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(lái)極致用戶體驗(yàn)和更大的數(shù)據(jù)容量，它開(kāi)啟物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的新紀(jì)元。5G 主要應(yīng)用于車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)智能控制、智能制造、遠(yuǎn)程醫(yī)療、無(wú)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(gòu)物節(jié)中的“秒殺”“整點(diǎn)開(kāi)始拍”，遠(yuǎn)程醫(yī)療等，都要求毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)的時(shí)間同步?，F(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以晶振為時(shí)鐘源，時(shí)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(zhǎng)期累積會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

想要保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時(shí)鐘同步，必須保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的頻率同步。根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟ITU 規(guī)定的時(shí)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(shí)鐘傳輸，在5G 設(shè)備中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，都從物理鏈路層提取線路時(shí)鐘，使本地時(shí)鐘鎖定在上級(jí)時(shí)鐘源，并將鎖定后的時(shí)鐘傳給下級(jí)5G 設(shè)備，通過(guò)逐級(jí)時(shí)鐘鎖定方式，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)逐級(jí)同步到主參考時(shí)鐘，給時(shí)間信號(hào)同步提供了可靠保證。

1 5G 設(shè)備中同步以太網(wǎng)簡(jiǎn)介

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

圖1 5G 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

所述同步以太網(wǎng)，是一種從以太網(wǎng)鏈路碼流恢復(fù)時(shí)鐘的技術(shù)Synchronization Ethernet，簡(jiǎn)稱SYNC-E。通過(guò)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(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步。2006 年，國(guó)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(duì)同步以太網(wǎng)的性能要求進(jìn)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(hào)控制內(nèi)部環(huán)路振蕩信號(hào)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(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，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(dòng)通信技術(shù)集中單元（Centralized Unit）。CU 設(shè)備主要包括非實(shí)時(shí)的無(wú)線高層協(xié)議棧RRC、PDCP 等功能，同時(shí)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(shí)時(shí)的配置和控制決策。

所述5G DU 是第五代移動(dòng)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(shí)時(shí)性需求的二層功能。

所述5G RU 是第五代移動(dòng)通信技術(shù)天線單元，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)與信號(hào)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(shí)施方式

2.1 GPS 模塊提取GPS 時(shí)鐘信號(hào)

GPS 模塊主要完成衛(wèi)星信號(hào)接收功能，自動(dòng)選擇衛(wèi)星信號(hào)波束。GPS 利用非常穩(wěn)定的原子時(shí)鐘作為其時(shí)基。GPS 模塊接收到衛(wèi)星信號(hào)后可以獲得位置信息、高精度時(shí)鐘和頻率信號(hào)，提供高精度1PPS 秒脈沖輸出。GPS 模塊是5G CU 的一個(gè)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(shí)鐘。

2.2 同步以太網(wǎng)在5G DU 的實(shí)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(huì)用到重要器件時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器。時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器由系統(tǒng)時(shí)鐘鎖相環(huán)、參考時(shí)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(shí)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(shí)鐘轉(zhuǎn)換器，主要配置框架如圖2 所示。

圖2 5G DU 的時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器框架

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

（1）首先產(chǎn)生時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘。5G DU 時(shí)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(shí)，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(jī)丟失。盡管減輕這一問(wèn)題的一種方法是使用高穩(wěn)定性系統(tǒng)時(shí)鐘源（如OCXO），時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器提供了集成系統(tǒng)時(shí)鐘補(bǔ)償能力，降低了對(duì)較高頻率晶體的穩(wěn)定性要求，同時(shí)提供了對(duì)系統(tǒng)時(shí)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(shí)鐘PLL 的輸出構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率取決于反饋分頻器的值，范圍為4～255，可以通過(guò)8 位反饋分頻器寄存器進(jìn)行編程，得到時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘為2.4 GHz。

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

（3）再次時(shí)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(hào)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(guò)APLL 的輸出頻率為2.5 GHz。

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

通過(guò)時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器配置軟件導(dǎo)出時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器芯片的配置文件，擴(kuò)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(shí)鐘轉(zhuǎn)換器芯片的寄存器地址，第二列為時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器芯片的寄存器值。5G DU 上電啟動(dòng)后通過(guò)程序把配置文件的值下載到對(duì)應(yīng)的寄存器，然后運(yùn)行。時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器芯片的OUT0A、OUT0B 和OUT0C 對(duì)應(yīng)引腳輸出125 MHz 的時(shí)鐘供5G DU 的物理PHY使用。

圖3 時(shí)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(shí)鐘往下一級(jí)5G RU 傳送

以太網(wǎng)物理層編碼平均每4 個(gè)比特就插入一個(gè)附加比特，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼流中不會(huì)出現(xiàn)超過(guò)4 個(gè)0 或者4 個(gè)1 的連續(xù)碼流，傳輸?shù)拇a流中就包含時(shí)鐘信息。在以太網(wǎng)的Master 端使用高精度的時(shí)鐘發(fā)送數(shù)據(jù)，在Slave 端恢復(fù)并提取這個(gè)時(shí)鐘，在這個(gè)過(guò)程中時(shí)鐘的精度不會(huì)有損失，可以與信號(hào)源保持高精度時(shí)鐘同步。時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器芯片輸出125 MHz 的時(shí)鐘作為5G DU 萬(wàn)兆PHY 的發(fā)送時(shí)鐘發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣5G DU（Master 端）的高精度時(shí)鐘通過(guò)網(wǎng)線或者光纖往下一級(jí)傳送。

2.3 同步以太網(wǎng)在5G RU 的實(shí)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(shí)鐘

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

通過(guò)設(shè)置PHY 芯片1E.0X404F 寄存器bit4 位開(kāi)啟SYNC_E 功能，在芯片對(duì)應(yīng)引腳輸出兩對(duì)同步時(shí)鐘（SYNCECLK0、SYNCECLK1）和相應(yīng)的同步鎖定狀態(tài)信號(hào)（SYNCELOCK0、SYNCELOCK1），也可以單獨(dú)從一個(gè)端口恢復(fù)時(shí)鐘，對(duì)應(yīng)寄存器的描述見(jiàn)表1。當(dāng)從接收的數(shù)據(jù)中鎖住時(shí)鐘后對(duì)應(yīng)SYNCELOCK0 和SYNCELOCK1 引腳會(huì)輸出高電平。

表1 SYNC_E 配置寄存器（30.0X404F）

通過(guò)設(shè)置PHY 芯片1E.0XA04C 寄存器bits[9:4]位獨(dú)立地從SYNCECLK0、SYNCECLK1 引腳輸出鎖定的時(shí)鐘頻率信號(hào)和SYNCELOCK0、SYNCELOCK1 引腳輸出同步鎖定狀態(tài)信號(hào)，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(jiàn)表2。

表2 SYNC Common CFG Register（30.0XA04C）

圖4 PHY 恢復(fù)SYNC_E 時(shí)鐘框圖

2.3.2 從Port0 端口提取同步以太網(wǎng)時(shí)鐘功能

以下是通過(guò)執(zhí)行EnableSfpPort0SynceClk 函數(shù)實(shí)現(xiàn)從Port0 端口提取同步以太網(wǎng)時(shí)鐘功能的程序。

2.3.3 5G RU 鎖定PHY 芯片SYNC_E 時(shí)鐘

5G RU 的PHY 芯片Port0 端口輸出25 MHz SYNC_E 時(shí)鐘信號(hào)，該信號(hào)接到時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器，如圖5 所示，原理與5G DU 時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器的原理相同。5G RU 時(shí)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(guò)8 位反饋分頻器寄存器進(jìn)行編程，得到時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘為2.4 GHz。25 MHz SYNC_E 時(shí)鐘通過(guò)時(shí)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(guò)24 倍的分頻產(chǎn)生125 MHz 的時(shí)鐘。這樣輸出的125 MHz 的系統(tǒng)時(shí)鐘可以穩(wěn)定地鎖定到輸入的25 MHz 參考時(shí)鐘。

圖5 5G RU 的時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器框架

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

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

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

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

3 同步以太網(wǎng)在5G 設(shè)備中驗(yàn)證方法

將5G CU、5G DU 和5G RU 按照?qǐng)D1 的組網(wǎng)方式接到時(shí)鐘測(cè)試儀。鎖相工作模式下，5G CU、5G DU和5G RU 的系統(tǒng)時(shí)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(shí)鐘精度可以達(dá)到±4 ppm，完全符合設(shè)計(jì)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(guò)GPS 模塊獲取高質(zhì)量的GPS 時(shí)鐘源信息，并每秒輸出一個(gè)脈沖給下一級(jí)設(shè)備5G DU；5G DU 的時(shí)鐘轉(zhuǎn)換單元鎖定到CU 輸出的秒脈沖時(shí)鐘信號(hào)，并產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘，5G DU 以太網(wǎng)源端口使用該高精度的時(shí)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(shí)鐘。通過(guò)逐級(jí)鎖定，全網(wǎng)逐級(jí)同步到GPS 時(shí)鐘源輸出的高精度時(shí)鐘。同步以太網(wǎng)的時(shí)鐘精度不會(huì)受網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(duì)時(shí)間同步要求極高的秒拍、科研、軍事、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。