5G承载(7):是什么导致了光传输网络中的时间同步误差?

在传输网络中,我们大多关注全路径支持G..

在传输网络中,我们大多关注全路径支持G.8275.1 以及网络交换机和路由器相关的Class A、B、C 甚至 Class D 等指标性能。但其实,互联这些IP设备之间的DWDM波分网络也是影响时钟时间误差比较关键的因素之一。

为什么需要保障一定的时钟时间等级?这是因为在时分双工 (TDD)的网络中,无论是 4G/LTE 还是 5G,都需要在蜂窝小区保障 1.5 µs 的最大时间误差。在G.8275.1 中,给出了这个最大时间误差 (Max|TE|)在网络中不同层次的预算,比如说时间误差允许分配给蜂窝站的电信主时钟 (T-GM) 和电信时间从时钟 (T-TSC) 之间的传输网络总共1,000 ns,如下图所示的参考点 B 和 C 之间的时间误差预算。

上图中的时间误差预算还包括 T-GM 的 ±100 ns,用于终端应用的±150 ns(其本质上是移动网络中的基站)。以及用于基站中的短期保持的±250 ns 预算,以允许在故障情况下切换到替代 T-GM 等。

另外,时间误差预算分为节点不对称和链路(光纤)不对称两种情形,而管理其中的不对称性对于构建高质量的 5G 移动传输网络至关重要。

为什么会至关重要,主要还是因为1588v2从根本上假设网络是对称的,两个方向的延迟完全相同。我们知道,从 T-GM 到 T-TSC 的传输时间是1588v2时间同步的关键部分,如果是在完全对称的网络中,我们可以做到精确的测量,但是现实中哪有完全节点和链路都对称的网络?

同时,在实际的网络中,这些时间/相位误差本身也不是静态的,情况将变得更加复杂。因此,最大绝对时间误差 (Max|TE|) 实际上是通过节点、链路或网络的恒定时间误差 (cTE) 和相应的动态时间误差 (dTE) 计算得出来的。如下图所示。

如上图所示。

  • 绿色曲线:表示任何给定时间的时间误差 (TE) 是 cTE 和 dTE 的总和。而 Max|TE| 则是从零开始测量的网络中观察到的最大 TE 绝对值,它表示为时间,通常以 ns 为单位,并且始终为正数;
  • 橙色虚线:表示的是恒定时间误差(cTE),是以 ns 为单位的时间数字,可以是正数或负数。cTE对于具有静态误差的网络组件,例如光纤,cTE 在任何时候都是相同的。而对于具有更多动态特性的网络组件,例如 IP 路由器,标准定义 cTE 是使用 1,000 秒时间段内的时间误差的平均测量值来计算的;
  • 蓝色虚线:表示动态时间误差(dTE ),尽管它随时间变化,但通常指定为最大时间间隔误差 (MTIE),dTE主要由交换/路由设备产生,可使用G.8273.2兼容设备进行管理。

因此,基于以上分析,光传输网络中时间不对称的来源主要有如下几个方面:

  • 光纤不对称:在波分网络中,通常是基于双纤双向的传输系统。光纤链路的长度、跳纤长度等都不能保证完全的一样,这样就会产生恒定时间误差cTE:光纤长度每米不对称将有 5ns 的额外延迟和 2.5ns 的 cTE。
  • 非相干网络的色散补偿:这主要体现在100G以下速率的DWDM网络中,比如说基于色散补偿光纤 (DCF) 的色散补偿,其内部负色散光纤的长度不一样,也会导致恒定时间误差 cTE 。
  • 相干光学器件中的先进先出 (FIFO) 缓冲器:在以100Gb/s及以上速率的DWDM网络中,光模块内部的数字信号处理器 (DSP) 内包含 FIFO 缓冲器的相干光学器件。这些缓冲器在初始启动时具有随机延迟,而且每个光接口中各不相同,从而造成不对称,产生随机时间误差,该误差在短期内是恒定的 (cTE),但则于网络维护或链路恢复时,长期内有时可能导致动态的 (dTE) 。
  • Transponders 和 Muxponder 中的OTN映射:OTN内部的映射也利用到FIFO缓冲区,以使设备能够适应广泛的业务类型,但它可能导致比相干光学中的更大的延迟;
  • IP路由器和以太网交换机中的时间误差 TE :由于路由器/交换机内的时间戳记不准确造成的不对称。

综上,为了缓解传输网络中的节点和链路不对称导致的时间误差问题,特别是在DWDM网络中,一对OTU的收发都可能导致整个网络时间误差预算不对称,我们需要从底层对波分网络进行设计。如果没有端到端的对5G传输网络中的静态时间误差(cTE )和随机动态时间误差(dTE)进行较好的地管理,那么这些时间误差就可能带来高昂的代价。