同步以太網(wǎng)在5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的應(yīng)用

鄧 兵

（上海劍橋科技股份有限公司，上海 200000）

隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，5G 的應(yīng)用給人們帶來極致用戶體驗和更大的數(shù)據(jù)容量，它開啟物聯(lián)網(wǎng)時代的新紀(jì)元。5G 主要應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)智能控制、智能制造、遠程醫(yī)療、無線家庭影音、高清網(wǎng)絡(luò)直播、智慧城市等等。在這些應(yīng)用中需要更高的速度和更低的延遲，如購物節(jié)中的“秒殺”“整點開始拍”，遠程醫(yī)療等，都要求毫秒級甚至微秒級的時間同步。現(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以晶振為時鐘源，時鐘晶振工作在自由振蕩狀態(tài)。由于環(huán)境溫度變化，電子元器件晶振老化和電磁干擾等原因，晶振的振蕩頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率存在一定誤差。雖然這些誤差很小，但是長期累積會產(chǎn)生較大的影響。

想要保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時鐘同步，必須保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的頻率同步。根據(jù)國際電信聯(lián)盟ITU 規(guī)定的時鐘同步的傳輸方式，本文介紹了其中一種方式，同步以太網(wǎng)SYNC-E 的時鐘傳輸，在5G 設(shè)備中的每個節(jié)點，都從物理鏈路層提取線路時鐘，使本地時鐘鎖定在上級時鐘源，并將鎖定后的時鐘傳給下級5G 設(shè)備，通過逐級時鐘鎖定方式，實現(xiàn)全網(wǎng)逐級同步到主參考時鐘，給時間信號同步提供了可靠保證。

1 5G 設(shè)備中同步以太網(wǎng)簡介

為了解決5G 設(shè)備中時鐘同步的技術(shù)問題，本文提供了一種5G 設(shè)備中同步以太網(wǎng)SYNC-E 同步時鐘的方法，同步以太網(wǎng)SYNC-E 是在物理層實現(xiàn)高精度的頻率同步，不受上層應(yīng)用帶來的影響。它包括5G CU 通過GPS 模塊獲取高質(zhì)量的時鐘源GPS 信息，并每秒輸出一個脈沖，傳遞給下一級設(shè)備5G DU；5G DU 的鎖相環(huán)PLL 時鐘單元鎖定到CU 輸出的秒脈沖，并產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，系統(tǒng)時鐘為以太網(wǎng)端口提供時鐘源，用于以太網(wǎng)物理層發(fā)送數(shù)據(jù)時的時鐘，從而實現(xiàn)時鐘向下級節(jié)點傳遞；5G RU 的PHY 時鐘處理模塊從以太網(wǎng)碼流中提取出以太網(wǎng)鏈路時鐘，5G RU 的PLL 時鐘單元鎖定到提取到的以太網(wǎng)鏈路時鐘，并產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘供5G RU 使用。這樣5G RU 間接鎖定到GPS 模塊時鐘。5G 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖1 所示。

圖1 5G 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

所述同步以太網(wǎng)，是一種從以太網(wǎng)鏈路碼流恢復(fù)時鐘的技術(shù)Synchronization Ethernet，簡稱SYNC-E。通過以太網(wǎng)PHY 芯片物理層從串行數(shù)據(jù)碼流中提取出發(fā)送端的時鐘，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時鐘同步。2006 年，國際電信聯(lián)盟在G.8261 中提出了同步以太網(wǎng)概念。第二年在G.8262 中對同步以太網(wǎng)的性能要求進行了標(biāo)準(zhǔn)化。所述鎖相環(huán)PLL（Phase-Locked Loop）是一種反饋控制電路。利用輸入的外部參考信號控制內(nèi)部環(huán)路振蕩信號的相位和頻率。鎖相環(huán)一般由環(huán)路濾波器LF（Loop Filter）、鑒相器PD（Phase Detector）和壓控振蕩器VCO（Voltage Controlled Oscillator）3 部分組成。其工作原理為：當(dāng)輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差，輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，即輸出電壓與輸入電壓的相位鎖住。

所述5G CU 是第五代移動通信技術(shù)集中單元（Centralized Unit）。CU 設(shè)備主要包括非實時的無線高層協(xié)議棧RRC、PDCP 等功能，同時也支持部分核心網(wǎng)絡(luò)功能下沉和邊緣應(yīng)用業(yè)務(wù)的部署，非實時的配置和控制決策。

所述5G DU 是第五代移動通信技術(shù)分布單元（Distributed Unit）。DU 設(shè)備主要處理物理層功能和實時性需求的二層功能。

所述5G RU 是第五代移動通信技術(shù)天線單元，負責(zé)數(shù)據(jù)與信號DAC、ADC 轉(zhuǎn)換，屬于網(wǎng)絡(luò)的前傳部分。

2 同步以太網(wǎng)在5G 設(shè)備中的具體實施方式

2.1 GPS 模塊提取GPS 時鐘信號

GPS 模塊主要完成衛(wèi)星信號接收功能，自動選擇衛(wèi)星信號波束。GPS 利用非常穩(wěn)定的原子時鐘作為其時基。GPS 模塊接收到衛(wèi)星信號后可以獲得位置信息、高精度時鐘和頻率信號，提供高精度1PPS 秒脈沖輸出。GPS 模塊是5G CU 的一個功能模塊，這相當(dāng)于5G CU 輸出1PPS 秒脈沖作為5G DU 的參考時鐘。

2.2 同步以太網(wǎng)在5G DU 的實現(xiàn)方法

2.2.1 5G DU 鎖定5G CU 輸出的1PPS 秒脈沖

5G DU 要鎖定到5G CU 輸出的1PPS 秒脈沖會用到重要器件時鐘轉(zhuǎn)換器。時鐘轉(zhuǎn)換器由系統(tǒng)時鐘鎖相環(huán)、參考時鐘輸入、模擬鎖相環(huán)、數(shù)字鎖相環(huán)和輸出分配器等組成。著名芯片公司亞德諾（ADI）、德州儀器（TI）和Maxim 等都推出了時鐘轉(zhuǎn)換器芯片。在芯片廠商官方網(wǎng)站可以下載桌面軟件應(yīng)用程序，應(yīng)用程序由常用框架和各特定元件插件組成，用于配置時鐘轉(zhuǎn)換器，主要配置框架如圖2 所示。

圖2 5G DU 的時鐘轉(zhuǎn)換器框架

5G DU 時鐘轉(zhuǎn)換器鎖定到5G CU 輸出的1PPS秒脈沖的過程為：

（1）首先產(chǎn)生時鐘轉(zhuǎn)換器的時鐘。5G DU 時鐘轉(zhuǎn)換器的晶振選用48 MHz 有源晶振，連接芯片的XOA和XOB 輸入引腳。當(dāng)使用不太穩(wěn)定的PLL 參考源時，低于大約50 Hz 的環(huán)路帶寬可以防止PLL 鎖定或?qū)е骆i定事件的隨機丟失。盡管減輕這一問題的一種方法是使用高穩(wěn)定性系統(tǒng)時鐘源（如OCXO），時鐘轉(zhuǎn)換器提供了集成系統(tǒng)時鐘補償能力，降低了對較高頻率晶體的穩(wěn)定性要求，同時提供了對系統(tǒng)時鐘的突出相位噪聲。要使用此功能，連接到XOA/XOB 引腳的晶振為25～60 MHz。系統(tǒng)時鐘PLL 的輸出構(gòu)成系統(tǒng)時鐘頻率。系統(tǒng)時鐘頻率取決于反饋分頻器的值，范圍為4～255，可以通過8 位反饋分頻器寄存器進行編程，得到時鐘轉(zhuǎn)換器的時鐘為2.4 GHz。

（2）其次時鐘轉(zhuǎn)換器具有數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL），DPLL 使用一個數(shù)字控制的振蕩器（NCO），它依賴于一個數(shù)字頻率調(diào)諧器（FTW）來產(chǎn)生輸出頻率。1PPS 秒脈沖經(jīng)過數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）產(chǎn)生輸出頻率給APLL。

（3）再次時鐘轉(zhuǎn)換器具有模擬鎖相環(huán)（APLL），APLL 依賴于壓控振蕩器（VCO）作為產(chǎn)生輸出信號的頻率元件，其中輸出頻率取決于所施加的直流電壓，APLL 中的VCO 可以調(diào)諧到其操作帶寬內(nèi)的任何頻率。經(jīng)過APLL 的輸出頻率為2.5 GHz。

（4）最后2.5 GHz 的頻率經(jīng)過20 倍的分頻產(chǎn)生125 MHz 的時鐘，這樣輸出的125 MHz 的系統(tǒng)時鐘可以穩(wěn)定地鎖定到輸入的1PPS 秒脈沖。

通過時鐘轉(zhuǎn)換器配置軟件導(dǎo)出時鐘轉(zhuǎn)換器芯片的配置文件，擴展名為.txt，導(dǎo)出的配置文件有一千多行，部分配置文件的內(nèi)容如圖3 所示。配置文件的第一列為時鐘轉(zhuǎn)換器芯片的寄存器地址，第二列為時鐘轉(zhuǎn)換器芯片的寄存器值。5G DU 上電啟動后通過程序把配置文件的值下載到對應(yīng)的寄存器，然后運行。時鐘轉(zhuǎn)換器芯片的OUT0A、OUT0B 和OUT0C 對應(yīng)引腳輸出125 MHz 的時鐘供5G DU 的物理PHY使用。

圖3 時鐘轉(zhuǎn)換器配置軟件生成的配置文件

2.2.2 5G DU 的高精度時鐘往下一級5G RU 傳送

以太網(wǎng)物理層編碼平均每4 個比特就插入一個附加比特，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼流中不會出現(xiàn)超過4 個0 或者4 個1 的連續(xù)碼流，傳輸?shù)拇a流中就包含時鐘信息。在以太網(wǎng)的Master 端使用高精度的時鐘發(fā)送數(shù)據(jù)，在Slave 端恢復(fù)并提取這個時鐘，在這個過程中時鐘的精度不會有損失，可以與信號源保持高精度時鐘同步。時鐘轉(zhuǎn)換器芯片輸出125 MHz 的時鐘作為5G DU 萬兆PHY 的發(fā)送時鐘發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣5G DU（Master 端）的高精度時鐘通過網(wǎng)線或者光纖往下一級傳送。

2.3 同步以太網(wǎng)在5G RU 的實現(xiàn)方法

2.3.1 5G RU 的PHY 芯片從數(shù)據(jù)碼流中提取同步以太網(wǎng)時鐘

時鐘處理模塊從以太網(wǎng)端口提取以太網(wǎng)鏈路時鐘，可以從PHY 芯片MDI 接口數(shù)據(jù)碼流中提取出25 MHz 時鐘信號（如果是光纖端口，提取時鐘信號為20.1 MHz）。5G RU 的PHY 芯片有兩個端口分別為Port0 和Port1，其中Port0 作為Slave 端口通過光纖或者網(wǎng)線與5G DU 相連。

通過設(shè)置PHY 芯片1E.0X404F 寄存器bit4 位開啟SYNC_E 功能，在芯片對應(yīng)引腳輸出兩對同步時鐘（SYNCECLK0、SYNCECLK1）和相應(yīng)的同步鎖定狀態(tài)信號（SYNCELOCK0、SYNCELOCK1），也可以單獨從一個端口恢復(fù)時鐘，對應(yīng)寄存器的描述見表1。當(dāng)從接收的數(shù)據(jù)中鎖住時鐘后對應(yīng)SYNCELOCK0 和SYNCELOCK1 引腳會輸出高電平。

表1 SYNC_E 配置寄存器（30.0X404F）

通過設(shè)置PHY 芯片1E.0XA04C 寄存器bits[9:4]位獨立地從SYNCECLK0、SYNCECLK1 引腳輸出鎖定的時鐘頻率信號和SYNCELOCK0、SYNCELOCK1 引腳輸出同步鎖定狀態(tài)信號，鎖定后輸出高電平，如圖4 所示。Port0 端口1E.0XA04C 寄存器bits [6:4] 位控制P0_M0 MUX 輸出SYNCECLK0 和SYNCELOCK0 引腳，Port1 端口1E.0XA04C 寄存器bits [9:7] 位控制P1_M1 MUX 輸出SYNCECLK1 和SYNCELOCK1 引腳，寄存器描述見表2。

表2 SYNC Common CFG Register（30.0XA04C）

圖4 PHY 恢復(fù)SYNC_E 時鐘框圖

2.3.2 從Port0 端口提取同步以太網(wǎng)時鐘功能

以下是通過執(zhí)行EnableSfpPort0SynceClk 函數(shù)實現(xiàn)從Port0 端口提取同步以太網(wǎng)時鐘功能的程序。

2.3.3 5G RU 鎖定PHY 芯片SYNC_E 時鐘

5G RU 的PHY 芯片Port0 端口輸出25 MHz SYNC_E 時鐘信號，該信號接到時鐘轉(zhuǎn)換器，如圖5 所示，原理與5G DU 時鐘轉(zhuǎn)換器的原理相同。5G RU 時鐘轉(zhuǎn)換器的晶振選用25 MHz 有源晶振，連接芯片的XOA 和XOB 輸入引腳。通過8 位反饋分頻器寄存器進行編程，得到時鐘轉(zhuǎn)換器的時鐘為2.4 GHz。25 MHz SYNC_E 時鐘通過時鐘轉(zhuǎn)換器數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）和模擬鎖相環(huán)（APLL），輸出頻率為3 GHz。最后3 GHz 的頻率經(jīng)過24 倍的分頻產(chǎn)生125 MHz 的時鐘。這樣輸出的125 MHz 的系統(tǒng)時鐘可以穩(wěn)定地鎖定到輸入的25 MHz 參考時鐘。

圖5 5G RU 的時鐘轉(zhuǎn)換器框架

5G RU 的系統(tǒng)時鐘有3 種工作模式：自由運行模式、鎖相模式和保持模式。

（1）自由運行（Free run）模式：如果5G RU 沒有接5G DU，5G RU 不能提取SYNC_E 時鐘，時鐘轉(zhuǎn)換器沒有時鐘源。時鐘轉(zhuǎn)換器工作在自由運行模式，提供的系統(tǒng)時鐘精度受制于本地晶體振蕩器精度。

（2）鎖相模式：時鐘轉(zhuǎn)換器鎖定25 MHz SYNC_E參考基準(zhǔn)。輸出的系統(tǒng)時鐘精度與參考基準(zhǔn)的精度保持一致。參考時鐘基準(zhǔn)是從上級5G DU 傳下來的。

（3）保持模式：時鐘轉(zhuǎn)換器失去25 MHz SYNC_E參考基準(zhǔn)，在一段時間內(nèi)根據(jù)以前的時鐘參數(shù)保持原有的時鐘精度，保持時間一般為24 h。經(jīng)過保持模式，時鐘轉(zhuǎn)換器進入自由運行模式。

3 同步以太網(wǎng)在5G 設(shè)備中驗證方法

將5G CU、5G DU 和5G RU 按照圖1 的組網(wǎng)方式接到時鐘測試儀。鎖相工作模式下，5G CU、5G DU和5G RU 的系統(tǒng)時鐘與GPS 1PPS 秒脈沖保持完全同步。保持模式下5G RU 的系統(tǒng)時鐘精度可以達到±4 ppm，完全符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

同步以太網(wǎng)SYNC-E 在5G 設(shè)備中的應(yīng)用，它包括5G CU 通過GPS 模塊獲取高質(zhì)量的GPS 時鐘源信息，并每秒輸出一個脈沖給下一級設(shè)備5G DU；5G DU 的時鐘轉(zhuǎn)換單元鎖定到CU 輸出的秒脈沖時鐘信號，并產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，5G DU 以太網(wǎng)源端口使用該高精度的時鐘發(fā)送數(shù)據(jù)給5G RU；在5G RU 的接收端恢復(fù)并提取該時鐘。通過逐級鎖定，全網(wǎng)逐級同步到GPS 時鐘源輸出的高精度時鐘。同步以太網(wǎng)的時鐘精度不會受網(wǎng)絡(luò)負載影響，同步性能好，可靠性高?？梢詮V泛將同步以太網(wǎng)SNYC-E 技術(shù)應(yīng)用于5G 設(shè)備中，完全滿足對時間同步要求極高的秒拍、科研、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。