內建主時鐘硬體冗餘　電信級PTP提升網路可靠性

IEEE 1588-2008精確時間協定(Precision Time Protocol, PTP)已成為首選技術，為乙太網路回程連接上的遠端電信單元提供同步。圖1顯示了用於蜂巢網路的PTP同步的典型案例。

圖1 為下一代基地台提供同步性，將依賴部署在MSC/RNC中的PTP主時鐘。同步封包從主時鐘流到基地台中的從時鐘。

單純依靠頻率同步控制的行動基地台，例如全球行動通訊系統(GSM)和通用行動通訊系統(UMTS)，在E1/T1回程連接上使用15ppb實體層(G.823)時鐘來鎖定它們的內部振盪器，並產生基地台在射頻(RF)層同步時所需要的50ppb的時鐘訊號。如果無法滿足50ppb的同步要求將會導致掉話。

由於回程轉變到乙太網路，因此這個實體層同步服務鏈將不再可用。失去實體層同步產生了一個對新基地台設計要求，包含使用分組技術來滿足15ppb要求的PTP從時鐘。這些在基地台中的PTP從時鐘依賴於接入到部署在行動交換中心(Mobile Switching Center, MSC)或無線節點控制器(Radio Node Controller, RNC)內的電信級PTP主時鐘。

主時鐘冗餘考慮

業界已建立網路部署和基準網路測試模型，來說明運營商開發用於其網路的IEEE 1588-2008同步方案的特定部署規則。要提供容錯保護，可考慮以下兩種方法：

‧	基於網路的冗餘
	在網路內的不同地理位置上部署兩個完全獨立的主時鐘。
‧	內置主時鐘硬體冗餘
	主時鐘採用一個主用時鐘卡和一個備用時鐘卡。該備用主時鐘會複製主要主時鐘的所有設置包括IP位址，但一直保持休眠狀態直至主用主時鐘發生故障。

本文討論每種技術的優點和缺點，並描述內置在美高森美(Microsemi)硬體中的特性如何提供電信級可靠性和性能。

PTP從時鐘鎖定考慮

在討論冗餘之前，有必要了解PTP從時鐘如何同步到主時鐘。從時鐘與主時鐘透過請求維持同步流來建立通訊，指定了如資訊交換速率和維持時間等參數。當與主時鐘建立同步流，從時鐘會執行表1中所概述的階段來「鎖定」到主時鐘上。

圖2展示了該過程是如何工作的。首先，從時鐘自由運行在一個不確定的頻率上，而同時伴隨著捕獲和確認的過程發生。在此期間，輸出頻率和時間偏移都可能超出給定應用所要求的規範。頻率和時間校準到主時鐘上的過程，發生在跟蹤階段。等到達鎖定階段時，從時鐘將很好地處於應用範圍內，並且能夠長期維持目標性能等級。

圖2　IEEE 1588 PTP從時鐘捕獲和鎖定過程說明

基於網路的冗餘

在基於網路的冗餘中，使用兩個主時鐘。它們可能是協同運作的，但通常位於不同的地理位置來對故障提供最大限度的保護(圖3)。PTP從時鐘保存了可接受的主時鐘清單來供使用(稱為可接受的主時鐘表)，並與其中至少一個主時鐘建立通訊。如果第一主時鐘發生故障，從時鐘可能會試圖鎖定到清單中的第二主時鐘。

圖3　基於網路的冗餘

網路冗餘的功能為防止在主時鐘附近及主時鐘本身出現網路故障，因為第二主時鐘通常透過連接到網路不同部分的獨立通道來進行連接。然而，也存在一些由兩個不同主時鐘之間切換所產生的重大問題。

首先，用於嚴苛電信應用的PTP從時鐘通常要花一個多小時來達到完全鎖定狀態。這是因為透過分組網路的資訊延遲變化比電信應用的準確度要求大了幾個數量級，從時鐘必須建立自己的過濾歷史，以便補償網路路徑的行為。

從時鐘和兩個主時鐘之間的網路路徑將會不同。當切換到新的主時鐘時，從時鐘必須重建其自身的過濾歷史來匹配新的路徑。當從時鐘與新主時鐘經歷了捕獲、確認和跟蹤過程後，輸出可能已漂移到應用限制之外。

其次，延遲到新主時鐘的路徑可能顯著不同，因此它將導致兩者之間產生較大的相位或時間偏移。從時鐘必須識別此偏移並進行正確補償，以避免在輸出時鐘內產生相跳。應該注意的是，ITU-T(G.8261 Appendix VI, Test Case 17)已經設立了比較兩個不同網路路徑之間切換的測試，合格的從時鐘必須通過這樣的測試，確保性能退化的程度可以接受。

第三，假如兩個主時鐘鎖定在不同的主基準源(Primary Reference Source, PRS)，那麼它們之間可能有較大的相位和時間偏移。由於其相位和時間要與新的主時鐘對齊，因此在切換過程中，此時間偏差可能會引起從時鐘偏移其輸出頻率到應用範圍之外。

在從時鐘內有一些技術可以用來緩解這些問題，例如，因為可以預計兩個主時鐘頻率幾乎相同(在10EE-11之一內)，捕獲新頻率的過程不應花費和完全從零開始一樣長的時間。也有可能，在從時鐘中提供足夠的處理資源及主時鐘的能力，使從時鐘可以同時追蹤兩個不同的主時鐘，這樣一來，當須要切換時，從時鐘早已捕獲了過濾歷史和兩個主時鐘之間的偏移。

內置主時鐘硬體冗餘

提供主時鐘冗餘的一個更簡單的方法就是，採用內置硬體冗餘來實施電信級(Carrier Class)IEEE 1588-2008主時鐘，類似於今日的同步供應單元(SSU)和大樓綜合時脈供應(BITS)設備。一個完全冗餘的主時鐘採用一個主用和備用時鐘，同步到冗餘主基準源，例如全球衛星定位系統(GPS)或T1/E1(圖4)。主用時鐘透過網路交換結構進行連接，在它的時域中為所有PTP從時鐘同步流提供服務。

圖4　內置硬體冗餘

備用主時鐘複製主用主時鐘，具有所有的設置包括IP位址，但保持被動狀態，直到任何一個主時鐘發生故障或是與交換機失連時，備用主時鐘便進入活動狀態並接管IP位址，同時對交換機更新位址解析通訊協定(ARP)。然後，所有的PTP同步流由備用主時鐘來提供服務，而不影響PTP從時鐘區域。

這種配置的很大優勢是，因為主用和備用時鐘共用一個共同基準和公共網路位置，在容錯切換場景期間，PTP從時鐘設備不會看到同步偏移。從時鐘都將保持鎖定到冗餘保護主時鐘，也不會被迫去捕獲、確認和跟蹤具有未知偏移，或透過一個不同網路路徑來連接的新主時鐘。

圖5　採用硬體冗餘的IEEE PTP主時鐘保護從時鐘，避免了容錯場景期間的潛在服務影響。

圖5闡述了硬體型主時鐘冗餘的益處。場景1中，PTP從時鐘在整個切換過程中始終保持鎖定，實際上甚至可能並不知道有主時鐘切換事件發生。另一方面，當切換到它的備用主時鐘時，場景2中所示的PTP從時鐘脫離鎖定，並隨新主時鐘進行初始化捕獲、確認、跟蹤和鎖定過程。再鎖定持續時間和產生的相位和頻率偏移是從時鐘設計的功能，主時鐘性能和網路路徑以及延遲的差異，其中的大部分可以透過部署具有硬體冗餘的電信級IEEE 1588 PTP主時鐘來避免。

一般冗餘問題

有些可靠性問題會影響這兩種冗餘方法。在設計主時鐘時，主基準源故障是一個重要問題，尤其是在需要準確的時間和頻率時。對於頻率應用，也許可以使用T1或E1頻率基準提供備份。

倘若PRS失效，可追溯到Stratum 1時鐘源的T1/E1輸入基準，將保持PTP時間戳記漂移，並成為可接受的冗餘工程實踐。從時鐘或其接入連結的故障只會影響依賴該從時鐘的網路單元，而對整體網路的影響很小。在蜂巢網路中，由於此類保護的成本，這不是給基地台提供冗餘連結或時鐘的常見做法。

確保所有從時鐘保持鎖定

採用IEEE 1588(PTP)從時鐘，必須考慮在容錯事件發生時如何保護同步。部署電信級主時鐘並內置硬體冗餘，可確保所有的從時鐘保持鎖定，而且在時鐘容錯期間受到充分保護。

美高森美的PTP Grandmaster元件，例如用於TimeHub和SSU 2000同步系統的TimeProvider 5000和PTP刀鋒伺服器(Server Blade)，提供了內置硬體冗餘來確保從PTP同步網路中獲得最大性能。它們還可以鎖定到幾種不同的主基準源，在發生基準故障時提供容錯保護。在發生故障時，透過在兩個主時鐘之間進行切換， PTP從時鐘還實現了網路型冗餘。

(本文作者為美高森美產品線管理總監)