 Computer Science and Application 计算机科学与应用, 2013, 3, 411-416 http://dx.doi.org/10.12677/csa.2013.39071 Published Online December 2013 (http://www.hanspub.org/journal/csa.html) Based on SDH E1 Transmission Channel Time Synchronization Accuracy Factors Jiajia Fu1, Weijian Li1, Jianhua Zh ang1, Donghua Zou2, Wei H uang3 1Guangdong Power Grid control centers, Guangzhou 2Qingyuan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation, Qingyuan 3Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing Email: huangwei@bupt.edu.cn Received: Nov. 19th, 2013; revised: Dec. 15th, 2013; accepted: Dec. 24th, 2013 Copyright © 2013 Jiajia Fu et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of the Creative Commons At- tribution License all Copyrights © 2013 are reserved for Hans and the owner of the intellectual property Jiajia Fu et al. All Copyright © 2013 are guarded by law and by Hans as a guardian. Abstract: Time synchronization precision based on SDH E1 channel is affected by transmission delay of fiber, sam- pling error, code-speed adjustment, pointer adjustment and so on. This paper analyzed optical transmission delay and processing delay of devices, and drew a conclusion via explaining a schematic diagram of the sampling error and the case. Comparing the difference of two fixed thresholds, we determine the relationship between literacy and time code rate adjustment which will bring changes. Furthermore, we analyze the pointer processor based on “threshold” to decide and adjust the output pointer to give the proposal planning and the matters that need attention. Keywords: Time Synchronization; Delay; E1 Channel; Pointer Adjustment 基于 SDH E1信道时间同步传输精度影响因素分析 付佳佳 1，李伟坚 1，张建华 1，邹冬超 2，黄 魏3 1广东电网电力调度中心，广州 2广东电网公司清远供电局，清远 3北京邮电大学，北京 Email: huangwei@bupt.edu.cn 收稿日期：2013 年11月19 日；修回日期：2013 年12月15日；录用日期：2013 年12 月24 日 摘 要：基于 SDH E1信道的时间同步传输精度受到时延、采样误差、码速调整、指针调整等因素的影响。本 文对光缆传输时延和设备处理时延进行了分析，通过示意图和案例对采样误差进行了解释并得出结论，通过比 较两个固定门限与读写时差的关系确定码速调整将带来时延的变化，进一步分析了指针处理器根据“门限范围” 来决定调整输出指针，给出了规划的建议和需要注意的事项。 关键词：时间同步；时延；E1 信道；指针调整 1. 引言 在数字化变电站、智能电网的建设中，电力相关 业务对时间同步的精度要求和安全要求也进一步提 高，随着广域业务的发展，单厂站独立 GPS时钟系统 的模式，会受到越来越多的限制。依靠地面传输网络， 构建地面时间同步路径，可以作为GPS、北斗等天基 同步方式的有益补充，形成天地互备的时间同步网络 格局。 Open Access 411  基于 SDH E1 信道时间同步传输精度影响因素分析 目前传输网中 SDH 占绝大多数，SDH(Syn- chronous Digital Hierarchy)——同步数字系列是一套 可进行同步信息传输、复用、分插和交叉电力系统中 连接的标准化数字信号结构等级，在传输媒质上(如光 纤、微波等)进行同步信号的传送。构建地面时间同步 路径以 SDH E1 业务信道为主要方式。时间协 议以 IEEE 1588 V2(PTP)为主。1588v2对Vl 进行了完善， 提高了同步的精度；引入透明时钟TC 模式，包括 E2E 透明时钟和 P2P透明时钟，计算中间网络设备引入的 驻留时间，从而实现主从间精确时间同步；新增端口 间延时测量机制等，通过非对称校正减少了大型网络 拓扑中的积聚错误[1]。 图1为基于SDH E1信道时间同步传输组网方式 示意图。 由图 1可知基于 SDH E1信道时间同步传输可以 分为五步： 第一步：主站侧将PTP信号转换为 E1 信号；第 二步：主站侧E1 信号复用上 STM-1；第三步：SDH 的传输；第四步：从站侧传输设备 STM-1 解复用为 E1 信号；第五步：从E1信号中恢复出 PTP信号；同 时，在传输过程中涉及四个时钟点，分别是A点时钟 CLK_1、B点时钟 CLK_2、C点时钟 CLK_3 和D点 时钟 CLK_4。 时间信号(PTP 信号)在图1所示的传输过程中， 由主站时钟传递到从站时钟会有延迟和抖动漂移的 产生，不加处理的话会直接反映到从站时钟的输出时 间信号上。从站时间输出和 UTC 时间差示意图如图2 所示。 由图 2可以看出从站时间输出和 UTC 时间差存 在两个分量，直流分量就是延迟，变化量就是抖动和 漂移。延迟或许会导致很长时间才能将数据包传送到 终点，因为它会被漫长的队列迟滞。所有传送系统都 有抖动，只要抖动落在规定容差之内就不会影响服务 质量。利用缓存可以克服过量的抖动，但这将增加时 延，造成其他问题。漂移是任何同步传输系统都有的 一个问题。在 SDH 系统中是通过严格的全网分级定 时来克服漂移的。在异步系统中，漂移一般不是问题。 漂移会造成基群失帧，使服务质量的要求不能满足[2]。 Figure 2. The diagram of the standing time output and UTC time 图2. 从站时间输出和 UTC 时间差示意图 从站时 钟 主站时 钟 A点： CLK_1 外时钟 B点： CLK_2 C点： CLK_3 D点： CLK_4 第一步 第二步第三步第四步第五步 PTP OVER E1PTP OVER E1 BITS 主站侧传 输设备 从站侧传 输设备 外时钟 Figure 1. Time synchronization based on SDH E1 channel transmission network mode 图1. 基于SDH E1信道时间同步传输组网方式 Open Access 412  基于 SDH E1 信道时间同步传输精度影响因素分析 这两点关系到从站时钟输出时间的精度，需要加 以分析。 2. 延迟分析 延迟是由两部分构成：一是光缆传输时延；二是 设备处理时延。 光缆传输时延指信号在 SDH 设备之间光纤中的 传输时延。一般来说光纤的传输时延是比较固定的， 光缆越长，固定时延越长。光缆时延随着温度变化会 产生微小变化，并由此产生相位漂移。每升高或降低 1℃，1KM 的光纤传输时延变化50 ps。为保障地面时 间的传递精度，应尽量选择具备地埋光缆的光缆路 由。基于以上情况在不发生路由倒换的情况下，一般 将光缆传输时延看成固定值。 设备处理时延指协议转换(E1 到PTP 和PTP 到 E1) 和传输设备在进 行支路信号到 群里信号和群 里信 号到支路信号的映射解映射的过程中，都会通过一个 内部的缓存来处理数据，缓存的大小就决定了设备的 处理时延。这个处理时延为各厂家产品设计所决定， 没有一个固定值。但是如果在传输过程中，设备工作 正常，同时 A、B、C、D四点时钟完全同步，设备处 理时延是固定的。 3. 抖动和漂移分析 3.1. 采样误差分析 采样误差产生于图1中第一步时间码转换为E1 过程中，它是由于 A点时钟存在频偏引起的。采样过 程图 3所示。 如图 3所示，f0为A点时钟，用f0 来进行数据 采样时，存在相位时延Pn ，当 f0 不存在频偏时，P1 = P2 = P3 = … = Pn，即存在一个固定相位关系。如果 f0 数据 P0P1P2 采样点 Figure 3. The sampling process diagram 图3. 采样过程示意图 频偏 df_A 存在，此时P1 ≠ P2 ≠ P3 ≠ … ≠ Pn，并且 时延随频偏变化，当时延 P单向增加到1UI 或单向减 少到 0UI 时，采样时间减少或增加了一个脉冲，使得 传输时码的时延产生一个1/f0的跳变(当f0 = 2.048 Mbit/s 时，1/f0 = 488 ns)。采样误差与df_A 的关系见 图4。 由以上分析可以得知： 1) 采样误差会带来 1/f0 的抖动，抖动的周期 10 _TfdfA； 2) 当df_A为正时，抖动为正方向；当 df_A为负 时，抖动为负方向； 3) 设备重新上电后，固定时延 P1 将随机在[0， 1/f0]区间内取值。 3.2. 码速调整分析 码速调整产生于图 1中第二步 E1到STM-1 映射 复用过程中外部E1 信号到 C-12 虚容器过程中，它也 是由于 A点存在频偏造成的。 在E1 转换为 C-12过程中，设备内部有一个缓存 来处理输入的E1 信号。缓存用输入 E1 时钟来写入数 据，用 SDH系统时钟来读出数据，如图5所示。 CLK_WR 为缓存数据写入时钟、CLK_RD 为缓 存数据读出时钟；PTR_WR 为缓存写入数据指针； PTR_RD 为缓存读出数据指针。PTR_WR 和PTR_RD 同向移动，用它们之间的距离 H来表示数据经过缓存 带来的时延[3]。 支路缓冲存储器设置两个固定门限：正调整门限 Zmin 和负调整门限 Zmax。由于包装速率CLK_RD 与 支路速率 CLK_WR 都在一定的容差内变化，并且传 t P 0 P1 t P 0 负频偏 T df_A 正频偏 488ns df_A df _A＝0 df _A≠0 Figure 4. The relationships between Sampling error and df_A 图4. 采样误差与 df_A 的关系 Open Access 413  基于 SDH E1 信道时间同步传输精度影响因素分析 输时钟各不相同，因此有下列三种情况：读写时差在 两门限之间，不做码速调整；读写时差低于正调整门 限，要求正调整，即减慢读出时钟，以增大读写时差； 读写时差高于负调整门限，要求负调整，即加快读出 时钟，以减小读写时差。 由以上分析可以得知：码速调整将带来时延的变 化，在不同的频偏df_AH 下，会有不同的 H值；在 相同的频偏df_AH 下，时延固定[4]。 3.3. 指针调整分析 指针调整产生于图1中第三步 SDH 传输过程中， 它是由于 B点与C点时钟存在频偏引起的。B点与C 点时钟的不同步对时延影响的效果图如图6所示。 由图 6可以看出，当B点与C点时钟的不同步时， 会在从站侧 SDH设备处产生 AU指针调整，AU 指针 调整会引起时延在 T周期内变化 0.16 us；同时由于 AU 指针调整的累积，在 AU4转换到 TU12 时，将产 生3.9 us的TU 指针调整。其中 AU指针调整和TU 指针调整的方向是相反的。最后由于频偏的不断累 积，将造成 SDH内部FIFO 清零，这样就恢复到初始 相位，开始新一个周期的变化。 所以指针调整反映到时延变化有两个地方：一是 AU/TU 指针调整；二是 FIFO寄存器清零[5]。 1) AU/TU指针调整 SDH 包含一个指针处理器，它包括指针解释、弹 性存储器和指针产生三部分组成，如图 7所示。 指针处理器将接受到的数据用输入时钟写入弹 性存储器，并用系统时钟读出弹性存储器中的数据。 写和读两个时钟的相位差，或者输入信号中的指针调 整都会引起弹性存储器填充情况的变化。如果填充成 都超过了某个上限或者某个下限，就要在输出信号中 进行指针调整。上限和下限之间的部分称为“门限范 围”，通常用字节数来表示。指针处理器根据“门限 缓存 CLK_WR CLK_RD PTR _W R PTR_RD H Figure 5. Cache schematic 图5. 缓存示意图 0t P df FIFO清零 TU指针调整 0.16us T AU指针调整 3. 9us 15us Figure 6. Point B and C dot clock out of sync on the influence of time delay 图6. B点与C点时钟的不同步对时延的影响 指针解释 弹性存储器 指针产生 时钟 同步 数据 写时钟 （开隙） （开隙） 数据净荷 门限空间 写时钟 （开隙） （开隙） 数据净荷 指针调整请求 系统同步 数据 系统 时钟 Figure 7. The diagram of pointer to the processor 图7. 指针处理器示意图 Open Access 414  基于 SDH E1 信道时间同步传输精度影响因素分析 范围”来决定调整输出指针。只要弹性存储器的填充 程度是在上、下两个门限之间变动，就不产生输出指 针调整，且输出净荷的定时完全取决于系统时钟。只 有发生较大的相位偏移时，净荷相对于系统时钟的相 位才由一个正或负的指针调整改写。 其中 AU指针调整的门限值的步阶是3字节，约 为154 ns，门限大于12 字节；TU指针调整的步阶是 1字节，约为3.9 us，门限大于2字节。AU 指针调整 的原因多为频偏引起的，而TU 指针调整都是 AU指 针带来的。AU 指针的调整周期： AU 6 24 T150.336 10df_C 其中：df_C为C点频偏。所以，当df_C 为1 × 10−8 时，即二级钟的最差门限时，TAU = 16秒，这样一天 产生 5400次AU 指针调整；当df_C 为1 × 10−11时， 即二级钟处于非常好的状态时，TAU = 15964 秒，这样 一天产生 5.4次AU 指针调整。 2) FIFO 寄存器清零 SDH 在系统线路信号的接收侧，有一深度为 H 的先进先出 FIFO寄存器，如图 8所示。 从上图可以看到，从远端站点线路发过来的信 号，经时钟提取和数据分离后，数据以远端站点的时 钟频率 CLKW 写入FIFO 中，数据写入地址为0；同 时，本端系统以本站时钟频率CLKR将FIFO 内的数 据读出，数据的读出地址为FIFO 寄存器中最早写入 的数据地址，假设为 RA。如果远端站点的时钟和本 站时钟不同步，存在频偏，也就是FIFO 数据的写入 或读出速度不一样，则数据的读出地址将会发生变 化：当数据写入速度大于数据读出速度时，RA 将增 加；当数据写入速度小于数据读出速度时，RA 将减 小。 RA CLKW CLKR 本端网元 0 H DATA FIFO 远端网元 线路信号 DATA Figure 8. The map of AU pointer adjustment mechanism 图8. AU指针调整产生机理图 规定一个允许的数据读出地址值最小值 Lmin和 最大值 Lmax。则：当 Lmin < RA < Lmax 时，不产生 AU 指针调整；当 Lmin ≥ RA时，产生AU 指针正调 整； 产生的原因是在这种情况下，系统时钟的读出操 作会在下一帧的 H3 最后一位的位置多停留24 个周期 不变。这样相当于在该帧的H3 字节后插入了 3个字 节，从而导致下一帧以后的J1 位置后移 3个字节，即 AU 指针正调整。 当RA ≥ Lmax 时，产生 AU指针负调整；产生的 原因是在这种情况下，系统时钟的读出操作会在下一 帧的 H2 最后一位的位置，跳过 3个H3字节，从而 导致下一帧以后的J1 位置前移 3个字节，即AU 指针 负调整。 当RA = H 时，FIFO 溢出，重新初始化RA = H/2， 数据丢失，产生误码。 所以当存在固定频偏时，传输时延单方向变化， 当变化到超过门限时，FIF寄存器清零，重归H/2 处， 这时的相位变化将根据 FIFO 寄存器的大小而定。一 般此时的相位变化小于15 us[6]。 4. 总结 SDH 是一种新的数字传输体制。称为电信传输体 制的一次革命，本文进行了延迟分析和抖动漂移分 析。延迟是由两部分构成：一是光缆传输时延；二是 设备处理时延。光缆传输时延指信号在 SDH 设备之 间光纤中的传输时延。设备处理时延通过一个内部的 缓存来处理数据。抖动和漂移包括采样误差、码速调 整、指针调整等因素。人们在对偏差随时间变化进行 傅立叶分析的基础上，把定时偏差分成两类，分别称 为抖动和漂移发生得慢的定时偏差称为漂移。抖动则 是指发生得比较快的定时偏差。在许多情况下，漂移 对串行通信链路影响很小或没有影响，因为时钟恢复 电路可以有效地消除漂移。通过实验得出码速调整将 带来时延的变化，指针调整反映到时延变化有两个地 方：一是 AU/TU指针调整；二是 FIFO 寄存器清零， 分别分析这两个地方得出指针处理器根据“门限范 围”来决定调整输出指针的结论。基于 SDH E1信道 时间同步传输精度分为固定时延部分和可变时延部 分。固定时延迟可用人工测试的方式在工程初期补 Open Access 415  基于 SDH E1 信道时间同步传输精度影响因素分析 参考文献 (References) 偿。可变时延是由于抖动和漂移引起的时延变化，和 传输网络的频率同步情况和时间设备的处理方式相 关。传输网络的频率同步情况不好将直接导致从站时 间输出性能的劣化。通过以上分析，对网络规划给出 如下建议： 基于 SDH的地面时间同步传输，需要SDH频率 同步情况满足数字同步网工程设计要求。 所选 E1路由，以直达路由为优，避免低阶跳接 的情况出现。 时码到E1 的转化，利用 E1信道的全时隙。 [1] 孙洪武, 马涛等 (2012) SDH光通信系统 E1 通道时间传递特 性测试分析. 电力系统通信 , 234, 36-41. 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