李由由,武建鋒,王康

(1.中國科學(xué)院國家授時中心,陜西 西安 710600;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引 言

5G網(wǎng)絡(luò)正處在完善標準和培育產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的時期,5G同步用于支撐5G網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù),包含頻率同步與時間同步,頻率同步要求與現(xiàn)有通信系統(tǒng)基本一致,但對時間同步提出了更加嚴格的要求．在4G時代,通常采用在基站加裝衛(wèi)星接收機的方式來滿足通信系統(tǒng)對時間同步的需求,主要技術(shù)有衛(wèi)星單頻單向授時、衛(wèi)星雙向時間傳遞技術(shù)和衛(wèi)星共視時間傳遞技術(shù)．在5G時代,若要通過衛(wèi)星進行基站間的時間同步是不合適的．首先是5G具有密集組網(wǎng)的特點,基站距離短、密度大,如果每個基站都安裝衛(wèi)星接收機,會導(dǎo)致投資成本過大;其次5G室內(nèi)基站占比將不斷增大,出現(xiàn)衛(wèi)星接收機獲取不到信號的情況將越來越多．建設(shè)高精度的地面時間同步組網(wǎng),在基站之間進行時間同步,逐步替代單一的基站衛(wèi)星接收機授時方式,將有效解決上述問題．對于實現(xiàn)高精度的時間同步傳輸,由于精確時間同步協(xié)議(PTP)技術(shù)在電信網(wǎng)絡(luò)中的大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)非常成熟,且易于實現(xiàn)互聯(lián)互通,所以應(yīng)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對其進行優(yōu)化．現(xiàn)有的PTP技術(shù)采用硬件時間戳的方式,同步精度可以達到亞微秒級,但無法滿足5G時代對于時間同步的高精度要求,要發(fā)展具有更高精度的時間同步方法[1]．

PTP協(xié)議的局限性在于頻率分布效果差,只可保證絕對時刻信息的時間同步,但由于網(wǎng)絡(luò)中各時鐘自身的頻率漂移及老化率特性不同,長時間導(dǎo)致鐘差累積變大,最終失去同步．將同步以太網(wǎng)(SyncE)加入PTP技術(shù)中,利用時鐘數(shù)據(jù)嵌入和恢復(fù)技術(shù),實現(xiàn)頻率的雙向傳遞,可提高同步精度[2]．WR(White Rabbit)協(xié)議又加入了全數(shù)字雙混頻鑒相器(DDMTD)技術(shù),實現(xiàn)時鐘主從端的相位測量和跟蹤鎖相,消除累積鐘差,再次提升了同步精度,滿足5G對高精度時間同步的要求．

本文提出了基于PTP+SyncE技術(shù)的兩種方法,一種為基于DP83640芯片平臺的方法,另一種為基于WR協(xié)議實現(xiàn)的方法,兩種方法均達到了優(yōu)于2 ns的同步精度,并給出了相應(yīng)的試驗分析．

1 面向網(wǎng)絡(luò)的精確時間同步協(xié)議

PTP是針對分布式網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)提出的精確時鐘同步協(xié)議,基本原理是主鐘周期性的發(fā)出同步信號校正同步所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時鐘,用軟件實現(xiàn)精度較差,為微秒量級,用硬件實現(xiàn)可達納秒級別;SyncE技術(shù)通過物理層實現(xiàn)時間頻率分布,將主時鐘的頻率精確同步給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點．基于PTP,依次將SyncE和DDMTD技術(shù)與之融合,成為具有更高精度的時間同步方法．

1.1 PTP同步原理

PTP協(xié)議把時鐘分成主時鐘和從時鐘．主從時鐘通過連續(xù)的交換報文發(fā)送與接收時刻的時間戳,然后根據(jù)同步算法對時鐘計算偏差并進行自我調(diào)整,達到主從時鐘同步的目的．PTP同步過程如圖1所示．首先通過最佳時鐘源算法確定區(qū)域內(nèi)的主從時鐘,然后二者周期性地交換帶有時間戳的網(wǎng)絡(luò)包[3]．

圖1 PTP同步過程原理圖

t1時刻主鐘發(fā)送同步報文(SYNE),將時間戳信息放在跟隨報文(Follow-up)中,t2時刻從鐘收到報文,t3時刻從鐘發(fā)送延遲響應(yīng)報文(Delay-request),主鐘收到時刻記為t4,之后主鐘再發(fā)送一個延遲響應(yīng)(Delay-response),從時鐘記錄4個時間戳信息,根據(jù)PTP協(xié)議,可以計算出單向傳輸延時δMS=(t4-t3+t2-t1)/2,主從時鐘偏移offsetMS=t1+σMS-t2,在計算出時鐘偏差后進行調(diào)整[4]．

1.2 SyncE+PTP同步原理

在SyncE中進行時鐘分布,將編碼后的時鐘信號在物理層通過通信鏈路發(fā)送并同步到網(wǎng)絡(luò)中的其他時鐘節(jié)點．傳統(tǒng)以太網(wǎng)通過時鐘嵌入和恢復(fù)技術(shù)實現(xiàn)時鐘同步,主鐘在數(shù)據(jù)鏈路層中嵌入時鐘和數(shù)據(jù),從時鐘的鏈路層通過恢復(fù)電路還原參考時鐘,但還原后的時鐘只在本級使用時鐘信息,沒有同步給下級時鐘．因此,各級時鐘之間沒有相關(guān)性,他們是不同源的時鐘．

不同于傳統(tǒng)以太網(wǎng),同步以太網(wǎng)全網(wǎng)基于來自主節(jié)點的高精度時鐘源信息,所有節(jié)點構(gòu)成一個可擴展的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),子節(jié)點從數(shù)據(jù)鏈路中恢復(fù)出時鐘,并通過節(jié)點內(nèi)部的鎖相環(huán)電路消除時鐘恢復(fù)引起的抖動,然后將恢復(fù)出來的時鐘作為本級時鐘和下一級的參考時鐘．采用SyncE技術(shù)實現(xiàn)物理同步的好處有很多:同步質(zhì)量好,兼容現(xiàn)有同步網(wǎng)絡(luò);丟包、擁塞等網(wǎng)絡(luò)問題不影響它的同步;技術(shù)成熟易實現(xiàn)[5]．

SyncE雖然能很好地實現(xiàn)頻率同步,但無法實現(xiàn)時間同步;PTP可以實現(xiàn)時間同步和相位同步,但實現(xiàn)時間同步時收斂時間長,同步報文交換頻率過高導(dǎo)致通信鏈路負荷較大,同步精度受限于時間戳的精度,并且PTP報文經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)引起的抖動不可控,同時沒有考慮介質(zhì)的非對稱性,導(dǎo)致同步精度無法保證．

綜合考慮這兩種同步技術(shù)的優(yōu)缺點,決定采用“PTP+SyncE”的聯(lián)合方案,以SyncE為基礎(chǔ),實現(xiàn)PTP時間同步,這樣避免了傳輸網(wǎng)絡(luò)中頻率同步收斂時間長的問題．此方案中,同步以太網(wǎng)實現(xiàn)頻率同步,PTP實現(xiàn)時間和相位同步,PTP通過在硬件中插入和提取時間戳,同步精度得到提高,收斂時間進一步縮小．基于此聯(lián)合方案,提出了WR和CuteNET技術(shù)方案．WR源于CERN歐洲核子中心同步應(yīng)用,是基于以太網(wǎng)的擴展增強,實現(xiàn)亞納秒級時間同步的技術(shù);CuteNET技術(shù),由國家授時中心自主研發(fā),使用PTP+SyncE技術(shù),實現(xiàn)亞納秒級時間同步的技術(shù)．

1.3 PTP+SyncE+DDMTD同步原理

WR協(xié)議由三部分組成．SyncE利用時鐘數(shù)據(jù)嵌入和時鐘恢復(fù)技術(shù),實現(xiàn)雙向頻率傳遞;網(wǎng)絡(luò)精密時間同步協(xié)議(PTPv2)利用通信協(xié)議實現(xiàn)主從端延遲測量;DDMTD實現(xiàn)主從端相位測量和跟蹤鎖相．同時引入了同步鏈路的不對稱估計．

1.3.1 時鐘數(shù)據(jù)嵌入和時鐘恢復(fù)

借鑒SyncE,WR利用時鐘數(shù)據(jù)嵌入和時鐘恢復(fù)技術(shù)實現(xiàn)頻率源廣播．主設(shè)備將時鐘頻率嵌入至鏈路層的數(shù)據(jù)碼中,從設(shè)備的時鐘恢復(fù)電路從鏈路層中恢復(fù)出參考時鐘．所有設(shè)備的時鐘來源于統(tǒng)一的穩(wěn)定參考時鐘(原子鐘),逐級將時鐘分布到所有連接的節(jié)點,使用專門的交換設(shè)備實現(xiàn)多個節(jié)點的擴展．相比較于基于DP83640的實現(xiàn)方案,增加了DDMTD實現(xiàn)更精確的相位測量．

1.3.2 全數(shù)字雙混頻鑒相器

WR使用鑒相器精確測量數(shù)據(jù)恢復(fù)時鐘與本地時鐘的相位差并對時間戳進行校正,從節(jié)點的鑒相器與濾波控制電路以及壓控振蕩器構(gòu)成了一個鎖相環(huán)電路,實現(xiàn)從節(jié)點時鐘的相位鎖定和相位調(diào)整功能,從而將基于PTPv2的時鐘同步技術(shù)帶入亞納秒級．

圖2 數(shù)字雙混頻原理

工作原理如圖2所示,利用外部鎖相環(huán)產(chǎn)生一個輔助時鐘信號,該信號頻率與被測信號(clkA和clkB)的頻率存在微小的差別(fPPL=N/(N+1)×fclk．在FPGA內(nèi)部使用該輔助時鐘信號分別對clkA和clkB進行采樣．由于采樣頻率非常接近被測信號的頻率,所以D觸發(fā)器會輸出一個非常低頻的信號．被測信號的相位差在混頻之后被放大,因此通過測量觸發(fā)器輸出信號的相位差可以計算出原信號的相位差,再通過鎖相環(huán)實現(xiàn)相位跟蹤和鎖定的功能[6]．

1.3.3 鏈路不對稱估計

WR網(wǎng)絡(luò)是基于千兆光纖以太網(wǎng)的同步網(wǎng)絡(luò),但PTP協(xié)議假定收發(fā)鏈路對稱來計算同步時間偏差,未考慮因光纖收發(fā)采用不同波長而導(dǎo)致的收發(fā)時延不同,即忽略了收發(fā)鏈路的不對稱性．WR協(xié)議定義了光纖非對稱系數(shù)α,其為主端到從端光纖傳播延時δMS與從端到主端光纖傳播延時δSM的比值減1,即α=δMS/δSM-1,在構(gòu)建同步鏈路前對α進行標定,實現(xiàn)對光纖非對稱鏈路的補償[7]．

2 實驗平臺構(gòu)建

2.1 PTP+SyncE平臺構(gòu)建

PTP+SyncE實驗平臺如圖3所示,硬件部分由網(wǎng)絡(luò)接口芯片DP83640和微處理芯片LPC1758組成,這兩塊芯片通過RMII主模式進行連接,微處理芯片負責(zé)PTP報文的收發(fā),網(wǎng)絡(luò)接口芯片主要功能模塊有PHY以太網(wǎng)物理層接口、IEEE1588數(shù)據(jù)包檢測與處理模塊、IEEE1588控制和IEEE1588時鐘．網(wǎng)絡(luò)接口芯片負責(zé)對時間戳進行打戳,CPU通過讀取網(wǎng)絡(luò)接口芯片的內(nèi)部寄存器,獲得時間戳并記錄下來,根據(jù)PTP協(xié)議處理時間戳得到主從時鐘偏差和延遲[8]．軟件設(shè)計部分對PTP協(xié)議同步和UDP/IPv4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行實現(xiàn),UDP協(xié)議把PTP報文作為協(xié)議的數(shù)據(jù)段來傳遞．實驗時使用兩塊硬件平臺點對點連接[9]．

圖3 實驗平臺結(jié)構(gòu)

通過Wireshark軟件捕獲時鐘模塊與計算機之間傳送的報文信息,以此來驗證同步報文信息收發(fā)是否成功．如圖4所示,設(shè)置主時鐘的IP地址為192.168.40.88,設(shè)置從時鐘的IP地址為192.168.40.7．由圖4可以看出,能夠正常地發(fā)送和接收同步報文,符合PTP標準規(guī)范要求．

圖4 同步報文驗證結(jié)果

2.2 WR平臺構(gòu)建

相較于DP83640平臺,WR技術(shù)采用國外方案,搭建如圖5所示的實驗平臺,使用兩塊Cute-WR-DP卡進行試驗,此卡可以接收上一級時鐘信息,也可作為主鐘將時鐘信息傳遞給下一級．將這兩塊板卡設(shè)置為主節(jié)點和從節(jié)點模式,主節(jié)點和從節(jié)點采用1 Gbps光纖收發(fā)器和波分復(fù)用的單模光纖連接,從節(jié)點通過收發(fā)端的以太網(wǎng)物理層數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)技術(shù)和鎖相環(huán)來恢復(fù)同步主節(jié)點的頻率．鑒相器通過精確測量主從節(jié)點的相位差和校正時間戳,將同步精度提高到亞納秒級別．

圖5 WR實驗平臺

Cute-WR-DP提供了通用接口用于實現(xiàn)調(diào)試、數(shù)據(jù)通信以及本地配置等功能．WR在使用前需先標定參數(shù)．基于不對稱系數(shù)構(gòu)建的WR同步鏈路中需要標定的參數(shù)包括:主從端口固定收發(fā)時延、主從端光纖鏈路不對稱系數(shù)α．其中,收發(fā)延時與設(shè)備本身和使用的光模塊有關(guān),在出廠時會進行標定,使用者也可試驗測試,進行精確標定、更改參數(shù);α系數(shù)在精度要求不高的時候可用默認參數(shù),也可根據(jù)不同設(shè)備進行測試,自己標定[10]．

3 測試與分析

3.1 PTP+SyncE同步精度測試

測試使用了3個時鐘模塊,利用網(wǎng)線連接,分別進行了兩個時鐘直連的雙節(jié)點同步精度測試和三個模塊串聯(lián)的一、三時鐘同步精度測試．

3.1.1 雙時鐘模塊同步精度

為了測量主從時鐘的時間同步偏差,搭建了如圖6所示的同步精度驗證系統(tǒng)．主從時鐘模塊通過RMII接口將LPC1758主系統(tǒng)與DP83640設(shè)備連接構(gòu)成,通過50 m網(wǎng)線進行通信、同步連接．將主從設(shè)備分別產(chǎn)生的秒脈沖(1 PPS)信號輸入到SR620時間間隔計數(shù)器里．輸出的秒脈沖高電平均為3.3 V,故SR620觸發(fā)電平設(shè)為1.5,無50 Ω負載．

圖6 兩時鐘同步精度

用Matlab對18個小時的測試數(shù)據(jù)進行分析處理,得到時間偏差的均值為1.033 ns,方差為188 ps,無異常野值．如圖7、8所示．

圖7 測試時間分布點圖

圖8 測試直方圖

3.1.2 串聯(lián)時鐘模塊同步精度

時鐘模塊組成三級串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu),測試連接原理如圖9所示．在和雙時鐘模塊同步精度測量條件相同的情況下,測量結(jié)果如圖10、11所示．通過Matlab數(shù)據(jù)分析,均值為1.977 ns,方差為197 ps,無異常野值．測試結(jié)果表明通過PTP+SyncE這種方法,可穩(wěn)定實現(xiàn)優(yōu)于2 ns的準確度和百皮秒的穩(wěn)定度．由于頻率需要經(jīng)過二次恢復(fù),與時間源的偏差加大,最終導(dǎo)致時間偏差加大．

圖9 串聯(lián)時鐘模塊同步精度

圖10 測試時間分布點圖

圖11 測試直方圖

3.2 WR同步精度驗證

測試使用了3塊Cute-WR-DP卡,利用單模復(fù)用光纖連接板卡,分別進行了兩個板卡直連的雙節(jié)點同步精度測試和三個板卡串聯(lián)的一三節(jié)點同步精度測試．

3.2.1 雙節(jié)點同步精度

使用Cute-WR-DP卡作為WR節(jié)點通過單模復(fù)用光纖相連,分為主從節(jié)點,通過輸出的秒脈沖信號測試其時間同步的不確定度,測試連接原理圖如圖12所示．

圖12 WR雙節(jié)點測試連接原理圖

WR-M為主時鐘,內(nèi)部有晶振,可以產(chǎn)生固定頻率,與WR-S從時鐘通過單模復(fù)用光纖相連,主時鐘光模塊發(fā)出的光波長為1490 nm,從時鐘光模塊發(fā)出的光波長為1310 nm．二者同時輸出秒脈沖(1 PPS)信號連接到計數(shù)器,即可測得二者之間的時間同步的不確定度．計數(shù)器的觸發(fā)電平設(shè)置為1.5 V,計數(shù)器A口接主端,計數(shù)器B口接從端,都沒有加50 Ω的負載．使用50 m光纖進行連接．測試結(jié)果如圖13、14所示．

經(jīng)過測試,通過Matlab數(shù)據(jù)分析,均值為28.8 ps,方差為26.5 ps,無異常野值．由于SR620計數(shù)器的精度為25 ps,當(dāng)用其測得的時間偏差為28.8 ps的時候,測量結(jié)果誤差在±25 ps．

圖13測試時間分布點圖

圖14 測試直方圖

3.2.2 串聯(lián)節(jié)點同步精度

板卡組成三級串聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu),測試連接原理如圖15所示．在和雙節(jié)點同步精度測量條件相同的情況下,測量結(jié)果如圖16～17所示．通過Matlab數(shù)據(jù)分析,均值為1.058 ns,方差為44.2 ps,無異常野值．說明通過WR也可以穩(wěn)定地達到百皮秒的抖動,優(yōu)于2 ns的準確度．可以發(fā)現(xiàn),通過串聯(lián)之后,同步精度有略微下降,是因為經(jīng)過兩次數(shù)據(jù)恢復(fù),相差累積所致．

圖15 WR三節(jié)點測試連接原理圖

圖16 測試時間分布點圖

圖17 測試直方圖

4 結(jié) 語

通過兩種方案的測試及比較,兩種方案都可以取得優(yōu)于2 ns的同步準確度．5G背景下,這兩種方案都能滿足高精度的時間同步要求,但各有優(yōu)缺點．WR方案由于采用了雙混頻時差測量技術(shù),能夠取得較PTP+SyncE方案更好的抖動特性以及同步精度,正由于WR方案增加了雙混頻時差測量功能,導(dǎo)致構(gòu)造復(fù)雜,成本增高,并且使用前需要進行預(yù)校準．PTP技術(shù)目前在電信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用廣泛、成熟度高、互聯(lián)互通性好,在其基礎(chǔ)上改進的PTP+SyncE方案易于實現(xiàn),更適合作為基站間時間同步的傳遞技術(shù)．