IEEE 1588v2催生精准同步GbE解决方案

移动网络受到智能手机、平板电脑等新一代便携式上网设备普及需求日渐增加，从联合国刚刚公布的一份资料显示，目前全球手机用户已经突破50亿，相较2000年成长达5倍以上，然而其中使用移动网络的人口已经超过9.5亿，并且随着平板电脑开始兴起，Caris & Co分析师Robert Cihra更大胆预测，仅2011年，平板电脑市场将会成长226%，至少有5,400万部的规模，而平板电脑更是难以脱离移动网络的需求。

另一方面，电信业者目前虽积极部署移动网络，然而碍于各国法规以及使用人口激增，市区3G基站涵盖范围内的移动网络使用人口常常大于3G基站所能服务的人数，例如最优先取得苹果iPhone智能手机的北美电信营运商AT&T，其移动网络服务就经常受到大量消费者同时联机而瘫痪，或是由于多人同时使用导致网络堵塞。

新一代移动网络的低延迟需求

在这些移动网络的趋势，以及配合当初新一代移动网络发展规划下，电信业者正不断加速次代网络的部署，并且希望凭借导入新一代移动网络技术，以舒缓目前3G移动网络堵塞的困局。除了基于现有3G技术的HSPA+以外，被列为准4G技术的WiMAX以及LTE是电信业者视为积极导入目标。

然而，这些新一代的通信技术，需要面对更多的挑战，其中一项就是延迟。HSPA普遍延迟约80ms，而LTE仅有20ms，这对基站的时钟同步是一项严重的挑战，基站与基站之间需要有更精准的时钟同步。而目前时钟同步的方式可分为基于传统有线网络的FDD(频分双工)以及基于时分的TDD(时分双工)，根据3GPP对FDD的频率规定是50ppb，而规范中TDD的双向延迟仅约2.5微秒，并需要保持50ppb的精确度；就LTE规范来看，双向延迟也仅有20~30毫秒，另外像是针对移动使用的移动WiMAX(IEEE 802.16e)，更规定延迟仅1微秒，同步需达20 ppb，以符合行进间的基站切换。

精确时钟同步成本过高

而为了更精确的时钟同步，GPS全球卫星定位系统成为另一个提供基站时钟同步的方案，GPS可以提供小于100ns的精确度，满足如电信、军事、航天等精密时钟同步的需求。然而GPS仍受到许多的限制，其一就是高昂的成本，由于GPS需要安装室外天线，并且确保天线能够时时收到来自天空的信号，基站的设置地点需要受到限制，其二则是GPS信号还会受到气候的影响，只要天空信号受到阻断，就可能造成时钟同步的时间差。但GPS在基站的时钟同步仍占有重要的地位，可用于作为时钟同步的参考局端，通过该基站为精确时钟参考目标，并通过其他的方式将精确时钟传递给其他基站。

过去由于以太网络缺乏堪用的时间同步机制，电信营运商并不愿将骨干网络从原本的TDM转移到以太网络，然而随着刚刚完成标准制定的IEEE 1588v2(亦称为PTP2)的出现，给予符合电信营运商需求的以太网络时钟同步技术，现在正是电信营运商将TDM转移到以太网络的大好时机。

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IEEE 1588v2应运而生

IEEE 1588原本就是针对以太网络同步所制定的标准，但对于电信业者而言，IEEE 1588许多方面仍不够成熟。为了满足大量基站彼此的时钟同步(PTP)，不可能仅依赖基站内部的时钟以及人工校正，需要更精确的方式使基站之间能够同步时钟，目前传统基站的作法是是将内部振荡器锁定到从T1/E1 TDM回传连接恢复的频率上，当回传信道变为以太网络后，基站与传统的网络同步反馈连接断开了，基站都将采用PTP从设备恢复出定时数据封包，进而用于控制基站的内部振荡器以满足50ppb要求。

而发布不久的IEEE 1588v2版本即是针对电信业者对于更精确的定时与同步要求所需，增加许多补充能力以及协议扩展，例如单播与电信组态等，其他像是频率同步跟组播支持也成为IEEE 1588v2架构的技术标准。

对于电信业者而言，IEEE 1588v2的多样新扩展绝对是吸引他们愿意导入IEEE 1588v2的关键，其中，电信扩展这项延伸规范即是针对电信的多样需求所制定。电信拓展使得IEEE 1588v2得以支持无线标准，尤其目前电信通信采用多样的无线技术并存，例如同时提供GSM与CDMA，而基站需满足这些不同技术之间的时间与频率偏移，使得不同无线标准在Hang Over时不至于通信中断。

至于单播功能，是电信业者必须支持的技术。IEEE 1588新推出时，仅支持标准时钟端与接收端的交换组播信息，但对于电信架构，使用组播会造成所有群组内的接收端都必须听令时钟端发出的信号，不能个别针对需求发送，会造成接收端处理器需要负担额外同步信息，造成资源的浪费，因而无法满足电信基站的需求。而加入单播功能后，时钟端能针对特定的接收端发送独立的同步信息，以满足电信基站架构的同步需求。

相较IEEE 1588采用包含时钟与质量的165个字节，但是时钟与质量信息其实并不常更动，等于字节中有大量无意义的数据；IEEE 1588v2将信息格式缩短，并且分成两组，包括包含时钟详细信息的数据宣告以及仅44个字节的PDU信息。简化的信息字节当然也对电信基站带来好处，尤其是电信基站需要不断的精确同步，精简后的字节能够使电信基站以更少的带宽进行繁复的同步。

初版IEEE 1588的同步频率规范母钟与接收端的同步频率为每30秒一次，但对于电信而言，这样的同步频率是不够的，基站之间的同步频率必需要缩短至1/64秒，不过这个同步频率的次数是建立在接收端设备的性能、设备端本身振荡器的稳定性以及传输过程中的噪声。而IEEE 1588v2由于基于以太网络，相较于容易受到各类因素影响的GPS，能够提供比GPS更稳定的信息传递，自然再也不需要如此高的同步频率。针对电信规范，IEEE 1588v2也能提供至少每秒16次的同步频率，还能使主钟与其他潜在接收端进行频繁的传递，还能让操作者依照需求，调整传送的频率。

IEEE 1588v2还补足了“最佳母钟”的算法，以弥补IEEE 1588规范在网络失去联机时失去参考数据下可能造成的同步错误；IEEE 1588v2的最佳母钟运算方式可在失去参考基准下，接收端可通过扫描网络，并且根据网络上其他具备质量标记的特殊时间戳信息，进而作为替代的时钟参考来源，避免发生当网络中断而无法同步的困境。

唯一支持两种时钟模式的GbE PHY方案

Qualcomm Atheros针对IEEE 1588v2所推出的AR8031是当前业界唯一可同时支持Two Step以及One Step两种时钟模式的PHY解决方案，其他业者的PHY解决方案只能支持较容易达成的Two Step时钟模式。Qualcomm Atheros不仅提供需要凭借整合事件信息以及随后信息才能提供完整时钟信息的Two Step时钟模式，也早已能够达成通过单一事件信息传输时钟信息的One Step时钟模式；并且Qualcomm Atheros不仅是在技术上能够提供这两种时钟模式，更是业界唯一能够同时提供实际演示系统来展示这两种时钟模式的公司。通过该演示系统，客户可以看到AR8031在自由时钟做参考时钟源时候，同步精度可以到100ns以内，在同步以太恢复时钟做参考时钟源时候，同步精度可以到15ns以内的卓越表现。此外Qualcomm Atheros的这套演示系统和业界的著名测试设备公司，如IXIA、Symmetricom的1588v2测试方案均实现了成功的互连互通和长时间的稳定收敛表现。

在以太网络单端口GbE设备的支持方面，Qualcomm Atheros已经推出AR8031，而在2011年更准备推出能够满足IEEE 1588v2技术的以太网络多端口GbE设备解决方案。此外，在制程方面，Qualcomm Atheros的AR8031解决方案也是目前业界功耗最低的产品，最高功耗低于400mW，且体积仅6mm x 6mm，只有48pin，还拥有最简化的RBOM成本，相较过去采用FPGA、网络处理器或是应用处理器的解决方案，AR8031提供一个简单、小且节能的设计，更能满足电信业对于IEEE 1588v2的需求。

图：支持IEEE 1588v2的GbE PHY－AR8031的架构。

供稿：Qualcomm Atheros