摘" 要： 5G高精度時間同步是作為5G基站建設(shè)的重要要求之一，但隨著5G室內(nèi)基站數(shù)量呈現(xiàn)幾何級數(shù)增長，使用GNSS授時同步時鐘勢必會存在很多限制，比如容易受場地環(huán)境的影響無法獲取衛(wèi)星信號、GNSS 接收機的成本突增，所以使用GNSS時鐘同步技術(shù)不適合5G基站的大規(guī)模部署。文中提出一種基于OCTEON Fusion平臺的GNSS+1588v2時間同步技術(shù)實現(xiàn)方案，其特點在于使用層次式同步，通過GNSS給一個時鐘系統(tǒng)同步授時，被授時的時鐘系統(tǒng)作為主時鐘系統(tǒng)通過1588v2地面鏈路給下一級時鐘系統(tǒng)授時，實現(xiàn)一個GNSS給多個基站同步授時。文中對現(xiàn)有的GNSS時鐘同步授時進行分析，在此基礎(chǔ)上提出一種基于OCTEON Fusion平臺的GNSS+1588v2時間同步方案，在對此方案的同步精度和同步穩(wěn)定性的測試中，時鐘同步精度達到10 ns左右，同步穩(wěn)定性達到10 ns以內(nèi)。

關(guān)鍵詞： 5G； 1588v2； GNSS； 時間同步； 同步精度； 同步穩(wěn)定性

中圖分類號： TN91?34" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）05?0042?04

Implementation of GNSS+1588v2 high?precision time synchronization technology

WANG Xiaohe， LI Xuemei， LIAO Qi

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Abstract： 5G high?precision time synchronization is one of the important requirements for the construction of 5G base stations. However， with the exponential growth of the quantity of 5G indoor base stations， there are bound to be many limitations in using GNSS （global navigation satellite system） to time synchronous clocks， for example， being susceptible to the site environment and far from obtaining satellite signals， surge of GNSS receiver cost. Therefore， the use of GNSS clock synchronization technology is not suitable for large?scale deployment of 5G base stations. In view of this， a GNSS+1588v2 time synchronization technology implementation scheme based on the OCTEON Fusion platform is proposed. The scheme is characterized by synchronously timing a clock system by GNSS in manner of hierarchical synchronization. The clocked clock system is used as the main clock system to time the next clock system by the 1588v2 terrestrial link， so that a GNSS can synchronously time a plurality of base stations. In this paper， the existing GNSS clock synchronization timing is analyzed， based on which a GNSS+1588v2 time synchronization scheme on the basis of OCTEON Fusion platform is proposed. In the synchronization accuracy and synchronization stability test， the clock synchronization accuracy of the proposed scheme reaches about 10 ns， and its synchronization stability is kept within 10 ns.

Keywords： 5G; 1588v2; GNSS; time synchronization; synchronization accuracy; synchronization stability

0" 引" 言

目前國內(nèi)電信運營商主要采用的時間同步技術(shù)是GNSS衛(wèi)星授時同步技術(shù)[1]。這種方法主要是在各個基站上部署GNSS信號接收器，從而獲得高精度的時間基準(zhǔn)源用于同步各個基站內(nèi)的時間，實現(xiàn)各個基站的時間同步[2]。然而隨著5G部署數(shù)量的增大，室內(nèi)基站也呈現(xiàn)幾何數(shù)量的增長，勢必會存在衛(wèi)星信號覆蓋盲區(qū)[3]。此外，GNSS信號接收器的安裝和維護成本相對較高，不利于5G基站的大規(guī)模部署。

基于1588v2的本地高精度時間同步網(wǎng)絡(luò)[4?5]，通過網(wǎng)絡(luò)中的時間鏈路傳遞承載設(shè)備配置1588v2功能，使得網(wǎng)絡(luò)中間邊界時鐘節(jié)點的一個端口作為從時鐘，與上級時鐘保持同步，其他端口則作為下一級時鐘系統(tǒng)的主時鐘，生成新的1588v2報文向下游傳遞[6]。通過該方式將時鐘源時間基準(zhǔn)信號逐點傳遞至5G基站設(shè)備。

因此，將基站GNSS信號接收機規(guī)劃到一定的數(shù)量范圍，再結(jié)合通過在1588v2地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)實現(xiàn)高精度時間同步信號的傳輸技術(shù)[7]，是一種既經(jīng)濟可行又可保證通信網(wǎng)實現(xiàn)高精度時間同步的方法。

1" 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的同步系統(tǒng)由主從時鐘系統(tǒng)組成，主從時鐘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異主要體現(xiàn)在從時鐘系統(tǒng)沒有GNSS模塊，所以下面只對主時鐘系統(tǒng)進行闡述。系統(tǒng)主要包含三大模塊：OCTEON Fusion SoC模塊、SMU模塊、GNSS模塊。OCTEON Fusion SoC模塊主要實現(xiàn)1588v2報文的收發(fā)、鏈路延遲和偏移量及頻率偏移量的計算、補償調(diào)整同步時間；SMU模塊主要實現(xiàn)鎖定GNSS模塊輸出的1 PPS，提供實現(xiàn)1588v2功能所需的1 PPS和參考時鐘；GNSS模塊主要接收衛(wèi)星模擬源所發(fā)射的信號，并解析出NMEA報文傳輸?shù)絆CTEON Fusion SoC。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2" 1588v2同步原理

主從時鐘系統(tǒng)周期性地通過連續(xù)交換報文發(fā)送與接收時刻的時間戳，基于鏈路對稱性[8]，從時鐘通過同步算法計算偏移量并進行時間調(diào)整，以實現(xiàn)與主時鐘系統(tǒng)同步[9?10]。

本文采用E2E延時機制[11]，在two_step模式下[12]，主時鐘發(fā)送Sync報文[13]，記錄Sync報文離開的時刻[t1] timestamp，隨后主時鐘將[t1] timestamp填充到Follow_up報文里，發(fā)送到從時鐘側(cè)；從時鐘側(cè)接收到Sync報文，記錄Sync報文到達從時鐘側(cè)的時刻[t2] timestamp，接收到Follow_up報文并從中獲取[t1] timestamp；從時鐘然后發(fā)送Delay_req報文，記錄Delay_req報文離開從時鐘側(cè)的時刻[t3] timestamp。

主時鐘側(cè)接收到Delay_req報文，記錄下Delay_req到達時刻[t4] timestamp，隨后主時鐘將[t4] timestamp填充到Delay_resp報文，發(fā)送到從時鐘側(cè)。從時鐘側(cè)收到Delay_resp報文并從中獲取[t4] timestamp，這樣經(jīng)過前面連續(xù)的交換報文過程后，從時鐘側(cè)獲取到了[t1]、[t2]、[t3]、[t4]四個timestamp，通過下面的公式可計算出鏈路延遲和偏移量。整個報文交互過程如圖2所示。

由圖2可知，由[t1]、[t2]時間戳可以得到[tms]。

[tms=t2?t1=delay+offset] （1）

式中：delay為鏈路延遲；offset為偏移量。

由[t3]、[t4]時間戳可以得到[tsm]。

[tsm=t4-t3=delay?offset] （2）

聯(lián)合式（1）和式（2）可以得offset和delay。

[offset=（tms?tsm）2] （3）

[delay=（tms+tsm）2] （4）

所得到的offset和偏移量經(jīng)過OCTEON Fusion SoC補償處理后，實現(xiàn)主從系統(tǒng)的時間同步。

3" 主從時鐘系統(tǒng)同步過程

3.1" 主時鐘系統(tǒng)同步過程

主時鐘系統(tǒng)的GNSS 模塊通過RFmodule接收來自衛(wèi)星模擬源的信號，經(jīng)過Digital module處理輸出1 PPS信號和1 PPS+TOD信號。SMU模塊配置一個DPLL通道為鎖相模式，鎖定GNSS模塊輸出的1 PPS信號，輸出參考時鐘驅(qū)動OCTEON Fusion SoC內(nèi)部的PTP功能模塊，輸出的1 PPS信號用于PTP模塊捕獲1 PPS信號邊沿來到時PTP模塊的TOD counter在此時刻的timestamp。ts2phc工具用于維持GNSS輸出的TOD與OCTEON Fusion SoC內(nèi)部的TOD之間的同步，OCTEON Fusion SoC內(nèi)部的PTP每檢測到一次DPLL輸出的1 PPS信號邊沿，觸發(fā)ts2phc軟件執(zhí)行一次同步操作，即觸發(fā)ts2phc的slave線程取用從UART獲取的NMEA protocol，并解析出GNSS TOD，同時獲取捕獲的1 PPS信號在邊沿時所記錄的timestamp，將兩者用于計算offset，計算出的offset經(jīng)過servo處理后得到補償調(diào)整信息adjust TOD，輸入到OCTEON Fusion SoC的TOD counter，從而實現(xiàn)主時鐘系統(tǒng)與GNSS的同步。

同時，ptp4l master進程通過NetWork接口進行PTP報文同步，給從時鐘系統(tǒng)授時。主時鐘系統(tǒng)同步流程如圖3所示。

3.2" 從時鐘系統(tǒng)同步過程

從時鐘系統(tǒng)與主時鐘系統(tǒng)的同步過程存在幾處差異，主要體現(xiàn)在從時鐘系統(tǒng)不帶GNSS模塊，SMU模塊配置TOD counter， OCTEON Fusion SoC工作機制不同。

從時鐘系統(tǒng)的DPLL通道配置為DCO模式，輸出的參考時鐘用于驅(qū)動OCTEON Fusion SoC的PTP功能。Linux系統(tǒng)加載SMU對應(yīng)的驅(qū)動后生成一個對應(yīng)TOD counter的設(shè)備，SMU的TOD counter輸出的1 PPS信號用于捕獲PTP模塊的TOD counter的timestamp。ts2phc工具用于維持SMU內(nèi)部的TOD counter與OCTEON Fusion SoC的TOD counter的同步，OCTEON Fusion SoC每檢測到一次1 PPS信號邊沿，觸發(fā)ts2phc軟件執(zhí)行一次同步操作。

從時鐘系統(tǒng)通過Network接口接收來自主時鐘系統(tǒng)的1588v2報文，ptp4l slave進程計算出的offset在經(jīng)過servo得到頻偏補償調(diào)整量作用到SMU的DCO通道，從而實現(xiàn)與主時鐘系統(tǒng)的同步。從時鐘系統(tǒng)同步流程如圖4所示。

4" 測試驗證

本設(shè)計通過RIGOL示波器捕獲主從系統(tǒng)的1 PPS信號，來驗證本文設(shè)計的1588v2同步精確度。通過日志工具打印來驗證本文設(shè)計的1588v2同步穩(wěn)定性。

本文設(shè)計的主從系統(tǒng)是基于OCTEON Fusion系列芯片的硬件板卡，SMU模塊采用瑞薩的ClockMatrix系列，GNSS模塊采用的是泰斗T系列授時模塊。GNSS星座模擬器使用SpirentGSS7000系列來模擬衛(wèi)星信號，模擬源發(fā)星情況如圖5所示。其測試平臺如圖6所示。從圖6可以看到，主從系統(tǒng)是相互獨立的硬件板卡，主時鐘系統(tǒng)通過GNSS天線接收衛(wèi)星信號，開始主時鐘系統(tǒng)的同步過程，從時鐘系統(tǒng)通過鏈路2和鏈路1接收主時鐘系統(tǒng)的1588v2報文，開始從時鐘系統(tǒng)的同步過程。

本文設(shè)計使用USB?TypeC轉(zhuǎn)接線來提供示波器測試點和串口調(diào)試口。通過從系統(tǒng)的串口登錄進入板卡根目錄后，運行1588v2 slave腳本，待ptplog日志打印顯示rms值，預(yù)期結(jié)果穩(wěn)定在30 ns以內(nèi)，即1588v2同步穩(wěn)定完成，實際測試結(jié)果在10 ns以內(nèi)，符合預(yù)期結(jié)果。其測試結(jié)果如圖7所示。1588v2同步完成后，主從時鐘系統(tǒng)通過USB?TypeC的OUT?SMA輸出口分別連接至示波器的2通道和4通道，以主時鐘系統(tǒng)輸出作為觸發(fā)通道，觀察兩者的相位差。預(yù)期結(jié)果相位誤差應(yīng)該在1.5 μs以內(nèi)，實際相位誤差在10 ns左右，很好地達到預(yù)期結(jié)果。其測試結(jié)果如圖8所示。

5" 結(jié)" 語

文中詳細闡述了一種基于OCTEON Fusion平臺的GNSS+1588v2的同步技術(shù)實現(xiàn)方案，并且通過示波器和串口調(diào)試工具在硬件平臺上驗證了設(shè)計的穩(wěn)定性、時間同步精度要求以及方案的可行性。本文設(shè)計達到時間同步精度標(biāo)準(zhǔn)的情況下，實現(xiàn)GNSS一對多的時鐘同步授時，減少了GNSS接收機部署的數(shù)量，為5G基站大量部署提供了一種可行方案。本文設(shè)計還可以進一步優(yōu)化，日后會考慮支持1588v2+SyncE、支持GPS和北斗模式隨時切換、支持衛(wèi)星信號斷開后系統(tǒng)守時24 h等功能。

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