同步以太網在5G 網絡設備中的應用

鄧 兵

（上海劍橋科技股份有限公司，上海 200000）

隨著數字化技術的快速發展，5G 的應用給人們帶來極致用戶體驗和更大的數據容量，它開啟物聯網時代的新紀元。5G 主要應用于車聯網、工業智能控制、智能制造、遠程醫療、無線家庭影音、高清網絡直播、智慧城市等等。在這些應用中需要更高的速度和更低的延遲，如購物節中的“秒殺”“整點開始拍”，遠程醫療等，都要求毫秒級甚至微秒級的時間同步。現階段的網絡設備以晶振為時鐘源，時鐘晶振工作在自由振蕩狀態。由于環境溫度變化，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準頻率存在一定誤差。雖然這些誤差很小，但是長期累積會產生較大的影響。

想要保證網絡設備的時鐘同步，必須保證網絡設備的頻率同步。根據國際電信聯盟ITU 規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SYNC-E 的時鐘傳輸，在5G 設備中的每個節點，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 設備，通過逐級時鐘鎖定方式，實現全網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 設備中同步以太網簡介

為了解決5G 設備中時鐘同步的技術問題，本文提供了一種5G 設備中同步以太網SYNC-E 同步時鐘的方法，同步以太網SYNC-E 是在物理層實現高精度的頻率同步，不受上層應用帶來的影響。它包括5G CU 通過GPS 模塊獲取高質量的時鐘源GPS 信息，并每秒輸出一個脈沖，傳遞給下一級設備5G DU；5G DU 的鎖相環PLL 時鐘單元鎖定到CU 輸出的秒脈沖，并產生系統時鐘，系統時鐘為以太網端口提供時鐘源，用于以太網物理層發送數據時的時鐘，從而實現時鐘向下級節點傳遞；5G RU 的PHY 時鐘處理模塊從以太網碼流中提取出以太網鏈路時鐘，5G RU 的PLL 時鐘單元鎖定到提取到的以太網鏈路時鐘，并產生系統時鐘供5G RU 使用。這樣5G RU 間接鎖定到GPS 模塊時鐘。5G 網絡拓撲圖如圖1 所示。

圖1 5G 網絡拓撲圖

所述同步以太網，是一種從以太網鏈路碼流恢復時鐘的技術Synchronization Ethernet，簡稱SYNC-E。通過以太網PHY 芯片物理層從串行數據碼流中提取出發送端的時鐘，從而實現網絡時鐘同步。2006 年，國際電信聯盟在G.8261 中提出了同步以太網概念。第二年在G.8262 中對同步以太網的性能要求進行了標準化。所述鎖相環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部環路振蕩信號的相位和頻率。鎖相環一般由環路濾波器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集中單元（Centralized Unit）。CU 設備主要包括非實時的無線高層協議棧RRC、PDCP 等功能，同時也支持部分核心網絡功能下沉和邊緣應用業務的部署，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分布單元（Distributed Unit）。DU 設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天線單元，負責數據與信號DAC、ADC 轉換，屬于網絡的前傳部分。

2 同步以太網在5G 設備中的具體實施方式

2.1 GPS 模塊提取GPS 時鐘信號

GPS 模塊主要完成衛星信號接收功能，自動選擇衛星信號波束。GPS 利用非常穩定的原子時鐘作為其時基。GPS 模塊接收到衛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 同步以太網在5G DU 的實現方法

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換器。時鐘轉換器由系統時鐘鎖相環、參考時鐘輸入、模擬鎖相環、數字鎖相環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 等都推出了時鐘轉換器芯片。在芯片廠商官方網站可以下載桌面軟件應用程序，應用程序由常用框架和各特定元件插件組成，用于配置時鐘轉換器，主要配置框架如圖2 所示。

圖2 5G DU 的時鐘轉換器框架

5G DU 時鐘轉換器鎖定到5G CU 輸出的1PPS秒脈沖的過程為：

（1）首先產生時鐘轉換器的時鐘。5G DU 時鐘轉換器的晶振選用48 MHz 有源晶振，連接芯片的XOA和XOB 輸入引腳。當使用不太穩定的PLL 參考源時，低于大約50 Hz 的環路帶寬可以防止PLL 鎖定或導致鎖定事件的隨機丟失。盡管減輕這一問題的一種方法是使用高穩定性系統時鐘源（如OCXO），時鐘轉換器提供了集成系統時鐘補償能力，降低了對較高頻率晶體的穩定性要求，同時提供了對系統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。系統時鐘PLL 的輸出構成系統時鐘頻率。系統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，得到時鐘轉換器的時鐘為2.4 GHz。

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

（3）再次時鐘轉換器具有模擬鎖相環（APLL），APLL 依賴于壓控振蕩器（VCO）作為產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 可以調諧到其操作帶寬內的任何頻率。經過APLL 的輸出頻率為2.5 GHz。

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

通過時鐘轉換器配置軟件導出時鐘轉換器芯片的配置文件，擴展名為.txt，導出的配置文件有一千多行，部分配置文件的內容如圖3 所示。配置文件的第一列為時鐘轉換器芯片的寄存器地址，第二列為時鐘轉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的寄存器，然后運行。時鐘轉換器芯片的OUT0A、OUT0B 和OUT0C 對應引腳輸出125 MHz 的時鐘供5G DU 的物理PHY使用。

圖3 時鐘轉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

以太網物理層編碼平均每4 個比特就插入一個附加比特，傳輸的數據碼流中不會出現超過4 個0 或者4 個1 的連續碼流，傳輸的碼流中就包含時鐘信息。在以太網的Master 端使用高精度的時鐘發送數據，在Slave 端恢復并提取這個時鐘，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。時鐘轉換器芯片輸出125 MHz 的時鐘作為5G DU 萬兆PHY 的發送時鐘發送數據。這樣5G DU（Master 端）的高精度時鐘通過網線或者光纖往下一級傳送。

2.3 同步以太網在5G RU 的實現方法

2.3.1 5G RU 的PHY 芯片從數據碼流中提取同步以太網時鐘

時鐘處理模塊從以太網端口提取以太網鏈路時鐘，可以從PHY 芯片MDI 接口數據碼流中提取出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線與5G DU 相連。

通過設置PHY 芯片1E.0X404F 寄存器bit4 位開啟SYNC_E 功能，在芯片對應引腳輸出兩對同步時鐘（SYNCECLK0、SYNCECLK1）和相應的同步鎖定狀態信號（SYNCELOCK0、SYNCELOCK1），也可以單獨從一個端口恢復時鐘，對應寄存器的描述見表1。當從接收的數據中鎖住時鐘后對應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SYNC_E 時鐘框圖

2.3.2 從Port0 端口提取同步以太網時鐘功能

以下是通過執行EnableSfpPort0SynceClk 函數實現從Port0 端口提取同步以太網時鐘功能的程序。

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，該信號接到時鐘轉換器，如圖5 所示，原理與5G DU 時鐘轉換器的原理相同。5G RU 時鐘轉換器的晶振選用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，得到時鐘轉換器的時鐘為2.4 GHz。25 MHz SYNC_E 時鐘通過時鐘轉換器數字鎖相環（DPLL）和模擬鎖相環（APLL），輸出頻率為3 GHz。最后3 GHz 的頻率經過24 倍的分頻產生125 MHz 的時鐘。這樣輸出的125 MHz 的系統時鐘可以穩定地鎖定到輸入的25 MHz 參考時鐘。

圖5 5G RU 的時鐘轉換器框架

5G RU 的系統時鐘有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，時鐘轉換器沒有時鐘源。時鐘轉換器工作在自由運行模式，提供的系統時鐘精度受制于本地晶體振蕩器精度。

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

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

3 同步以太網在5G 設備中驗證方法

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

4 結論

同步以太網SYNC-E 在5G 設備中的應用，它包括5G CU 通過GPS 模塊獲取高質量的GPS 時鐘源信息，并每秒輸出一個脈沖給下一級設備5G DU；5G DU 的時鐘轉換單元鎖定到CU 輸出的秒脈沖時鐘信號，并產生系統時鐘，5G DU 以太網源端口使用該高精度的時鐘發送數據給5G RU；在5G RU 的接收端恢復并提取該時鐘。通過逐級鎖定，全網逐級同步到GPS 時鐘源輸出的高精度時鐘。同步以太網的時鐘精度不會受網絡負載影響，同步性能好，可靠性高。可以廣泛將同步以太網SNYC-E 技術應用于5G 設備中，完全滿足對時間同步要求極高的秒拍、科研、軍事、醫療衛生等領域。