IEEE 1588协议在WiMAX基站定时中的应用
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摘要：针对目前WiMAX基站必须使用GPS接收机的现状，本文提出采用ieee 1588协议来实现基站与中心局的同步，该协议优良的特性使其成为一种方便可靠而成本低廉的替代方案。
关键词：IEEE1588 PTP；wimax；网络
在通信网络中，接入技术自始至终都是发展的热点。从时分、频分、码分到目前的空分，从TDMA、CDMA到OFDMA，从单天线到智能天线，先进的技术日新月异，层出不穷。而随着这些新技术的涌现，WiMAX网络也逐渐成为下一代通信系统的竞争者。国际电信联盟(ITU)宣布，已经批准WiMAX成为ITU移动无线标准，WiMAX正式成为IMT-2000 3G标准家族的一员，这将使得运营商部署网络将更加方便。
WiMAX是全IP网络，在标准中规定了分组CS和ATM CS两种汇聚子层(CS)，其中分组CS用于在WiMAX上传输IP帧、以太网帧和802.1QVLAN帧，ATMCS用于在WiMAX上传输ATM信元，但它并没有规定汇聚子层如何处理TDM电路，所以它无法像TDM应用一样从线路中恢复定时同步。在移动通信中，通常在无法从PDH、SDH等TDM网络中获取同步信号时采用GPS接收机，GPS可以提供一个高精度的同步时钟参考。然而在现在网络基础设施投资逐渐减少的情况下，采用昂贵的GPS接收方式并不是一个最佳方案，因此在进行WiMAX基站设计时必须找到一个成本低且效率高的时钟参考。
IEEE 1588协议的出现成为GPS接收的一种替代方案。它是专门针对分组网络设计的一种定时传送机制，采用时间分布机制和时间调度概念，客户端或从设备可以使用普通振荡器，通过软件调度与主机的主时钟保持同步，过程简单可靠，占用带宽很少，与部署GPS相比可以显著减低成本，也更加便于维护。即使不完全取代GPS，在GPS卫星不可用时作为一种备用方案将其部署在网络的主时钟处，在基站中部署IEEE 1588的从时钟，也可以保证网络始终处于同步状态。
WiMAX网络
WiMAX是全球微波接入互通(Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess)的简称，它是基于OFDM调制方式的一种宽带接入技术，共享数据率最高可以达到70Mbps，传输距离可以达到3至5公里，目前主要有用于固定无线服务的IEEE802.16-2004(802.16d)和用于移动服务的IEEE 802.16-2005(802.16e)两个版本。WiMAX的结构设计具有低延时、低抖动的特点，保证了实时服务，而WiMAX提供的多等级QoS适合于多种不同的应用和用户需求，在互联网接入、流媒体、互动游戏、视频点播VoD、以及语音服务(VoIP或TDMoIP)等方面都可得到应用。以IP为核心架构的WiMAX可以成为个人宽带服务的基础，因为采用IP网络相当于搭建了一个开放的移动数据网络，可以显著降低网络的运营费用和复杂度。WiMAX技术的兴起正使其成为下一代宽带无线移动应用的推动技术，成为最后一英里接入、热点、蜂窝回程以及移动高速宽带接入等的备选方案。在全国很多地方，WiMAX的实际部署已经开始，广东网通目前已在全省所有地市同步建设WiMAX网络，主要用来无线上网，而英特尔公司与大连、成都政府也达成了WiMAX部署合作协议。
WiMAX网络的基站设计通常采用时分双工(TDD)或频分双工(FDD)两种方式与客户端(CPE)进行通信。TDD基站在上行和下行链路中使用同一个频率，为了保证发送器和接收器处理的是连续的信息流，这种单频工作基站需要很快地从时间上划分信道。它的主要优点是信道占用时间可以调整，非常适合于需要在上行或下行链路上开展不对称业务的场合。因为上下行业务流量不对称时FDD模式会产生一定的信道空闲时间，而TDD模式下信道空闲时间很短，因此与FDD模式相比TDD效率更高。FDD模式下，通信信道的上下行链路频率不同，它更适合于那些需要提供对称业务的系统。在全双工FDD基站中，每个PHY或者处理发送，或者处理接收，因此需要用2个独立的射频模块，所以FDD模式的系统总体成本会比较高。为了降低收发器的成本和复杂度，大部分WiMAX基站硬件实现都采用时分双工技术，只有在面临频谱分配或规范要求时才考虑使用频分双工模式。
WiMAX网络的同步需求
虽然视频点播、在线游戏等高带宽需求的业务是WiMAX网络的最佳应用场合，但是在目前需求并不明确的情况下，如何通过WiMAX网络提供高质量的语音服务仍然是运营商要考虑的首要因素。而WiMAX采用IP网络的最主要缺点就是失去了同步链，基站没有了可靠精准的时钟参考，同步分配遭到破坏最终会导致掉话，直接后果就是用户满意度下降，运营商减少营收。
由于在WiMAX系统中，下行链路采用TDM数据流，在上行链路采用TDMA方式，即每个客户端只有在分配给自己的时隙内发送数据，如果它的一秒钟比实际短，那么这个定时数据就失去了准确性，基站就会提前发送数据，随着误差的增加，这个基站就有可能在属于别的基站的时隙内发送数据，导致冲突。
同样的，定时同步在WiMAX基站的效率方面也有很重要的作用。FDD模式下，可用频谱被分为上行和下行频道，但是在TDD模式，整个频谱被分为上下行的时隙，通过上行和下行之间的保护间隔，基站和客户端实现发送和接收的转换。IEEE 802．16标准将这种保护间隔定义为接收/发送的发送间隔(RTP)和发送/接收的发送间隔(TTP)。然而当基站时钟出现漂移失去了同步准确性，它的TDD帧将会超出保护间隔影响到相邻的站点。时钟源越不准确，间隔保护间隔就要越大，否则TDD帧就会超越发送间隔，引起错误。为了提高容量，标准中容许RTG和TTG最小为5μs，在这样的条件下需要及其精确的同步。如果基站间同步很差，那就需要加大保护带宽，这就浪费了宝贵的频谱资源。良好的同步可以降低保护带宽，相应地增加有效带宽，提高工作效率。
所以WiMAX系统需要有一个同步架构实现时间和频率的同步。标准要求在FDD模式下频率准确度达到8×10-6，在TDD模式下除了要求频率准确度达到8×10-6外，时间准确度要求在5到25μs内。只有有了既精确(precise)又准确(accurate)的定时，才能保证网络最高效的工作，减少掉话和掉线，保证用户持续的得到最佳的服务质量，增加运营收入。
IEEE 1588 PTP标准
为了解决以太网定时同步能力不