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跨大型异构同步以太网网络保持精确的定时

文章：kimberly gerber

什么是同步，为什么它对现代通信网络如此重要?

什么是同步，为什么它对现代通信网络如此重要?简单的回答是，它是同步以太网的简写。更长的答案是，它是标准以太网的一种变体，允许网络中的所有节点同步工作，尽管传播延迟相差很大。

它使用用于在可追溯到参考时钟的网络上通过以太网的物理层传输频率信息的方法来实现这一点。在此过程中，Synce在大型广泛分布的网络上提供频率同步的能力使其成为有线访问和无线数据回程网络中广泛使用的技术。并且，随着5G网络继续推出，Synce将在那里支持需要精确频率参考的许多应用程序。

同步演化
随着电信和无线提供商从传统的语音网络转向主要基于ip的数据包数据传输，以太网的低成本和简单性使其成为数据传输的主要媒介。为了适应日益增长的分组数据量，运营商已经逐渐用基于以太网的分组交换网络取代了旧的时分多路复用(TDM)同步光网络(SONET)和同步数字层次(SDH)网络。

这些基于IP/以太网的网络提供更低的成本和更高的容量，以及在同一网络上承载不同类型的服务的能力。然而，问题确实出现了，因为传统的以太网通信是异步的，这对高质量的IP语音会议、更好的手机切换和需要低延迟和实时通信的先进传感器网络等应用服务很差。

为了解决这个问题，SyncE将传统时分复用系统使用的物理层的线路信号替换为一种类似时分复用的同步定时技术，这种技术与以太网的基于包的协议兼容。对于具有许多端点的大型网络的可伸缩性来说，使用主参考时钟(PRC)将同步从一个集中的位置分发到网络的边缘有一个优势。

Synce支持在有线网络上的高质量定时引用（例如PRC）的创建和分发，并向无线网络的无线基带单元的边缘。Synce通过与数据一起传输物理层上的定时频率来消除重度力。重要的是要注意，同步能够仅能够将频率信息从节点传递到网络中的节点。这与时间同步不同，其包括基于分组的网络中的频率和相位分布，例如精度时间协议（PTP）。

SyncE精度要求
SyncE的网络同步机制是基于一个时钟层次结构的，最高精度的时钟位于顶层。在几乎所有的同步网络中，这是一个PRC，它的精度为10e^-11年．这个参考可以从一个本地的超稳定定时源或者更常见的GPS信号中得到。下一级是同步供应单元(SSU)，也称为建筑集成定时供应(BITS)。SSU级别需要一个保留特性，允许单元在网络中有PRC输入损失的情况下维持一段时间的定时。我们将在本文后面更详细地讨论滞留。

第三个级别是以太网设备时钟(EEC)，它也需要延迟，但是延迟的准确性没有上面的级别严格。这第三级是同步时钟，它是通过一个锁相环(PLL)实现的，能够跟踪本地的备用烤箱控制晶体振荡器(OCXO)或温度补偿晶体振荡器(TCXO)参考，频率稳定度为+/-4.6 ppm或更好。

请记住，整个网络将有PRC (10e^-11年)的准确性，当主要参考链接可用时。在正常的SyncE系统运行期间，SyncE定时分布为每个节点提供一个PRC可跟踪的时钟。同步有时被错误地认为具有+/-4.6 ppm的定时精度，但这只是EEC时钟的自由运行精度。移动网络等应用程序要求准确度在+/-50 ppb左右。当系统被PRC锁定和同步时，它应该提供ppb精度或更好。只有当设备失去同步时，它才会回到EEC本地OCXO/TCXO参考时钟的准确性。图1提供传统以太网和Synce时序之间的+/- 100ppm至+/- 4.6 ppm差异的简化说明。

图1此图显示了本机以太网和同步以太网之间的界面差异。

同步时钟挑战和国际电联标准
实现同步的国际标准是由国际电信联盟电信(ITU-T)网络互操作性管理机构定义的。该组织已经编写了互操作性协议标准，设备制造商必须满足这些标准才能被认为是合规的。SyncE遵循的标准如下:

时钟要求:定义同步以太网设备时钟(EECs)的定时特性，
G.8262.1时钟要求EEEC：定义了同步增强型以太网设备时钟的定时特性，要求更紧密的要求集中于5G。

上述G.8262和G.8262.1标准包括同步时钟必须能够满足的各种抖动和漂移要求。不幸的是，在SyncE中实现的物理层时钟受到抖动和漂移的影响，这降低了通过网络的时钟的质量和可靠性。

因此，SyncE时钟对整个系统级时间预算的分配是有限的。在这种情况下，抖动被定义为超过10hz带宽的相位变化，而漂移被定义为在低于10hz频率发生的变化。使用10hz作为抖动和漂移之间的分界线是电信行业多年来一直使用的一种任意约定。事实上，抖动和漂移都是相位变化，但它们在网络中的影响是不同的。

过多的抖动会导致位错误，这可能导致网络数据中的数据包丢失或丢失。徘徊会影响时钟功能锁定和跟踪上游定时参考的能力，并将影响通过网络传递的时钟引用的分布。在网络中的每个下游时钟器件中，通过从进入物理层信号恢复时钟，该设备被锁定到主参考时钟的频率。

ITU-T标准概述了兼容同步时钟的测试和预期要求。G.8262提供两种不同的带宽选择。选项1 (1- 10hz)是欧洲同步网络中使用的默认带宽，针对2048kbit /s层次结构的设备性能要求进行了优化。选项2 (0.1 Hz)是美国使用的带宽，为1544kbit /s层次结构进行了优化。

重要的是要选择一种高质量的时钟，可以满足这些标准，以确保同步的正常可操作性。它不如具有准确到+/- 4.6 ppm的时钟那么简单;时钟必须满足的其他几个性能指标以确保同步的正确可操作性。以下是关键时钟级测试中的一些。

自激的准确性
时钟输出的准确性，当它不是由上游参考应该等于或优于+/-4.6 ppm在一年的时间周期。与传统以太网的时钟精度(+/- 100ppm)相比，这是一个非常精确的时钟。

延期
时钟不断计算锁定参考的平均频率。如果引用失败，并且没有其他可用的引用，时钟将进入滞留模式，并根据计算出的平均值生成一个输出时钟。滞留稳定性取决于作为锁相环主时钟的振荡器的频率稳定性。

输入监控
时钟必须不断监视输入的质量。如果输入劣化（消失或频率漂移），则时钟用“无人开关”交换到另一个有效输入，输出对输出非常小的相位扰动。为合规性定义最大限制。

SyncE抖动测试
每个网络数据接口都存在抖动。高质量的抖动衰减器时钟，如硅实验室SI539x / 4x器件，具有低固有抖动。与其他设备相比，这些抖动衰减器设备具有稳健和抖动耐受性，并且完全能够满足Synce合规性要求。

抖动一代：时钟不得超过给定掩码的限制。这些是基于1G，10G和25G车道速率的界面来定义的。为了帮助网络设备符合这一挑战，硅实验室提供了在12 kHz-20 MHz集成带中生成<100 FS抖动的抖动衰减器。我们将使用其中一个设备，SI5395，展示如何减轻局部的固有特性。
抖动容忍:该测试验证时钟设备对应用于输入的抖动的健壮性。图2显示SI5395抖动衰减器的25g抖动公差测试，其中产生25 MHz频率调制信号并放置在输入时钟上。对于标准提出的每个调制频率，执行调制偏差扫描，直到触发其中一个警报，指示故障。该图表明，SI539X时钟超出了最小抖动公差要求。

图2此图显示了G.8262一致性的耐抖动EEC测试结果。

SyncE漫步测试
通过从传入物理层(SyncE)恢复时钟，每个下游时钟设备被锁定到中华人民共和国的频率。但是恢复和再生时钟参考的过程可能是一个流浪的来源。为了防止这种情况，一个符合同步的锁相环负责过滤沿着同步链积累的漂移。这是实现了一个锁相环带宽低于10赫兹。该标准限制了在锁相环上传输的漂移量以及在无漂移输入的情况下产生的漂移量。

徘徊在外部参考时钟测量，该时钟与主参考时钟信号直接通信。徘徊的基本测量是时间间隔错误（TIE）。这代表了相对于参考所测试的时钟信号。TIE用于计算几个其他测量，例如以下内容：

最大时间间隔误差(Maximum time interval error, MTIE)是时间间隔误差的峰间变化。它随观测区间单调增加。这提供了时钟的长期行为和稳定性，并且对高频噪声不敏感。
时间偏差(TDEV)是TIE图作为观测区间tau的一个有效的频谱分析。它是通过在应用一个滤波器带宽后取TIE的均方根值来计算的，该带宽与观测间隔成反比。为了获得准确的TDEV结果，测量周期应至少为所需的最大观测间隔的12倍。

许多同步测试过程涉及各种类型的漂移测量，其中一些测试的结果在很大程度上取决于提供给时钟设备的备份参考(TCXO/OCXO)的质量。以下是关键的漂移测试及其用于同步遵从性的目的。

游荡的一代
当一个时钟被锁定到一个无漂移输入时，时钟的固有漂移可以被测量。同步时钟可以引入多少漂移有严格的限制，这是由MTIE和TDEV掩码定义的。图3显示了MTIE和TDEV掩模以及Silicon Labs Si5395抖动衰减时钟的测量结果。

图3该图显示了MTIE和TDEV掩模(虚线)和Silicon Labs Si5395抖动衰减器时钟的测量结果。