【原创】传输网中的时间同步（112#114#更新）

jiaomt

让我们剥开基情的外衣看看物理世界发生了什么，假如发生在模拟时代，信号的的传递只能在实质性的回路上传递，那就是各局站一系列开关的闭合，最终形成通路，然后电流开始在通路中流淌，信号随之传递。这种情况和AB在一个城市区别仅仅在于这个回路拉的更长了而已，对于时间同步也没有新的需求，所以在模拟时代，通信行业还岗位养活一批做同步网的人。
这个更长的回路没有带来新的同步需求但是却带来了新的问题，造价问题，汕尾到齐齐哈尔，4000+km的路由，0.6mm线径，一个简单连乘 3.14*0.3^2*10^-6*4000*10^3*8.9=10.06056，但是这个连乘的结果却非常的不简单，因为得出来的单位是吨，就是一条电话铜线从齐齐哈尔拉倒汕尾，需要消耗10吨铜，一个回路消耗一对铜线就是20吨，那个时候我国的每年铜产量也就能支撑1万对长途通话，还不用去考虑跋山涉水，挖沟放缆，沿途设站，业务上下的问题。所以那个时候电话是一种象征，象征着屌丝和高富帅都用不了这样的电话，只有土豪才有机会。
但是屌丝和高富帅也有通话需求，同时电话线就这么多条，如何用一条电话线通很多路电话呢。如果电话里同时传来了一个男声和一个女生，女汉子除外，还是能够区分出来的吧，因为他们的话音的主频是有一定间隔，假如我们能够用一种更宽的间隔分割通话语音，并滤除我们不需要的频率，不就能实现一条线上多对通话了吗？在长途发送端我们用一次或多次上变频，把语音搬到不同的频率段分割开来，再在接收端经过对应的下变频把语音解出来，不就能实现一条线多人用了吗。我屮艸芔茻，这难道不是频分复用吗，那个时候好像叫载波电话，但是由于更高频率的电波在铜导体中衰耗太大，这种方式不能够同时兼顾传输路数和传输距离，从1959年苏联帮助中国建成北京到莫斯科的60路长途载波系统开始，载波电话在接下来的一段时间在一定程度长缓解了造价问题，但是只是缓解并未解决，电话依然是土豪的专属。所以为了解决问题，要有新的方式，或者说是我们需要找到新的间隔来分割这些语音。

jiaomt

通信技术你问我答 (积分兑奖)

想把问题说明白，可能说的废话就要很多，可能对于明白人，现在核心网的时间同步就那几句话，时间源放在哪，怎么传递，怎么获取，怎么比对，怎么矫正，漂移了会怎样。但是可能从不明白到明白需要过程，所以，请不要着急~

daobacao

这帖子相当棒啊！    完全通俗易懂的解释了时间同步的概念。

daobacao

futurezeng 发表于 2013-12-10 21:39
难得看到做1588的同行，顶一个~

文中没提到1588时钟啊！   从哪看得出楼主是做1588的？

mylegend

MARK,一下，很好的学习贴子

guotaifu

非常好，楼主有才，通俗易懂

jiaomt

既然电介质传递能量时，高频的震荡容易激发电磁波而逃逸，从而带来了频率的瓶颈，使得电话依然是土豪的专属。但是电话的“刚需”太过旺盛，又掺杂着很多投机者，搞得装部电话得求爷爷告奶奶，拿钱给人送过去还得看人家脸色，承别人人情......额，往事不堪回首啊，想点办法解决吧
通信工程师们在夜空中苦思冥想，远处在放着广场电影，画面随着胶片的切换流畅的放映，动作看上去完全是连续的。视觉停留，听觉也有停留啊，人耳的敏感度和分辨能力也是非常有限的，满足这种需求是不是也可以像电影那样，定格语音，然后分成一帧一帧的发过去呢，想法有了就去实现看看吧

如上图所示（图中的长方体只是为了增强立体感而画的，虽然看着还是平面的，麻烦大家发挥一下想象力，那两个椭圆是正圆的侧视图），我们制造一个有32个接口的接线端圆盘，其中每个接口都能连接一个用户电路（如图中八号端子那样），圆盘中心有一个旋转的指针，按顺时针转动扫过这些端子，同时在旋转指针的尾部有一根传输电缆根另一个局同样结构相连。

假如两局间此时有一对通话需求，那就分别加在A局的端子1和B局的端子1，然后再来的电话加到两局的2，新的需求就顺次往下加。有通话需求时旋转指针就开始转动，划过端子的时刻把对应端子的线路连通，让这一时刻的信号传递过去，利用听觉暂留现象，让每个人的通话好像都是连续的。

那么我们要转多快才能让每个人的通话都觉得是连续的呢，就像电影一分钟要放多少张胶片才能让我们觉得演员的动作是连续的呢，每秒转一圈行吗，就相当于这一秒中每个用户的通话都会被采集一次，这明显不行，正常语速每秒两字，就算这采集一次最多也就采集一个音符，比如对方问我高兴吗，我说高兴，但是对方只能听见一个“个”，具体我要说的是“个熬高”还是“个唔嗯滚”他就得自己想了。

那么每秒转多少圈合适呢，也就是采样的频率要多高才合适呢，这个时候这已经不是一个问题了，因为奈奎斯特同志已经给出了很好的答案。前面说了模拟电话把语音转化为30-3400Hz的电流，那么我们转动的速率至少要大于6800圈每秒，这样才能把每个震动周期采集两个样本，6800是临界值，为了保证话音信息的可靠传输，6800肯定不是最合适的选择。不合适？那你说多少合适，遇到合适不合适的问题，总会用人出面解决的，这时候大哥CCITT出面说：“不如凡事留一线，江湖好相见，给我个面子，每秒转8000圈。”

大哥都说话了，小弟还BB啥，于是，事情就这么成了，好的，从这个时刻开始，电话就进入了“一打转”的时代，一打你就转，一打你就转，你以为你是斧王啊，新电话说，其实我是剑圣，大名时分复用，外文名TDM。同一个话路在不同的时段传输不同的信号，从而实现多路语音在同一回路上的传输，这就是时分复用。而实现的过程则是我们利用空间连接的交替，实现了在回路上每一千米（大致）上携带着不同话路的信号，我们利用了空分复用的方式实现了时分复用。

上述内容只是一种想法或者模型，在理想的环境中我们可以如此实现时分复用，但是现实中这是不可能，因为动力源，能耗和发热量的问题我们都无法解决，每秒8000转是个什么概念呢，普通家用轿车发动机最高转速就是8000转没分，我们几乎无法找到转速能够再提高60倍的转动动力源，而即便能找到，我们也无法找到能够承受这种转速和摩擦的金属。所以这只是一种想法或者模型，不是真实的实现方式，但是这个模型完全可以用来让我们理解时分复用的实现过程，因为原理是一样一样的。同时这个模型能够支撑我们讨论进一步的问题，就是这种传输的时钟同步问题，因为我们所面临的问题也是一样一样的。

eaglechu

同步属于支撑网络 数字通信时代几乎和所有网系相关。讲好同步不容易。支持下楼主。
传输网中的时间同步 这个名字可以换下
看楼主写的思路 是要先讲下 频率同步 数字同步网 滑码 JITTER WANDER 然后再从TDM引出分组传输 在回程网络 时间相位同步需求 在基于分组传输的时间同步网。
支持 我也想写的 就是没动力 哈哈哈

jiaomt

eaglechu 发表于 2013-12-17 10:25
同步属于支撑网络 数字通信时代几乎和所有网系相关。讲好同步不容易。支持下楼主。
传输网中的时间同步 这 ...

说到现在还没有说到支撑网的概念，虽然模拟时代支撑网已经出现了，但是就像你所说的，他是在数字时代才变得越来越重要，越来越庞大。同步网是其中重要的一部分，而且渗透到接入、交换、和传输的所有流程中，我原来取名字的时候比较随意，主要是觉得传输的大脉络比较清晰，同步也可以避开交换来说，但是写写又觉得在一张整体的网中，拆出一部分来说就比较片面，而且大家平时多接触终端，很少接触传输，也很难说清楚，就想铺开来说。
整体的思路我想按照通信发展的进程，从模拟到数字，从时分到分组，但是数字时代不止电信网这一张网了，以太网也开始同步发展，他俩分分合合，传输彼此数据又逼迫对方装成自己样子，走到现在越来越像，渐渐融合。暂时想以电信网为主要稍微捎带着以太网往前铺开，但是想想就有一种乏力感。
内容太多，肯定会有疏漏，其实我不怕疏漏，就怕自己理解的是错的却不知道，希望高人看的时候多多提点，有错误的地方及时指正，有更好的描述方式也请不吝赐教。你给提的这个思路给了我一个好的方向，我会多多参考，谢谢了

jiaomt

如果我们在这种“一打转”的模型上实现通话，我们现在对同步是不是有了新的需求，很明显单纯的计费同步已经不能满足了，直觉上我们也能知道，两局的旋转指针一定要转速一样才行，但是转速相同了就能满足通话吗，我们看下面具体地通话情况。
图中所示，AB需要通话的时候前面，前面7个端子已经被现有通话占用了，所以AB的通话被分别被安排到两局的端子8上，站在你的角度，看到两局的旋转指针式同步转动的，同一时刻下指向端子号一致，这时候AB能够完成通话吗？假如两局距离10米，我们认为是可以的，不过我们是神经病吗，离10米就设两个局。我们不是神经病，所以也没有这种10米的情况，但是不在这种情况下同步转动的旋转指针会导致AB无法完成通话。假如两局相距23km，那么信号从甲局传到乙局需要0.0001s（铜线上电信号的传递速度约为 2.3*10^8 m/s），0.0001s好小啊，不过我们给他换个单位，100us，大多了吧。这么长的时间内我们的一打转会发生什么呢，每秒8000转，32个端子，100us的时间，旋转指针跳过了25.6个端子，我们按离散的跳动旋转考虑，四舍五入，就是经过了这100us的时间旋转指针跳动了26个端子，也就是当A的话音从甲局的端子8传到乙局的时候，收到话音的并不是连接乙局端子8的好基友B，而是连接到端子2上的抠脚大叔。这就是电话里的串音，相信大家都遇到过，正和对方说话的时候突然传来一阵第三者莫名的呜噜哇啦，没反应过来呢就变成忙音了。
为了让AB的通话联通，从你的角度看到的乙局的旋转指针应该比甲局的滞后100us。这个100us叫时延，如果要给这个时延加个“期限”，那就是传播时延。时延是非常重要的一个词，时延在各个通信系统中都存在包括我们刚开始说的模拟通信系统，但是在模拟时代，微秒级甚至毫秒级的时延，对人类的听说系统而言都是可以忽略不计的。当然数字时代，我们的听说系统并没有进化到微妙或者毫秒的敏感度，但是数字时代的信号传输发生了质的变化，毫秒，微妙甚至纳秒级的时延都要被考虑到，而时延的修正将是时间同步中不变的话题，包括进入光时代之后的CD和PMD，那也是时延的衍生物，后续会说到他们。
时延是一定要处理的，不过这次通话中还多了一个“你的角度”，你为什么会出现在通话中，你是AB的监护人吗？不是，但是你可以是通话系统的“监护人”，你可以同时“看到”甲局和乙局，如果你变成一个标准的时钟源，同时给甲局和乙局时钟信息，并告诉乙局在甲局转之后100微妙开始转动，那么甲局乙局和你就构成了一个共视比对的主从同步系统。但是有个很有意思的事，就是你怎么要处在一个什么位置，用什么方式把时钟信号传递给甲乙，你到甲乙的时延又怎么处理，我们怎么来处理这个乌龙呢？这是后话了。
前话说到在你出生之前，我们已经开始一打转了，那我们怎么处理的时延呢。甲乙都由自己的时间系统，因为是同一个产品，时钟系统肯定非常类似，短期内的偏差应该非常的小，那么我们只要保证一个对端的通话能够联通，那么在这转动的一周内，其他31个对端应该都能联通。这个光荣的任务必然会交给排在最前面的0端子啊，为了给予重任给个可爱的头衔TS0，TS0不传输语音，传输一个特殊的信号（同步码），当甲局主叫转盘开始旋转之后，乙局就等着收TS0的特殊信号，在收到TS0之后立马开转，那当TS8的信号到达的时刻，乙局也会刚刚好到达端子8，AB通话可以进行。假如乙局在TS0对齐之后开始转动，却在甲局8端子A的话音信息到达的时刻，乙已经转到了端子9，那只能说这两个设备差异太大了，这也是为什么我们需要统一的规范来约束这种差异。至于在满足规范的情况下甲乙局时钟系统的偏差，是系统可以容忍的偏差。

xiwenbao123

期待更新中。

jiaomt

前面写那么多基本可以算到平滑过渡中去，因为对于通信来说模拟时代已经远到了让人感到稍许的陌生，但是数字时代又复杂到了让你没法一眼看穿，毕竟二进制的操作和十进制的思维之间存在着难以逾越的鸿沟，我们要跨过鸿沟就需要桥梁。为了知其所以然，我们从思维的出发点开始赶路，现在算是走到了桥头上。
要上桥了，让我们换一种严肃的口吻开始接下来的讨论。好，开路，香烟啤酒饮料矿泉水，瓜子花生泡面火腿肠，让一让啊让一让~既然电信网最早的目的是为了传递语音，那我们就先从语音开始。

声音是一种振动，这种振动的频率在20-20kHz之间，人耳可以感知，我们就叫这种我们能够感知到的振动叫声音，超出这个范围，不好意思，你就老老实实叫振动吧。而语音，则是人类能够利用气流而激发声带，舌齿间隙，鼻腔胸腔所产生的振动，这种振动的频率在主要集中在300-3400Hz之间，如上图所示。这个频率的范围也决定8kHz的出现，为什么CCITT会建议采样频率是8kHz，两个原因，一靠近6800，二简单。简单是这个世界永远的追求，这也是为什么一个按键干掉了一个键盘。

jiaomt

我们的语音室连续的振动，如上图，我们对着电话发音，输出的是上图中的第一个图形，在数字化的过程中首先要采样，如果是在前面提到的旋转模型上，采样就是旋转指针基础端子的瞬间获取一个电压（第二个图形），每秒就获取8000*32个瞬间电压，这就是采样值，前面的模型上是获取电压之后直接送入传输网进行传输，虽然是时间离散的传输，但是这依然不能算是数字传输，因为电压值是连续的，复杂多值的，而且是非数字（简单高低电平）表示的（第三个图形），所以前面提到的那个模型的应用讨论范围是有限的，并不是事情真正的样子，而事情真正的样子接下来是怎样呢。

是量化，就是将采样到的电压值转化为对应的数字值。可以说量化是一道门，进门前是模拟世界，进门后就是彻底的数字世界了。当然量化基本上也像进门一样简单。我们以分贝和频率来表述声音，转化成电信号之后他们分别对应电压值的高地和变化的快慢来表示两个特征。我们原定8000Hz已经能满足变化快慢的需求，所以我们只需要将电压值的大小转化为对应的数字值即可。
假设我们采样到的电压值分布在0到3.2V之间，我们可以用0、1、2、3这四个数值来对应采集到的电压值，0到0.5V的都算是0,0.5到1.5的都算是1，类推到3。多么简单的对应啊，不过这样的量化会使你优美的语音变成一串鼓点，让对方完全摸不着北。

就像上图的样子，一个光滑的正弦波，瞬间失去了手感。这个量化的过程中损失了太多的信息，会导致非常严重的失真，失真到了我们无法从中获取需要的信息。对于这种在量化过程中引起的信号失真，我们称之为量化噪声。
为了使这种失真缩小到我们可以接受的地步，我们需要给出更多的对应等级(量化级数)，假如我们用把这个电压对应到1到32，32个级数，得到的图形就会是下面这个样子。

这个看上去就好多了吧，虽然还是引入了一定噪声，但是顺滑了许多，至少不至于扎手。但是不扎手并不能作为一个统一的标准，因为每个人的手敏感度是不一样，同时这还和技巧有关。那标准是多少呢，12位，2^11个均匀量化级数。那么此时每一个话路的传输速率就是8000*12=96kbit/s。大团圆了吗？还没有

在我们打电话的大多数时候我们都是中等语音或窃窃私语，很少会吼，但是均匀量化却要给中等语音到吼这个区间分配大量的区间，这个大量的空间带来了很大的浪费，而且因为这个区间的影响使得我们的窃窃私语受到了很大影响（信噪比不够）。

就像上面这个图，在均匀量化中为了传送这“一声吼”（图中的尖峰），我们要给出很大空间，但是这个一声吼出现的频率实在太低了。这就是均匀量化的病，有病就要治。

jiaomt

均匀量化是一种病，怎么治呢，那就不要均匀量化了，非均匀量化。那么什么是非均匀量化呢
假如你是一个酒店的大客户经理，现在要为来的客人分配房间，你们酒店共有8层，每层只有一个房间，， 有一个特殊的安全系统， 住的楼层越低安全系数越高。来访者有1个国家主席，1个总理，2个部长，4个省长，8个市长，16个县长，32个乡长和64个村长，那么你会怎么分楼层

大堂经理A：我觉得大家需要平等，不能因为职位而影响楼层，为了安全，大家都住1层吧。
结果：大家为A鼓掌并三鞠躬

大堂经理B：我觉得大家需要平等，不能因为职位而影响楼层，但是都住在1层太挤了，大家抽签吧1-16住1层，17-32住2层，以此类推。
结果：大家为B鼓掌并三鞠躬

大堂经理C:128个人，8层，每层16个，主席总理部长省长市长住1层，县长住2层，乡长3、4层，村长住4、6、7、8层。
结果：大家为C鼓掌并三鞠躬，并在墓碑上刻上这样的字：我曾经是均匀量化。为村长分配四层房间就是“浪费”，虽然这种说法让人难以接受，但是在任何一个体制内，小到公司，你不能为了平等就要求和董事长行使一样的权利享受一样的待遇；大到国家，你不能为了平等就让村长和主席享受一样的待遇，在推广到宇宙，你不能为了平等就阻止球围绕太阳转动。

大堂经理D：主席1层，总理二层，部长3层，省长4层，市长5层，县长6层，乡长7层，村长8层。
结果：我们把这种分配叫不平均分配，这是一个适应于各种体制的法则。同样适应于电话语音系统，学名叫A率，外文名A-Law

futurezeng

daobacao 发表于 2013-12-13 13:40
文中没提到1588时钟啊！   从哪看得出楼主是做1588的？

传输网+时间同步=1588v2

jiaomt

继续说A率，也就是说不平等，为什么要有“特殊待遇”，那我们得看住完酒店发生的事情，事情会是这样的，某天的新闻会说：
国家主席xxx，出席xx会议，发表xx重要讲话，做出xx指示，确定xx方向；（方向）
国家总理xxx，出席xx会议，发表xx重要讲话，强调xx问题，做出xx部署；（范围）
国家常委，xx部长xx和xx部长出席并做重要讲话，要求深化，细化xx措施；（部署）
国务委员，xx省长xx，xx省长xx，xx省长xx，xx省长xx出席会议；（领悟）
另外，有8位市长，16位县长，32位乡长和64位村长参加了此次会议；（...）

如果这件事发生在米国，你只需要将主席换成president，将总理换成副总统vice-president，将部长换成minister，将省长换成governor，其他依次代换即可。如果这件事发生在日本，将以上全部替换为鬼子即可。
现在说说这个体制的优点，可以说成两点：
第一普遍适用性，不管任何体系，任何数据范围，我们都可以首先将其归一化，然后按照这种方式分配，
将前1/128分到1层，代表方向，比如数字电话系统这一层放的“极性码”表达采样的正负，
接下来的1/128分到2层，
接下来的1/64放到3层，
再接下来的1/32放到4层，代表范围，比如在数字电话系统中这三层放“段编码”,每一种组合表达采样信号的不同段位；
接下来1/16,1/8,1/4,1/2分别放到5,6,7,8层，代表具体地执行，比如在数字电话系统中，这4层放“段内码”，每一种组合代表不同的信号内容。
如果我们把这种方式画到坐标系中，然后让其关于原点对称得到的图形如下图

这条曲线对应着8种斜率，在两个象限被分成13段直线，所以被称为A率13折曲线，这是中国和欧洲通用数字电话压缩标准，每一采样值被压缩编码为8位二进制数。这样被普遍应用的单路数字电话速率就是8000*8=64kbit/s.这种电话的MOS得分在4.7左右，被称为电话品质。

把这种速率计算到我们的旋转模型中去，一个旋转模型支持的速率是8000*64*32=2.048Mbit/s，能够传递这种速率数据的驱动频率为2.048MHz。

相信看到2048这个数，所有通信人都能想到一个叫E1的东西，是的E1就是这么来的，而这个速率非常非常的重要，尤其是对数字网的同步而言，这个速率和这个频率就是构筑我国同步体系的“承重结构”。

但是E1并不是为了同步而设计，它是为了语音而设计，这就是为什么前面会有那么多的废话讲到语音的量化编码压缩，就是为了引出E1，算是为了“然”和“所以然”吧。这么写其实是受到了“马屁”的启发：

说我们的铁路轨距标准是多少呢，1435mm，为什么呢，因为这是我国第一条自建铁路“唐胥铁路”用的就是1435mm，后续的铁路为了通车只能沿用这个轨距。为什么唐胥铁路是1435mm，因为我们接受了英国人的建议，采用了英国标准1435mm。为什么英国标准是1435mm，因为1825年时候马车是英国最主要的交通工具，所以第一条铁路兼顾了跑马车的需要，采用了马车车辙的宽度4英尺8.5英寸。而马车的宽度则是延续的罗马战车的宽度，罗马战车的宽度取决于两个马屁的宽度。当然这种说法还有待考证，不过从中可看到“延续”，即便现在的技术已经让我们眼花缭乱，但是一层一层剥开可能最终只是两个马屁那么简单。至于为什么马屁这么宽，可能这个问题可能需要和上帝探讨，如果有人想和达尔文探讨的话，估计是没机会了，因为他也去见上帝了。

第一个优点说到这，第二个优点就是合理性，不说这种分配体制的合理性，只说压缩能够让我们用更低的速率传输相当品质的语音，带来了很大的节约，也提高了安全性，同时为进一步降低速率需求指明了方向了。对于分配体制的合理与否，对于难以接受的人可以用存在即合理来安慰自己。

2013即将玩完，2014就在眼前，1314只是一个瞬间，到底时间是连续的向前，还是无限个离散的瞬间；到底是一个维度的紧缓，还是多个维度的回转；到底有没有开端或是终点，至今我们仍然没有答案，但是这并不影响我们过一个快乐的元旦~

anyphy

敢写的都是真懂的，支持你。

whq6829

谢谢楼主的分享，对我这个刚刚涉足这个行业的小菜鸟来说受益匪浅，希望楼主不要TJ哦~哈哈！

lvboodvl

写得非常好啊  支持一个！

sjf_hlj

jiaomt 发表于 2013-12-31 09:59
继续说A率，也就是说不平等，为什么要有“特殊待遇”，那我们得看住完酒店发生的事情，事情会是这样的，某天 ...

大才，（方向）（范围）（部署）（领悟）---世界本无公平（有的就是特殊待遇），方向不明，范围不定，部署不清，自由领悟