GPON和EPON的时间同步技术分析

　　1 引言

　　无线业务对于回传网络(Wireless Backhaul，基站和无线交换设备之间的链路)的带宽需求，随着无线业务的飞速发展而快速增加。过去，由于无线语音和低速无线数据是无线的主要业务，无线基站对带宽需求较小，租用E1/T1线路就能够满足需求。现在，随着3G时代的到来，无线数据以及视频业务的快速发展促使无线网络对覆盖和带宽的需求持续增长。

　　然而由于带宽的增长速度远高于收入的增长速度，运营商面临着增量不增收的矛盾。在运营商的OPEX总成本中，回传租用线约占45%。对于传统语音业务而言，2G基站传输1～2个E1/T1已基本上可以满足需求，此时带宽与收入的矛盾还不突出;但是到了3G时代，基站通常需要4～5个E1接口，支持HSDPA的基站甚至可能需要8～16个E1/T1。因此，如果仍旧采用租用E1/T1的传送方式，其网络的OPEX将因为带宽需求的增长而不断上升，这就迫使运营商寻找价格低廉而且有业务安全和质量保证的无线回传的解决方案。

　　PON作为可以满足上述运营商需求的网络技术之一，越来越受到运营商以及标准组织的重视。GPON/10G GPON的时间同步解决方案在ITU-T相关标准系列中已完成并公布，IEEE也正在制定EPON/10G EPON时间同步解决方案的相关标准并即将发布。

　　2 无线回传网络的时间同步需求

　　对于WCDMA，由于采用了异步基站技术，因而不需要无线回传网提供时间同步。对于 cdma2000以及TD-SCDMA，由于采用了同步基站技术，所以需要无线回传网提供时间同步。4G的LTE也倾向于采用同步基站技术。根据 3GPP2标准(cdma2000国际标准)的要求，时间同步的精度要优于±3?s，因此基站与基准时钟时间同步的精度要优于±1.5?s。根据3GPP 标准(TD-SCDMA以及WCDMA的国际标准)对TD-SCDMA的要求，时间同步精度要优于±3?s;同理，基站与基准时钟时间同步的精度要优于±1.5?s。因此，基站与基准时钟相位同步的精度要求要优于±1.5?s。

　　由上述分析可知，时间同步需求是cdma2000，TD-SCDMA，LTE等无线制式对回传网络的基本需求。如果PON不支持高精度的时间同步，则将无法作为这几种无线制式的回传网络。

　　3 GPON/10G GPON时间同步标准

　　GPON/10G GPON的时间同步机制参见图1。

　　图1 GPON/10G GPON时间同步机制

　　图1所示方法的具体步骤为：

　　(1)OLT首先与上一级设备完成时间同步。

　　(2)OLT计算出第X个Super Frame到达ONUi时对应的ToDx,i(TIme of Day，时间)。

　　(3)OLT通过OMCI消息告知ONUi，当第X个 Super Frame到达ONUi时对应的ToDx,i。

　　(4)ONUi收到该OMCI消息后，对ToDx,i进行相应的补偿，得到精确的第X帧到达时间real_ToDx,i。

　　(5)ONUi在第X帧到达时，将其本地时间设置为 Real_ToDx,i即完成时间同步。

　　该方案的误差主要由3部分引入：上/下行波长不同，Serdes，测距。

　　GPON的下行中心波长为1490nm，上行中心波长为1310nm。对于典型的 SMF-28光纤，下行的折射率n1490 = 1.4682，上行的折射率n1310 = 1.4677，两者之差为0.0005，因此得到矫正因子为 。如果使用0.5作为近似值进行计算，则引入的误差约为170ppm，在最大的物理距离20km的情况下，大约为17ns。因为20km的单向传输时延约为100?s，乘以这个170ppm，可以得到误差约为17ns。这个值是可以通过计算补偿的。

　　Serdes串并转换的时延在ONU每次激活时都是不确定的，具体误差取决于 Serdes位宽。对于目前比较常用的16bit位宽的Serdes，此处在相邻两次激活时引入的最大误差可达±16bits。对于GPON来说，下行速率为2.488Gbit/s，则该误差换算成时间约为±6.4ns。这个误差的补偿理论上也是可以由MAC芯片完成，但是实现相对困难：这要求ONU的 MAC芯片在ONU每次上线激活以后，提取Serdes具体偏移，然后再对其补偿。

　　GPON测距时，不同ONU的Response TIme不定，可引入±1?s的误差，从而使测出的单向时延的误差为±0.5?s，从极端恶劣情况下对时间同步精确度的影响来看，这个补偿必须做，否则将导致较大的精确度劣化。不过这个补偿也是很容易实现的，因为在芯片做好以后，这个值相对固定，只需要加/减相应的固定值即可。

　　GPON的EqD误差：GPON的DoW告警触发门限为±4bits，GPON的上行速率为1.244Gbit/s，换算为时间±3.2ns，则在单向时延上引入的最大误差为±1.6ns。这个误差在不改变现有GPON标准的前提下是无法补偿的。

　　综上所述，对于上下行波长不同引入的误差，在20km的极限情况下约为17ns，这个误差可以通过简单计算补偿;对于串并转换引入的误差，在使用16bit位宽的Serdes的情况下，约为±6.4ns，这个误差也可以补偿，但是实现比较复杂，不推荐做;对于测距引入的误差，在实现了response time补偿的情况下，为±1.6ns，这个误差在不改变现有标准的情况下，无法补偿：所以，在补偿都实现的情况下，理论精度可以达到±1.6ns;在不做任何补偿的情况下，精度在±25ns以内。10G GPON的误差分析类似。

　　该方案在2008年12月的ITU-T SG15 Q2会议上首次提出即得到了广大运营商和设备商的认可，认为该方案利用了GPON本身的测距的结果以及GPON本身的下行帧同步机制，实现也较为简单。后续Q2对此方案进行了深入讨论。2009年10月ITU-T SG15全会上，Q2与Q13就此问题进行了联合讨论，该方案获得认可并正式写入到了G.984标准(GPON的国际标准)中。

　　对于10G GPON，由于测距以及下行帧同步等时间同步相关的机制跟GPON相同，因此10G GPON的时间同步方案沿用了G.984标准的方案，目前已经写入G.987.3(10G GPON的TC层标准)以及G.988(10G GPON的OMCI标准)的草稿中，近期就会正式发布。

　　华为积极参与了GPON以及10G GPON标准的制定，提出了大量有价值的技术方案，上述的GPON/10G GPON的时间同步方案就是由华为最先提出的。华为的专家Frank Effenberger为ITU-T SG15 Q2(负责GPON/10G GPON标准的制定)的大会报告起草人(Rapporteur)，并兼任G.984.3(GPON国际标准的TC层部分)的标准合编者(co- editor)， Yuanqiu Luo为G.987.3(10G GPON国际标准的TC层部分)的co-editor，林薇为G.988(10G GPON国际标准的OMCI部分)的co-editor，为推动GPON/10G GPON标准的进展做出了重要的贡献。

　　4 EPON/10G EPON时间同步标准

　　EPON/10G EPON的时间同步机制参见图2。

　　图2 EPON/10G EPON时间同步机制

　　图2所示方法的具体步骤为：

　　(1)OLT首先与上一级设备完成时间同步。

　　(2)OLT计算出ONUi的localTime为X时的 ToDx,i。

　　(3)OLT通过OSSP报文，将localTime为X时的ToDx,i告知ONUi。

　　(4)ONUi收到该OSSP消息后，对ToDx,i进行相应的补偿，得到精确的localTime为X时对应的时间real_ToDx,i。

　　(5)ONUi在localTime计数到达X时，将本地时间设置为real_ToDx,i即完成时间同步。

　　该方案的误差主要由3部分引入：上/下行波长不同，Serdes，测距。与GPON类似。

　　上/下行波长不同引入的误差部分，由于EPON的上/下行波长分别和GPON的上/下行波长相同，因此该部分的误差也相同。

　　Serdes部分引入的误差也一样，只是EPON速率较低，引入的误差为±12.8ns。

　　测距部分，EPON的guardThresholdOLT门限为12个TIme Quanta，每个Time Quanta为16ns，换算为时间为192ns，则在单向时延上引入的最大误差为±96ns(但是最恶劣情况是小概率事件，通常不会出现)这个误差在不改变现有EPON标准的前提下是无法补偿的。

　　综上所述，对于上/下行波长不同引入的误差，在20km的极限情况下约为17ns，这个误差可通过简单计算补偿;对于Serdes串并转换引入的误差，在使用16bit位宽的Serdes的情况下，为±12.8ns，这个误差也可补偿，但是实现比较复杂，不推荐做;对于测距引入的误差，为±96ns，这个误差在不改变现有标准的情况下，无法补偿;所以，在实现了所有补偿的情况下，理论精度可达±96ns;在不实现任何补偿的情况下，精度在±130ns以内;10G EPON的误差分析类似。

　　该方案在2009年1月的IEEE 802.1AS会议上进行了讨论，得到了广大参会成员的认可，认为该方案利用了EPON/10G EPON本身的测距的结果以及EPON/10G EPON本身的同步机制，实现也较为简单。目前，802.1AS标准基本定稿，该方案也已经能被标准文本正式内容所覆盖。

　　5 结束语

　　华为积极参与了EPON以及10G EPON标准的制定，提出了大量有价值的技术方案，上述的EPON/10G EPON的时间同步方案就是由华为最先提出的。华为的专家Yuanqiu Luo为IEEE 802.1AS Clause 13(EPON/10G EPON的时间同步部分)的标准编辑者(Clause Editor)，为推动EPON/10G EPON标准的进展做出了重要的贡献。