承担 时间链路组织 的功能 。但目前运营商的应用中，目前时间同步还是以为基站提供服务为主，尚未涉及时间层面的三层网络结构， 时间同步多级组网 可作为长期 网络演进目标。 OTN 承载频率和时间同步的需求虽已出现，但目前 国际 /国内对 OTN 频率同步 和时间同步 的技 术实现方式 尚未形成共识， 标准尚未完善 。随着 OTN 技术的发展和部署，其对现有4 频率 /时间同步网的影响已很难规避，本研究项目可为下一步明确提出相关标准要求或实施细则提供技术依据 ，为城域网和长途干线中通过 OTN 进行频率和时间同步承载提供 一定 的建设指导。 4 OTN网络承载频率和时间同步 场景 分析 根据 OTN 网络承载频率和时间同步的 需求，将其 应用场景总结如下： 场景 1：干线中 OTN 网络承载频率和时间同步 P R CL P R L P RB I T S B I T SB I T S B I T S省 级 传 输 网 省 级 传 输 网骨 干 传 输 网骨 干 同 步 网省 内 同 步 网一 级 时 间 同步 节 点二 级 时 间 同步 节 点二 级 时 间 同步 节 点三 级 时 间 同步 节 点三 级 时 间 同步 节 点三 级 时 间 同步 节 点三 级 时 间 同步 节 点省 级 传 输 网 省 级 传 输 网骨 干 传 输 网骨 干 同 步 网省 内 同 步 网( a ) 频 率 同 步 网( b ) 时 间 同 步 网本 地 同 步 网本 地 同 步 网图 1干线中 OTN承载 频率及时间同步场景 图 1 为干线中 OTN 网络承载频率和时间同步的应用场景。 在该场景中 （ a）中 ，频率 同步网采用省际同步网、省内同步网和本地同步网三级等级结构。省内同步网的 LPR 节点通过省际传输网溯源至骨干同步网的 PRC 节点， 本地同步网的 BITS 节点也通过省内传输网溯源至省内同步网的 LPR 节点， 随着 SDH/MSTP 设备的退网，省际 和省内 传输网为SDH/MSTP+OTN 的混合网络，将来会演进为 全 OTN 承载的传输网络 ； 在该场景（ b）中，根据我国行标高精度时间同步技术要求，时间同步网也分为三级等级结构，一级二级时间同步节点以及二级三级时间同步节点之间需要通过 省际和省内传输网 进行溯源，同样面临SDH/MSTP 设备退网， OTN 设备将会替代 SDH/MSTP 承担时间信号传送与同步链路组织的网络职能。 因此 对于频率信号和时间信号端到端传送， 在干线场景中 OTN 网络承载均是必不可少的环节，从定时功能和定时性能的保证方面 应 对 OTN 网络提出 相应 的 技术要求。 场景 2： 城域网中 OTN 网络承载频率和时间同步 5 BIT S BIT SO T N 核 心 环P T N / I P R A N 汇聚 环P T N / I P R A N接 入 环G P S / 北 斗时 间 服 务 器 / 频 率同 步 设 备P T N / I P R A NO T N1 5 8 8 （ P T P ）S y n c OBIT SO L TO N U基 站P O NP T N / I P R A N 汇 聚环 、 核 心 环BIT SBIT SS y n c E图 2 城域网中 OTN承载频 率及时间同步场景 图 2 为城域网中 OTN 网络承载频率和时间同步的应用场景。 在该场景中，频率同步信号通过 OTN 核心环或分组网络设备（如 PTN、 IPRAN 等）的汇聚环 或核心环 进行注入 ，通过 OTN 核心环 +分组网络设备汇聚环 +接入环 或 OTN 核心环 +分组网络设备汇聚环 +接入环+PON 系统至基站进行端到端 同步 信号传送 ； 在物理层频率同步的基础上， 时间信号通过配置卫星接收机的时间服务器注入 OTN 核心环或分组网络设备（如 PTN、 IPRAN 等）的汇聚环后，同样可经过 核心环 +汇聚环 +接入环至基站进行端到端 PTP 信号传送。 综上所述 ，为了实现 频率信号和时间信号 的 端到端传送， 无论 在干线 网络还是在城域网络，采用 OTN 网络承载 频率和时间信号 均是必不可少的环节 。为了确保 OTN 承载频率和时间信号的性能和可靠性，有必要 从 同步 功能和 同步 性能方面对 OTN 网络提出 相应 的技术要求。 5 OTN同步传送技术 5.1 频率同步传送技术 OTN 网络传送频率同步主要采用网同步方式和业务透传方式，前者与传统的 SDH/MSTP传送频率同步 类似 ，通过网络侧接口（如 OTUk、 OSC 等）基于物理层信号传送频率同步 ；6 后者采用 BMP/GMP/GFP-F 等技术，保证客户信号在映射 /解映射过 程中的定时性能不受影响。 5.1.1 网同步方式 在网同步方式下 ， OTN 设备时钟可以作为同步以太网设备时钟（ EEC）来对待，其 完全可以 替代 SDH 系统传送频率同步信号， 并 与原 SEC 时钟混合组网。 目前在 ITU-T 标准讨论中 OTN 设备时钟又称为 OEC（ OTN Equipment Clock）或 SyncO（ Sync over OTN），但对 OTN设备的频率同步功能 /性能要求还有待研究 ，国内行标分组增强型光传送网（ OTN）设备技术要求只在资料性附录中提到了相关功能要求，以下要求主要参考了 YD/T 2551-2013基于分组 网络的频率同步网技术要求中的相关规定，并兼顾了目前分组增强型 OTN 设备的实现方式。 采用网同步方式的前提是 OTN 设备时钟具备 完善的 时钟功能 结构 、支持 SSM 功能，并且定时性能满足要求。 5.1.1.1 频率同步时钟功能模型 OTN 设备频率同步时钟应支持物理层信号频率同步功能，可选支持 PTP 报文频率同步功能，频率同步时钟功能模型如图 3 所示。其中 TN/TE/T1 分别为 OTUk/同步以太网 /STM-N输入接口， T2 为支路信号输入接口， T3 为外同步输入接口， SETG 为同步设备定时发生器，T4 为外同步输出接口， T0 为内部定时接口。 对于支持 PTP 报文同步的方式，宜参考 T2 接口的处理方式；对于支持 OSC 同步的方式，宜参考 T2 接口的处理方式。 选择器 ASETG选择器 B选择器 CT 1T 2T 3T 4T 0TETN图 3 OTN频率同步时钟功能模型 OTN 设备时钟结构中的选择器应具有以下功能： (1) 选择器 A：