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3.3时间同步14
第二部分时钟同步理论14
第一章时钟同步的基本原理15
1.1同步方式15
1.2时钟类型17
1.3时钟设备等级划分19
1.4工作模式21
第二章SDH网同步结构和方式22
2.1SDH的引入对网同步的影响22
2.2SDH网同步结构22
2.3SDH网同步方式25
2.4同步网定时基准传输链26
第三章时钟的定时要求28
3.1基准主时钟的定时要求28
3.2节点从时钟的定时要求28
3.3SDH网元时钟的定时要求28
3.4SDH时钟的应用28
第四章时钟保护30
4.1概述30
4.2SSM30
4.3S1字节32
第三部分时间同步理论32
第一章NTP32
1.1NTP简介32
1.2NTP的应用33
1.3NTP工作原理34
1.4NTP的报文格式35
1.5NTP协议算法37
1.6NTP的工作模式38
1.7NTP系统体系结构40
1.8NTP多实例举例41
1.9NTP应用建议41
第二章IEEE1588时间同步42
2.1IEEE1588的发展42
2.2IEEE1588的关键技术42
2.31588V2组网46
2.41588V2的应用48
附录：
常用标准48
第一部分数字同步基础
第一章同步的重要性
数字同步网与电信管理网、信令网一起并称为电信三大支撑网，它的服务对象是各种业务网。
同步网的基本功能是准确地将同步信息从基准时钟向同步网的各下级或同级节点传递，从而建立并保持同步。
数字同步网是现代通信网的一个必不可少的重要组成部分，网络同步和时钟产生是高速传输系统设计的重要方面。
为了通过降低发射和接收错误来提高网络效率，必须使系统的各个阶段都要使用的时钟的质量保持特定的等级。
网络标准定义同步网络的体系结构及其在标准接口上的预期性能，以保证传输质量和传输设备的无缝集成。
1.1同步与异步
数字通信是数字信息从发送器向接收器传送的过程。
发送器周期性地发送每位数据，接收器在接收到该数据的半个周期时刻进行采样并判决其值，以恢复原数据，这种信息收发的位同步非常必要，影响这种协调的方式有同步和异步而二种。
异步方式的工作过程如下:
发送端先将欲要发送的信息分成一个一个的字符，对每个字符在发送前又进行包装，在每个字符前端插入起始位、末端插入停止位，构成10bit/字符的结构发送出去，如下图所示。
接收端处在随时接收数据的等待状态，一旦收到启始位即受到提醒进入短时间的收发同步状态，进而进行该字符数据的接收，在收到停止位时，能确认字符接收完毕，并准备下一个字符的接收。
可见它是随机的字符发送方式，要求收发时钟频率大体相同才能保证有效接收。
因此速率低、数据少、随机数据通信（如键盘、鼠标、远程终端）等通信场合使用。
RS232－C即是广泛采用的一种异步接口标准。
7
6
5
4
3
2
1
起始位数据位终止位
异步方式\发送的字符
同步方式的工作过程则不同，它是将要发送的字符数据集中批量发送，省去了所以字符前的起止位的提醒，大大提高了数据传输的效率。
在电信网中应包含了4个层次上的同步：
（1）位同步
（2）帧同步（3）时隙同步（4）网同步。
它要求发送端和接收端有一致的时钟信号，既要同频也要同相。
下图为帧同步与异步方式的时序构对比示结意图。
异步传输：
空闲
Byte1
Byte2
Byte3
Byte4
同步传输：
Frame1
Frame2
异步同步传输数据流
对比可以看出：
在同步方式下，作为额外开销的同步字符，不随发送信息的多少而改变，在大量数据传送时，能有很高的效率。
譬如，在发单个数据字符，每块同步损耗达200％，可在发送512个数据字符块时，则同步损耗仅占0.39%，有非常高的传送效率，因而同步方式在计算机网络、数据数字通信中有更为广泛的应用。
而异步方式更适合于终端、绘图仪、调制解调器等低速信息传递。
同步传送
通常时钟信号的获得来自二种途径：
其一是采用时钟专线，即将发送端时钟直接传送给接收端同步使用；
其二是借助锁相环，利用发送端传送的信息流中的时钟频率、相位信息，进行同步时钟提取、恢复再使用。
有的是从从业务码流中提取时钟定时，有的是利用专用载波信号来提取同步定时。
直接使用专用定时的情况主要是在小系统的情况。
由于接收端始终与发送端保持同步状态，信息的传送就省缺了每个字符前的同步提醒，从而能将信息以数据块（帧）的方式，高速传递。
同步方式是现在数字通信的主要方式，同步技术的深入研究也已成为数字通信系统不可分割的部分。
1.2同步与数字交换
数字交换机是通信网中的一个节点，通过节点的信息交换功能，信息才能在通信网中四通八达。
而作为被传送和交换的数字信息则是以时分复用的方式构成的。
其交换方法是数字交换机将收到的数字信息以一种顺序写入存储器，以另一种顺序从存储器读出后传送，因此节点处的信息交换实质是数字信息序列的时隙交换，如下图所示。
时隙交换的两种方式
1.3同步与数字传输
数字传输系统是对编码的数字信息以时分复用方式传送的，数字通信的同步是指收、发两端的数码率及各种定时标志都步调一致，不仅要求频率相同，而且要求相位一致。
接收端和发送端在时钟上的同步是正确接收、识别信息和分出每一路的信息码和信令码的保证。
1.4同步与分组传输
IP化是未来网络和业务的发展趋势，而以太网以其优越的性价比和广泛的应用及产品支持成为以IP为基础的承载网的主要发展方向。
在部署电信级以太网时，如何解决时钟同步问题是一个重要的考虑方面。
对分组网络的同步需求有两个方面：
一是分组网络可以承载TDM业务并提供TDM业务时钟恢复的机制，使得TDM业务在穿越分组网络后仍满足一定的性能指标；
二是分组网络可以像TDM网络一样，提供高精度的网络参考时钟，满足网络节点或终端的同步需求。
第二章同步的基本概念
数字通信网中要解决的基本问题一直就是网络同步，并将其作为最基本的通信支撑技术。
通过满足要求的时钟定时基准和同步定时链路，向所有网元分配时间和频率。
因此，网同步的目的是使网中各网元节点的时钟频率和相位都限制在预先确定的容差范围内，避免由于数字传输系统中收、发定位的不准确导致传输性能的劣化（误码、抖动和漂移等超出容限值）。
下面介绍几个同步网中的基本概念。
2.1锁相环
锁相环技术是一种使输出信号在频率和相位上与输入信号同步的电路技术，即当系统利用锁相环技术进入锁定状态或同步状态后，系统的震荡器输出信号与输入信号之间相差为零，或者保持为常数。
锁相环路技术是时钟同步的核心技术，它经历了模拟锁相环路技术和数字锁相环路技术的时代，直至发展到今天的智能锁相环路技术。
模拟锁相环的各个部件都是由模拟电路实现，一般由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等3部分组成，其中鉴相器用来鉴别输入信号与输出信号之间的相位差，并输出电压误差，其噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除，形成压控振荡器的控制电压，其作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率拉向环路输入信号频率，当二者相等时，即完成锁定。
与模拟锁相环相比，数字锁相环中的误差控制信号是离散的数字信号，而不是模拟电压，因此受控的输出电压的改变是离散的而不是连续的。
另外，环路组成部件也全用数字电路实现，改善了模拟锁相环稳定性差的问题。
随着数字技术的发展，出现了智能锁相环路技术，即直接数字频率合成（DDS—DigitalDirectFrequencySynthesis）技术。
智能全数字锁相环在单片FPGA中就可以实现。
借助锁相环状态监测电路，通过CPU可以缩短锁相环锁定时间，并逐渐改进其输出频率的抖动特性，达到最佳的锁相和频率输出效果。
2.2频率准确度（Frequencyaccuracy）
频率准确度是指信号的实际频率值与理想的标称频率的偏离程度。
一般用相对频率偏差来表示，例如若标称频率为f0，实际频率为f，则频率准确度为（f-f0）/f0，单位一般用ppm来表示。
一般频率准确度是指长期频率偏离。
2.3相位稳定度（Phasestability）
相位稳定度表征信号频率及相位随机起伏的程度。
导致相位不稳定的机理有很多种，随着测试取样时间不同，测试结果也不同。
一般稳定度分为长期相位稳定度（长稳）和短期相位稳定度（短稳），二者并没有严格的界限，一般取样时间在1000秒以下称为短稳。
衡量相位稳定度有两种方法，分别是时域和频域的表征。
频域一般用频谱仪来进行测试，而时域则主要用时间间隔分析仪进行测试。
2.4抖动（Jitter）
抖动指时钟信号的各个有效瞬间相对于理想信号的时间位置快速的往复变化，其变化的频率超过10Hz称为抖动。
抖动的大小可以用相位弧度，时间（ns、ps）或者比特周期来表示。
一个比特周期的抖动称为1比特抖动，常用单位间隔“UI”来表示。
2.4.1抖动的描述方法
可以通过许多基本测量指标确定抖动的特点，基本的抖动参数包括以下3个：
（1）、周期抖动（periodjitter）。
测量实时波形中每个时钟和数据的周期的宽度。
这是最早最直接的一种测量抖动的方式。
这一指标说明了时钟信号每个周期的变化。
（2）周期间抖动（cycle-cyclejitter）。
测量任意两个相邻时钟或数据的周期的宽度的变动有多大，通过对周期抖动应用一阶差分运算，可以得到周期间抖动。
这个指标在分析锁相环性能的时候具有明显的意义。
（3）时间间隔误差（TIE）。
测量时钟或数据的每个活动边沿与其理想位置有多大偏差，它使用参考时钟或时钟恢复提供理想的边沿。
TIE在通信系统中特别重要，因为它说明了周期抖动在各个时期的累积效应。
2.4.2抖动指标
输出抖动：
这种抖动是在各系列接口的网络输出抖动和各个数字设备产生的固定抖动，测量结果可以用指定频率范围内抖动的峰-峰值来标识
抖动容限：
输入抖动容限定义为在设备上造成1dB光功率代价的输入信号中正弦抖动的峰峰值。
抖动容限特性实际上衡量的是设备所能容忍的随抖动频率而变化的抖动幅度的极限值。
可以用比特差错率（BER）恶化或开始发生差错时所对应的最大输入抖动数值来表示。
定时恢复电路从接收到的信号中抽取定时，定时恢复电路总是跟踪其相位变化。
在低频抖动时，尽管抖动幅度较大（>
10UI），取样时刻还是在数字信号时隙的中央，因而不会产生误码。
在高频抖动时，定时恢复电路不能紧跟随其变化，所以容限较小（<
0.15UI）
抖动传递：
抖动传递函数被定义为输出STM-N信号的抖动与所加输入STM-N信号的抖动的比值随频率变化的关系，描述了数字网元设备对输入信号抖动的抑制能力。
在小于fC的频率下，抖动增益小于0.1dB。
输入STM-N信号的附加的正弦抖动为相应标准的输入抖动容限模板，得出输出抖动，从而得到抖动传递函数，抖动传递函数应符合相应标准的模板。
表征当被测系统受有抖动的输入信号驱动时，由被测系统所引起的抖动幅度的变化。
映射抖动指在SDH设备的PDH支路端口处输入不同频偏的PDH信号，在STM-N信号未发生指针调整时设备的PDH支路端口处输出PDH支路信号的最大抖动。
结合抖动是指在SDH设备线路端口处输入符合G.783规范的指针测试序列信号，此时SDH设备发生指针调整，适当改变输入信号频偏，这时设备的PDH支路端口处输出信号测得的最大抖动就为设备的结合抖动。
2.5漂移（Wander）
漂移指时钟信号的各个有效瞬间相对于理想信号的时间位置快速的往复变化，其变化的频率小于10Hz称为漂移。
表征漂移性能常用的两个参数：
MTIE（最大时间间隔误差）和TDEV（时间方差）。
MTIE和TDEV可以用来描述瞬态特性和低频噪声。
MTIE用于描述相位瞬变是非常有效的，因为它描述了在一段时间内信号的最大相位变化。
但是，它不适于描述噪声特性，因为它对于相位瞬变过于敏感。
随机噪声最好由TDEV来描述，它用均方根值（RMS）代替峰峰值，TDEV可以移去信号中的瞬态特性，因此，能够很好地分析噪声过程。
2.6滑动
通信网内运行的相关数字通信设备均应工作在一个相同的平均速率上。
如果发生设备的时钟频率快于接收设备的时钟频率，接收端就会周期性的丢失一些送给它的信息，这种信息丢失成为漏读滑动；
若果接收设备的市政频率快于发送设备的时钟频率，接收端设备就会周期性的重读一些送给它的信息，这种信息重读成为重读滑动。
2.7再定时
在采用缓冲存储器控制滑动的各种设备中（如数字交换设备等），是采用再定时原理取得同步的，即以从写入比特流中提取出的定时作为写入定时，以系统定时作为读出定时。
典型的缓冲存储器可保留大于一帧的数据量，当缓冲存储器发生漏读或重读现象时，会漏读或重读一个帧的数据，这成为受控滑动。
2.8时间间隔误差
指在特定的时间周期内，给定的时钟信号与理想信号的相对时延变化，是衡量信号相位稳定度的原始数据，又称原始相位数据（RawPhase）
描述在某个观测时间段内，被测信号相对于测试基准信号的相位偏差的大小，是推算MTIE、TDEV的原始数据，将相位偏差值（通常以ns为单位）作为纵坐标，观测时间（以秒作单位）作为横坐标，将实测值填入坐标系，就可以给出TIE测试图。
2.9最大时间间隔误差MTIE（MaxTimeIntervalError）
指在一段测量时间内，所有观测时间为τ的时间间隔误差的最大值。
MTIE是一个统计值，它反映了在该段测量时间中，每τ秒内信号的TIE的最大值，即最大相位变化。
MTIE是衡量时钟信号稳定度的指标。
其计算公式为：
2.10时间方差TDEV（TimeDeviation）
TDEV可以理解为在观察时间τ内相位变化的统计平均值，因此TDEV可以用来表征随机的相位和时间稳定度，反映了信号噪声能量的大小，用以表示时钟的长期稳定度。
TIE在测试阶段起始时会被设为0，因此TIE给出的是后续取样点和测试开始时的相位变化。
MTIE是指在定义的观察周期内的TIE的峰峰值。
TDEV具有更加抽象的物理含义，它采用两个窗口的边界值来计算方差，反应出来的是信号的慢变化程度，完全屏蔽了时钟中确定抖动引起的误差，完全描述的是随机抖动引起的误差。
三者的关系如下图所示：
牵引入/牵引出范围：
牵引入范围是指能够使从时钟进入跟踪工作的输入频率与标称频率之间允许的最大频偏；
牵引出范围是指超出该范围就不能使从时钟维持跟着状态的输入频率与标称频率直接允许的最大频偏。
对于牵引入/牵引出范围，标准要求都不应小于±
4.6X10-6（±
4.6PPM）。
2.11世界时
最早的时间标准。
在1884年，国际上将1ｓ确定为全年内每日平均长短的8.64万分之一。
用这个定义秒长的时间系统，称为“世界时”（简称Ｕ．Ｔ）或格林尼治太阳时。
2.12原子时
1967年，人们利用铯原子振荡周期极为规律的特性，研制出了高精度原子钟，自此人类就有了原子时间。
铯原子能级跃迁辐射9192631770周所经历的时间为1ｓ。
这个时间系统精度最高。
现在用的是1971年10月定义的国际原子时。
全世界大约有200多台原子钟进行对比，再由国际度量衡局时间所进行数据处理，求出统一的原子时，简称ＴＡＩ。
2.13世界协调时
世界时是以地球自转为基础的一种时标，由于地球自转速度并不均匀，即每一天并非都是精确的86400原子秒，这就导致世界时与实际时间约每18个月产生1ｓ左右的误差。
为纠正误差，国际地球自转研究所根据地球自转的实际情况对格林尼治时间进行增减闰秒的调整，并与国际度量衡局时间所联合向全世界宣布，这就是“世界协调时”。
1972年国际上决定采用“世界协调时”来报时，即以原子时的秒来计时，而当发现用天象观测来测定的世界时与原子时相差超过0.9ｓ时，便在年中（6月30日）或年底（12月31日）的最后一秒钟加上一个“闰秒”来协调，目前已加了16次闰秒。
世界协调时是在用的时间标准。
2.14时间同步网的主要指标
2.14.1相对守时精度
当时钟源输出信号不可用时，在3天之内的相对守时精度应优于±
1µ
s；
接收机输出信号不可用且源自PRC/LPR/BITS输出的频率信号不可用时，在1天之内的相对守时精度应优于±
s。
2.14.21PPS接口跟踪精度
当1级视觉同步设备跟踪于1PPS时间输入信号时，1PPS输出接口的跟踪精度应优于±
2.14.3时钟频率准确度
在20年寿命期内，时钟的频率准确度应优于±
1.0X10-9。
2.14.3时钟保持特性
在市政进入保持后1天内的频率偏差应优于±
第三章频率/时钟、时间同步简介
3.1时钟、时间同步对比
时钟同步，就是所谓频率同步，是指信号之间在频率或相位上保持某种严格的对应关系，其相对应的有效瞬间以同一平均速率出现，最普通的表现形式就是频率相同，相差恒定，以维持通讯网中相关设备以相同的速率稳定运行。
时间同步即相位同步，是指信号之间的频率不仅相同，相位也要保持相同，因此时间同步一般都包括时钟同步。
时间同步和相位同步并不相同，时间同步基于相位同步，且要同步于UTC时间。
相位同步基于频率同步。
时间同步有两种含义：
时刻和时间间隔。
前者指连续流逝的时间的某一瞬间，后者是指两个瞬间之间的间隔长。
时间同步的操作就是按照接收到的时间来调控设备内部的时钟和时刻。
时间同步与频率同步的区别：
如果WatchA与WatchB每时每刻的时间都保持一致，这个状态叫时间同步（Phasesynchronization）；
如果两个表的时间不一样，但是保持一个恒定的差，比如6小时，那么这个状态称为频率同步（Frequencysynchronization）。
3.2频率/时钟同步的解决方案
频率/时钟同步有三种组网解决方案，分别是传统TDM同步、以太网物理层同步、TOP同步方式：
3.2.1传统TDM同步
在SDH传送网环境下，同步网的定时基准信号需要由SDH传送网来传递，同时SDH传送网的同步又需要同步网来支撑。
SDH传送网既是同步网的使用者，又是同步网的承载者，与同步网存在着相互依赖的关系。
3.2.2以太网物理层同步
以太网物理层同步是一种基于传统的物理层时钟同步技术，该技术从物理层数据码流中提取网络传递的高精度时钟，再进行跟踪和处理，形成系统时钟，在发送侧采用系统时钟进行数据发送，从而实现不同节点间的频率同步，不受业务负载流量影响，为系统提供基于频率的时钟同步功能，以太网物理层同步适用于不需要时间同步要求的场景。
以太网物理层同步采用以太网链路码流恢复时钟的技术,以太网物理层编码采用4B/5B（FE）和8B/10B（GE）技术，平均每4个bit就要插入一个附加比特，这样在其所传输的数据码流中不会出现连续4个1或者4个0，可有效地包含时钟信息。
在以太网源端接口上使用高精度的时钟发送数据，在接收端恢复并提取这个时钟，可以保持高精度的时钟性能。
以太网物理层同步传递时钟的机制与SDH网络基本相似，从以太网物理链路恢复时钟，因此从恢复的时钟质量不受链路业务流量影响，可提供与SDH/SONET网络相同的时钟树部署和时钟质量，完全满足G.823规定的TIMING接口指标。
其实现示意图如下：
设备系统需要支持一个时钟模块（时钟板），统一输出一个高精度系统时钟给所有的以太网接口卡。
但并不是所有的以太网接口支持改功能。
在同步以太网中，下游设备为了正确选源，在传递时钟信息的同时，必须传递时钟质量信息（SSM）。
对于SDH网络，时钟质量（等级）是通过SDH里的带外开销字节来完成的。
但是以太网没有带外通道，只能通过构造SSM报文的方式通告下游设备。
从应用角度看，同步以太网实现的是一个基于链路的时钟传递，它要求时钟路径上的所有链路都具备同步以太网特性，整网成本会偏高。
以太网物理层同步组网应用如下图所示：
3.2.3TOP（TimingOverPacket）同步
TOP顾名思义，就是将timing信息根据一定的封装格式放入packet中发送，在接收端从包中恢复时钟，通过算法和封装格式尽量规避分组网传送过程中所带来的损伤，并具有一定的保持性能。
虽然TOP可以运行在现有所有数据网络中，但是它会受到数据网络延迟、抖动、丢包、错序等PDV（PDV：
packeddelayvariation）参数变化的非常大的影响。
TOP同步组网应用如下图所示：
时钟源A采用TOP方式，通过IP网络以IP包的形式为网络中的设备提供传输同步参考时钟，并具有一定的保持性能；
频率源B通过IP网络以IP包的形式获取定时信号，并将获取的信号经过处理输出给下挂的其他业务设备；
TOP方式需要末端设备支持。
鉴于现网的应用，我们将在第二部分着重介绍传统TDM时钟同步方式。
3.3时间同步
目前主流的时间同步方法大致分为二类：
一类是基于单程伪距测量定位原理的方法，如：
美国GPS卫星、俄罗斯GLONASS卫星和中国北斗导航卫星，卫星授时的优点是时间同步的精度高、无需组建网络，获取方便；
卫星授时的缺点有价格高（设备、安装、维护成本）、施工难度大（基站放在地下室）、失效率高，GPS等存在政治和安全风险。
另一类是基于假设双向通信的传输时延差值为零的方法，目前国际上比较通用的方法有IRIG-B、DCLS、ACTS、1PPS、串行口ASCII字符串、NTP、IEEE1588等几种方法。
第一类方法的特点是：
单向信道；
同步信号的获得稳定可靠（非战时）；
费用偏高；
容易被卫星拥有者控制。
第二类方法的特点是：
双向信道；
费用低；
双向传输时延差值为零的条件不易获得。
传统的地面时间同步链路是采用NTP（NetworkTimeProtocol）传送方式实现，目前已发展到v4版本，SNTP为NTP的简化版，标准为RFC2030（SNTPv4）。
该协议最大的缺点只能满足ms级别的时间传递精度，这对于无线时间同步基站所需的ms级时间精度是远远不够的。
所以针对分组网络传递高精度时间的需求，IEEE提出了PTP（PrecisionTimeProtocal）IEEE1588精确时间传送协议，目前已发展到v2版本。
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