CN101951312B - 基于e1链路的双向时频同传方法及主从装置 - Google Patents

Abstract

基于E1链路的双向时频同传方法及主从装置，涉及通信技术。本发明包括下述步骤：A、主站向从站发送时间同步帧，主站记录同步帧发包时间戳T1并插入同步帧中；B、从站接收主站发来的同步帧，记录收包时间戳T2，从同步帧中获得时间戳T1；C、从站向主站发送时延请求帧，并记录发时延请求帧的时间戳T3；D、主站接收从站发来的时延请求帧并记录收包时间戳T4，主站将T4时间戳发送给从站；E、从站获得时间戳T4，根据获得的时间戳T1～T4，计算线路环路时延D以及主从时间偏差和频率偏差，以此调整本地时间和时钟频率；各步骤中信息封装为E1帧格式。本发明无需协议转换、无需缓存、开销小，从而可以大大降低数据收发时延抖动。

Description

基于E1链路的双向时频同传方法及主从装置

技术领域

本发明涉及通信技术。

背景技术

PTP（IEEEE 1588)是精密时间同步协议标准，可在主从设备间提供基于网络连接的、时间同步功能。PTP协议采用软硬件相结合的方式，在物理层由硬件打时间戳，主从之间的同步精度可达微秒级。PTP同步精度会受网络流量变化以及时延抖动等因素的影响，因此在进行多跳数、长距离传输时，同步精度往往不能得到保证。目前情况下，PTP协议还不能在传统路由器或交换机上进行高精度远程传输。

目前的传输网络以SDH传输网为主体。SDH技术，以其可靠性、可控性、扩展性以及完善的网络体制，在传输网中占着主导地位。以SDH技术为基础发展的MSTP(多业务传送平台)技术，在原有的SDH技术上增加了相关的数据接入、处理功能而形成，目前已经形成了多个版本：基于二层交换、内嵌RPR(弹性分组环)功能、内嵌MPLS功能、ATM处理等。在承载3G移动业务方面的性能也优于光纤直连、ATM等方案。

运营商目前拥有丰富的E1资源，一般情况下，直接将PTP数据包通过ETHERNET/E1协议转换器封装到E1链路，通过E1链路接入SDH中实现长距离时间数据传输。由于速率不匹配，ETHERNET/E1协议转换器具有缓存机制，因此，以太数据包通过协议转换器的时延是不确定的。这不确定的传输时延对一般的以太数据业务影响不大，但对PTP数据包会造成授时精度的下降。传统的ETHERNET/E1协议转换器时延抖动可达几十微秒，即使采用优先转发PTP数据包的方式，时延抖动也会有几个微秒。而且，直接将以太PTP数据包封装到E1数据中，由于包含了以太网络参数字节，因此开销比较大，封装数据长度过大会影响系统性能和同步精度。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是，提供一种基于E1链路的双向时频同传方法，无需协议转换，可大大降低数据收发时延抖动。

本发明所要解决的另一个技术问题是，提供一种双向时频同传主装置和从装置，主从装置之间的数据收发具有极小的时延抖动。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于E1链路的双向时频同传方法，其特征在于，包括下述步骤：

A、主站向从站发送时间同步帧，主站记录同步帧发包时间戳T1并插入同步帧中；

B、从站接收主站发来的同步帧，记录收包时间戳T2，从同步帧中获得时间戳T1；

C、从站向主站发送时延请求帧，并记录发时延请求帧的时间戳T3；时延请求帧中包括对主站后续时间同步帧发包频率的控制信息；

D、主站接收从站发来的时延请求帧并记录收包时间戳T4，主站将T4时间戳插入时延反馈帧中发送给从站；

E、从站接收时延反馈帧并获得时间戳T4，从站根据获得的时间戳T1～T4，计算线路环路时延D以及主从时间偏差和频率偏差，根据计算出的时间和频率偏差，以此调整本地时间和时钟频率；

上述各步骤中，主站和从站之间的信息封装为E1帧格式。

进一步的，主站和从站之间的信息帧结构为：基于E1成帧方式对自定义的TOE帧进行二次封装；所述TOE帧包括帧头和时间戳；帧头信息包括：

2字节的帧类型；

1字节的帧长，即全帧的长度；

4字节的时间修正，用于修正报文驻留时间或者时间戳误差；

2字节的源端口ID；

2字节的目的端口ID；

2字节的数据包序列；

1字节的发包频率；

1字节的控制信息。

更进一步的，发送和接收由硬件执行，发送时，帧头信息由软件通过写寄存器的方式通知硬件并触发发送，时间戳值由硬件在发送时插入；硬件以中断方式通知软件获取发送时间戳值；接收时，硬件以中断方式通知软件获取接收时间戳值。

本发明还提供一种基于E1链路的双向时频同传主装置，包括E1接口收发模块、E1编解码模块、CPU模块，其特征在于，还包括：

时钟控制模块；

同步帧发送模块，用于向从装置发送同步帧，所述同步帧中载有同步帧发送时间T1；

时延请求帧接收模块，用于接收来自从装置的时延请求帧，并存储时延请求帧中的同步帧发送频率控制信息；

时延反馈帧发送模块，用于向从装置发送时延反馈帧，所述时延反馈帧中载有时延请求帧收包时间T4；

前述同步帧发送模块、时延请求帧接收模块、时延反馈帧发送模块分别与E1编解码模块连接。所述同步帧发送模块还与时延请求帧接收模块连接。

本发明还提供一种基于E1链路的双向时频同传从装置，包括E1接口收发模块、E1编解码模块、CPU模块，其特征在于，还包括：

时钟控制模块；

同步帧接收模块，用于接收来自主装置的同步帧，所述同步帧中载有同步帧发送时间T1；

时延请求帧发送模块，用于向主装置发送时延请求帧；所述时延请求帧中包含同步帧的发送频率控制信息；

时延反馈帧接收模块，用于接收来自主装置的时延反馈帧，所述时延反馈帧中载有主装置记录的时延请求帧收包时间T4；

前述同步帧接收模块、时延请求帧发送模块、时延反馈帧接收模块分别与E1编解码模块连接。

本发明利用E1链路接入SDH中实现高精度、长距离时频同传功能。和直接将PTP数据包通过ETHERNET/E1协议转换器接入E1链路相比，本发明无需协议转换、无需缓存、开销小，从而可以大大降低数据收发时延抖动。采用本发明的主从同步系统，数据收发时延抖动可以小于一个微秒。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明的通信流程示意图。

图2是本发明的TOE帧封装入E1帧示意图。

图3是本发明的通信环境示意图。

图4是本发明的主从设备原理图。

图中，X0为Crystal Oscillator的缩写，晶体振荡器。

具体实施方式

各帧名称注释：

sync帧：时间同步帧    delay_req帧：时延请求帧

delay_resp帧：时延反馈帧

参见图1～3。

本发明的双向时频同传流程为：

A、主站向从站发送时间同步帧，主站记录同步帧发包时间戳T1并插入同步帧中；

B、从站接收主站发来的同步帧，记录收包时间戳T2，从同步帧中获得时间戳T1；

C、从站向主站发送时延请求帧，并记录发时延请求帧的时间戳T3；

D、主站接收从站发来的时延请求帧并记录收包时间戳T4，主站将T4时间戳插入时延反馈帧中发送给从站；

E、从站接收时延反馈帧并获得时间戳T4，从站根据获得的时间戳T1～T4，计算线路环路时延D以及主从时间偏差和频率偏差，根据计算出的时间和频率偏差，以此调整本地时间和时钟频率；

线路环路时延D的计算公式为：

D＝（T2-T1）+（T4-T3）＝（T4-T1）－（T3-T2）。

上述各步骤中，主站和从站之间的信息封装为E1帧格式。

本发明首先将数据进行一次封装，称为TOE帧，之后对TOE帧依据E1传输规范进行二次封装。TOE帧头长度为18个字节，加上时间戳10个字节，TOE帧长为固定的28个字节，帧长小于一个E1帧长度（32字节），因此可以将TOE帧直接封装入一个E1帧中。

本发明采用E1成帧方式传送TOE帧，成帧方式结构清晰，有利

于数据定位。E1帧中的TS0用于帧同步，TS30～TS31用于辅助帧同步，三个字节用于帧定位和同步，从而可确保E1帧定位可靠。TS1～TS28用于传送TOE数据帧，包括TOE帧头信息和时间戳信息，不足28字节的补零。TS29为CRC校验，校验内容为TS1～TS28的有效数据，解码时校验不正确的帧应丢弃。

TOE帧头信息如下表：

帧头信息说明如下：

frameType（2bytes），帧类型域，TOE帧固定为F8F8（hex）。

messageType（4bits），消息类项域，含义如下表。

Message type	Value（hex）
		Sync	0
Delay_req	1

Delay_resp

9

versionTOE（4bits），版本说明域，十进制表示，目前为版本1。

messageLength（1byte），TOE帧长，包括帧头和时间戳，十进制表示，单位为字节。帧长固定为28个字节。

currentUtcOffset（1byte），闰秒数。UTC与TAI时间标尺之间的闰秒时间差。该域只限sync包使用，其他数据包可不用。

timeSource（1byte），时间源类型，含义同IEEE1588v2协议。该域只限sync包使用，其他数据包可不用。从设备通过该域值获得主设备时间源类项。

correctField（4bytes），时间修正域，修正报文的驻留时间或时间戳误差。数值＝纳秒×2⁴。最大修正时间为268ms。Sync包时，该域可为时间戳误差。Delay_resp包时，该域可以为包驻留时间加时间戳误差。

sourcePortIdentity（2bytes），源端口ID。

destinationPortIdentity（2bytes），目的端口ID。

sequencedId（2bytes），数据包序列号。对应当前发送包的顺序号。

Delay_req包和Delay_resp包序列号相对应。

logMessageInterval（1byte），发包频率。Sync包设置值为00～12（hex），delay_req包设置值为00～03（hex）。定义如下表。

发包频率	设置值	发包频率	设置值	发包频率	设置值
						1/16	00	2	05	64	10
1/8	01	4	06	128	11
						1/4	02	8	07	256	12
1/2	03	16	08
						1	04	32	09

controlField（1byte），控制域，含义如下表。

Sync和delay_req消息格式如下：

Delay_resp消息格式如下：

时间戳共10个字节，整数部分占6个字节，小数部分占4个字节。含义同IEEE1588v2协议规定。Sync包和delay_req包中的originTimestamp为发包时刻的时间戳值，delay_resp包中的receiveTimestamp为主设备收到delay_req包时刻的时间戳值。

本发明中从站可控制主站发包频率，从站具有更大的自主性。Sync帧时，logMessageInterval域为主站sync帧发包频率。Delay_req帧时，根据controlField域值判断logMessageInterval域含义；如果controlField域值为F0，则为delay_req的发包频率；如果controlField域值为F1，则为设置的主站发包频率；如果controlField域值为FF，则主站停止向从站发sync帧。

TOE帧定位：通过帧类型域和帧长来定位TOE帧，帧类型固定为F8F8，帧长固定为28个字节，另外再加上E1帧的三个字节帧同步和一个字节的CRC校验，可以保证TOE帧定位准确和数据可靠。

参见图1。

TOE主站向TOE从站发送时间同步sync帧，TOE主站记录sync发包时间戳T1并插入sync帧中。TOE从站接收主站发来的sync帧，记录sync收包时间戳T2，从sync包中获得时间戳T1。TOE从站向主站发送时延请求delay_req帧并记录发delay_req时间戳T3。TOE主站接收从站发来的delay_req帧并记录收包时间戳T4，主站将T4时间戳插入delay_resp帧中发送给从站，从站接收delay_resp帧并获得时间戳T4。

TOE从站根据获得的时间戳T1～T4，可计算线路环路时延D以及主从时间偏差和频率偏差，在不考虑线路不对称性情况下，线路单向时延为D/2。TOE从站根据计算出的时间和频率偏差，调整本地时间和时钟频率。通过这种基于时间戳的双向时频同传方法，可实现主从站之间的同步。

参见图2、3。

TOE主从设备通过E1链路接入SDH/PDH传输网，从而实现TOE数据的长距离双向传送。TOE主设备以外部输入信号为参考，控制本地时钟和时间，为TOE帧的组帧和发送提供时间和频率源。TOE从设备接收和发送TOE数据，计算时间和频率偏差，调整本地时间和时钟频率，输出时间码。

本发明中的TOE主从设备通信方式为点对点交互通信。

要点如下：

1）从站主动向主站发送delay_req帧。delay_req帧中的目的端口ID必须为主站的端口ID，源端口ID为从站的端口ID。设备端口ID是唯一的。

2）主站收到从站的delay_req帧且端口ID匹配后，响应从站delay请求，向从站发delay_resp帧，并开始定期向从站发送sync帧。

3）主站如果30秒内收不到从站的delay_req帧，则停止向从站发送sync帧。此时通信中止。

4）从站可主动发送中止通信命令给主站，主站收到该命令后停止发送sync帧。

5）从站可主动设置主站发sync包频率。

本发明中的TOE主从设备数据处理流程：

TOE主设备数据处理流程：

1）软件控制TOE帧的发送时刻。主站需要发送的TOE帧有：sync帧和delay_resp帧；主站需要接收的TOE帧有：delay_req帧。sync帧的发送时刻根据发包频率确定，主站收到delay_req帧后发送delay_resp帧。

2）TOE帧头信息由软件通过写寄存器的方式通知硬件，TOE帧中的时间戳值由硬件在发送TOE帧之时插入（sync帧）。

3）软件写完TOE帧头信息寄存器后触发硬件发送TOE帧。

4）软件触发后的下一个E1帧周期由硬件发送当前TOE帧。

5）硬件收到TOE帧后，通过中断方式通知软件。软件通过读取TOE帧解码寄存器获得TOE帧信息。

6）硬件收到delay_req帧后及时通过中断方式通知软件获得接收时间戳值。

7）软件判断端口ID是否匹配，如果收到的delay_req帧目的端口ID和主站端口ID不匹配，则丢弃该帧。

TOE从设备数据处理流程：

1）从站需要发送的TOE帧有：delay_req帧，从站需要接收的TOE

帧有：sync帧和delay_resp帧。

2）软件控制TOE帧的发送。delay_req帧的发送根据发包频率确定。

3）TOE帧头信息由软件通过写寄存器的方式通知硬件。

4）软件在写完TOE帧头信息寄存器后触发硬件发送TOE帧。

5）触发后的下一个E1帧周期由硬件发送当前TOE帧。

6）硬件发送delay_req帧后，通过中断方式通知软件获得发送时

间戳值。

7）硬件收到sync帧后及时通过中断方式通知软件获得接收时间

戳值。

8）硬件在收到delay_resp帧后，通过中断方式通知软件。软件通过读取TOE帧解码寄存器获得TOE帧信息。

9）软件判断端口ID是否匹配，如果收到的sync帧和delay_resp帧的目的端口ID和从站的端口ID不匹配，则丢弃该帧。

10）软件获得相应时间戳值后，根据相关算法对从站时钟进行调频和调相。

本发明的基于E1链路的双向时频同传主装置，或称为主站，包括E1接口收发模块、E1编解码模块、CPU模块，其特征在于，还包括：

时钟模块；

同步帧发送模块，用于向从装置发送同步帧，所述同步帧中载有同步帧发送时间T1；

时延请求帧接收模块，用于接收来自从装置的时延请求帧；

时延反馈帧发送模块，用于向从装置发送时延反馈帧，所述时延反馈帧中载有时延请求帧收包时间T4；

前述同步帧发送模块、时延请求帧接收模块、时延反馈帧发送模块分别与E1编解码模块连接。

本发明的基于E1链路的双向时频同传从装置，或称为从站，包括E1接口收发模块、E1编解码模块、CPU模块，其特征在于，还包括：

时钟模块；

同步帧接收模块，用于接收来自主装置的同步帧，所述同步帧中载有同步帧发送时间T1；

时延请求帧发送模块，用于向主装置发送时延请求帧；

时延反馈帧接收模块，用于接收来自主装置的时延反馈帧，所述时延反馈帧中载有主装置记录的时延请求帧收包时间T4；

前述同步帧接收模块、时延请求帧发送模块、时延反馈帧接收模块分别与E1编解码模块连接。

主站和从站的硬件结构示意图参见图4。在硬件上，主站和从站可以是一致的。

本发明具有以下优点：

带宽利用率高：采用E1成帧方式传送，不占用固定E1帧，可充分利用E1链路带宽。TOE帧长仅为28个字节，可直接封装入一个E1帧中。以最大发包频率每秒256个sync包和16个delay_req包计算，TOE数据每秒占用带宽为：（256＋16×2）×32×8＝73.728kbit/s，远小于2.048Mbit/s带宽。最大带宽占用率仅为73.728/2048=3.6%，剩余97%的带宽可用于传送其他信息，比如网管信息。

同步精度可以保证：本发明提出的私有化时间数据帧（TOE帧），保留了PTP协议中的硬件自动打时间戳功能，去掉了PTP帧结构中繁琐的网络相关信息和帧类型，从而大大简化了帧结构。可直接将TOE数据封装入一个E1帧中，无需任何协议转换。另外，TOE设备数据收发时，软硬件通过中断方式通信，所以无需缓存。TOE帧长仅为28个字节，而PTP数据帧最小为44字节，如果再加上网络参数，帧长会更大，因此TOE数据帧开销更小。普通协议转换器中的时延抖动主要是由协议转换和缓存引入，和直接将PTP数据包通过ETHERNET/E1协议转换器接入E1链路相比，本发明无需协议转换、无需缓存、开销小，可以大大降低数据收发时延抖动，从而可以保证同步精度。本发明中TOE数据收发时延抖动小于一微秒。

Claims (5)

1.基于E1链路的双向时频同传方法，其特征在于，包括下述步骤：

A、主站向从站发送时间同步帧，主站记录同步帧发包时间戳T1并插入同步帧中；

B、从站接收主站发来的同步帧，记录收包时间戳T2，从同步帧中获得时间戳T1；

C、从站向主站发送时延请求帧，并记录发时延请求帧的时间戳T3，时延请求帧中包括对主站后续时间同步帧发包频率的控制信息；

D、主站接收从站发来的时延请求帧并记录收包时间戳T4，主站将T4时间戳插入时延反馈帧中发送给从站；

E、从站接收时延反馈帧并获得时间戳T4，从站根据获得的时间戳T1～T4，计算线路环路时延D以及主从时间偏差和频率偏差，根据计算出的时间和频率偏差，以此调整本地时间和时钟频率；

线路环路时延D的计算公式为：

D＝（T2-T1）+（T4-T3）＝（T4-T1）－（T3-T2）；

上述各步骤中，主站和从站之间的信息封装为E1帧格式。

2.如权利要求1所述的基于E1链路的双向时频同传方法，其特征在于，主站和从站之间的信息帧结构为：基于E1成帧方式对自定义的TOE帧进行二次封装；所述TOE帧包括帧头和时间戳；帧头信息包括：

2字节的帧类型；

1字节的帧长，即全帧的长度；

4字节的时间修正，用于修正报文驻留时间或者时间戳误差；

2字节的源端口ID；

2字节的目的端口ID；

2字节的数据包序列；

1字节的发包频率；

1字节的控制信息。

3.如权利要求1所述的基于E1链路的双向时频同传方法，其特征在于，发送和接收由硬件执行，发送时，帧头信息由软件通过写寄存器的方式通知硬件并触发发送，时间戳值由硬件在发送时插入；硬件以中断方式通知软件获取发送时间戳值；接收时，硬件以中断方式通知软件获取接收时间戳值。

4.基于E1链路的双向时频同传主装置，包括E1接口收发模块、E1编解码模块、CPU模块，其特征在于，还包括：

时钟模块；

同步帧发送模块，用于向从装置发送同步帧，所述同步帧中载有同步帧发送时间T1；

时延请求帧接收模块，用于接收来自从装置的时延请求帧，并存储时延请求帧中的同步帧发送频率控制信息；

时延反馈帧发送模块，用于向从装置发送时延反馈帧，所述时延反馈帧中载有时延请求帧收包时间T4；

前述同步帧发送模块、时延请求帧接收模块、时延反馈帧发送模块分别与E1编解码模块连接;

所述同步帧发送模块还与时延请求帧接收模块连接。

5.基于E1链路的双向时频同传从装置，包括E1接口收发模块、E1编解码模块、CPU模块，其特征在于，还包括：

时钟模块；

同步帧接收模块，用于接收来自主装置的同步帧，所述同步帧中载有同步帧发送时间T1；

时延请求帧发送模块，用于向主装置发送时延请求帧；所述时延请求帧中包含同步帧的发送频率控制信息；

时延反馈帧接收模块，用于接收来自主装置的时延反馈帧，所述时延反馈帧中载有主装置记录的时延请求帧收包时间T4；

前述同步帧接收模块、时延请求帧发送模块、时延反馈帧接收模块分别与E1编解码模块连接。

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