方子衿，徐旺生，方瓊，陳朝輝

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430073；2.烽火通信科技股份有限公司，湖北 武漢 430073）

1 引言

5G時代的業(yè)務(wù)場景包括eMBB（增強(qiáng)型移動寬帶）、uRLLC（高可靠低時延通信）、mMTC（海量機(jī)器通信）等，不同業(yè)務(wù)場景對于承載網(wǎng)帶寬、時延、可靠性等方面的要求差異巨大。因此承載網(wǎng)需支持軟硬管道隔離，提供時延保證、時延抖動保證，嚴(yán)格對帶寬、路徑進(jìn)行精細(xì)控制。靈活以太網(wǎng)（Flexible Ethernet，F(xiàn)lexE）技術(shù)由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織OIF于2015年3月發(fā)起研究并于2016年3月正式表決通過相關(guān)的技術(shù)文檔。與傳統(tǒng)以太網(wǎng)一個MAC只能對應(yīng)一個PHY不同，F(xiàn)lexE在MAC和PHY之間加入一層FlexE Shim（墊層）之后，實(shí)現(xiàn)了MAC和PHY的解耦，可以由多個MAC對應(yīng)一個PHY，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)速率和物理通道速率的解耦，物理接口速率不必再等于客戶業(yè)務(wù)速率，可以是靈活的其他速率。另外FlexE技術(shù)在以太管道中引入時隙調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)以太信道化物理分片，分片之間互不影響，完美契合5G業(yè)務(wù)等特點(diǎn)，受到全球主流運(yùn)營商、供應(yīng)商的認(rèn)可，預(yù)計將廣泛用于5G網(wǎng)絡(luò)分片、以太端口捆綁提升帶寬等方面。

另外，5G同時提出了超高精度時間同步的需求，CoMP、OTDOA、CA、MIMO等5G技術(shù)應(yīng)用提出更高同步精度需求，由于更高基站密度，地面1588同步成為關(guān)鍵解決方案。如何在FlexE的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)1588時間同步技術(shù)成為5G通信的重要課題。

2 1588時間同步技術(shù)介紹

1588時間同步是采用精確時間協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP），通過主從時鐘間交互報文能夠精確測量線路時延和主從時鐘間的偏差值?？傮w上來講PTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)時間同步主要分為兩個步驟：

（1）建立同步體系。通過最佳主時鐘（BMC）算法，在整個同步系統(tǒng)中建立主從同步體系。

（2）同步過程。通過交換PTP協(xié)議報文，計算并同步本地時鐘。

在確立主從關(guān)系之后，主從之間會傳輸包含時間戳信息的PTP時間報文（如Sync、Delay_Req等報文），總體機(jī)制如圖1所示。其中，t1是主時鐘發(fā)送Sync報文時，主時鐘系統(tǒng)所維護(hù)的時間；t2則是從時鐘一側(cè)在接收到Sync報文的時間；t3是從時鐘發(fā)送Delay_Req報文時，從時鐘本地時間；t4是主時鐘接收Delay_Req報文時，主時鐘本地的時間，并寫入Delay_Resp報文中發(fā)送給從時鐘。設(shè)主從時鐘之間的鏈路時延為Delay，主從時鐘之間的時間偏差為Offset。

在假設(shè)主從時鐘之間的鏈路延遲是對稱的前提下，即報文交互的上下行所用時間相同時，從時鐘根據(jù)已知的4個時間值（時戳信息），可以計算出與主時鐘的時間偏移量和鏈路延遲，若假設(shè)tms=tsm，則有：

圖1 1588偏差測量機(jī)制

從時鐘一側(cè)計算出Offset用以修正本地時鐘偏差，進(jìn)行時間同步。

3 PTP報文在FlexE接口的傳輸方式

根據(jù)FlexE協(xié)議的描述，PTP報文與其它業(yè)務(wù)報文不同，PTP報文是放在FlexE的開銷幀中傳遞的。一個FlexE完整的開銷幀包含了8個66 bit的開銷block，相鄰開銷block之間是一個完整的FlexE幀，開銷幀的幀周期約為104.77 μs。每32個開銷幀會有一個循環(huán)。因此可以將FlexE的開銷等效成256復(fù)幀的結(jié)構(gòu)。一個完整開銷幀的同步消息管道中用于傳輸PTP報文的部分可以傳遞8個字節(jié)，32個開銷幀即可以傳遞256個字節(jié)。在使用開銷幀管理通道傳遞PTP報文時，可將32個開銷幀進(jìn)行等分劃分，即每16個開銷幀用于傳遞1幀PTP報文。PTP報文在FlexE接口的處理方式如圖2所示。

一個完整的開銷中與1588時間同步相關(guān)的主要是位于第一個block中的SC（Synchronization Configuration）標(biāo)志位以及第6個block即同步消息通道（Synchronization Messaging Channel）這兩個部分。同步消息通道是一個可選擇的通道，一個FlexE組是否被配置為支持同步消息通道是通過SC所配置的值來指示的。如果SC配置為0，則是不支持同步消息通道，管理通道會占用開銷幀的第6~8的塊；如果SC被配置為1，那么FlexE組就配置成為支持同步消息通道，管理通道就只會占用7~8塊，第6塊將會被分配給同步消息通道使用，用于傳輸PTP報文和SSM報文（時鐘質(zhì)量信息）。

圖2 PTP報文在FlexE接口的處理方式

4 設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

4.1 總體系統(tǒng)方案設(shè)計

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖3是基于FlexE實(shí)現(xiàn)同步功能的設(shè)備的總體架構(gòu)。PTP事件報文經(jīng)由FlexE業(yè)務(wù)單盤進(jìn)入主控時鐘盤，主控時鐘盤FPGA負(fù)責(zé)提取事件報文所攜帶的時間戳信息（t1、t2、t3、t4）以及Announce報文所包含的時間源信息送給BMU處理。報文收發(fā)由FPGA完成，BMU會將更新后的各端口狀態(tài)以及本地時鐘信息寫入FPGA，F(xiàn)PGA會根據(jù)以上信息組幀發(fā)送PTP報文。

B M U會將時戳信息轉(zhuǎn)發(fā)給Zarlink時鐘芯片，由Zarlink計算出偏差值以1pps+tod信號的形式送往FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)偏差值調(diào)整系統(tǒng)的時間達(dá)到同步功能。FPGA一直會將系統(tǒng)的時間通過1pps+tod幀的形式廣播發(fā)送到各FlexE業(yè)務(wù)單盤以達(dá)到業(yè)務(wù)單盤時間與系統(tǒng)同步。

4.2 FlexE業(yè)務(wù)單盤PTP模塊設(shè)計

圖4是FlexE業(yè)務(wù)單盤與同步相關(guān)的主要模塊架構(gòu)（實(shí)線為報文傳遞方向），由主控的主時鐘模塊發(fā)送和接收私有格式報文頭封裝的PTP報文，報文通過背板發(fā)送到FlexE業(yè)務(wù)盤。業(yè)務(wù)單盤主要對PTP報文進(jìn)行處理并打時戳，插入到FlexE開銷幀中發(fā)送。各模塊具體功能如下：

（1）PTP發(fā)送處理模塊：實(shí)現(xiàn)背板私有PTP幀格式到FlexE線路PTP幀格式轉(zhuǎn)換，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前發(fā)送的復(fù)幀號MFAS_TX_SYS、PTP適配模塊送入的待發(fā)送復(fù)幀號MFAS_TX_FLEXE以及主控送來的1pps+tod信號計算出報文從FlexE接口發(fā)出的時間點(diǎn)，并對事件報文打發(fā)送時戳，對通用報文原標(biāo)準(zhǔn)1588報文部分進(jìn)行透傳處理。將處理好的報文發(fā)送給PTP報文適配模塊。

（2）PTP接收處理模塊：從PTP適配模塊接收PTP報文，實(shí)現(xiàn)FlexE線路PTP幀格式到背板側(cè)PTP幀格式的轉(zhuǎn)換。根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前接收的復(fù)幀號MFAS_RX_SYS、PTP適配模塊送入的該報文對應(yīng)的復(fù)幀號以及主控送來的1pps+tod信號計算報文進(jìn)入FlexE接口的時間點(diǎn)，并對事件報文打接收時戳，對通用報文的標(biāo)準(zhǔn)1588部分進(jìn)行透傳處理。

（3）PTP適配模塊

背板側(cè)到線路側(cè)方向：接收來自PTP報文發(fā)送處理模塊發(fā)來的標(biāo)準(zhǔn)1588報文，進(jìn)行組幀并緩存。根據(jù)FlexE開銷接口提供的待發(fā)送復(fù)幀號MFAS，將緩存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。根據(jù)MFAS，計算得到下一幀PTP發(fā)送的復(fù)幀號MFAS_TX_FLEXE，發(fā)往PTP報文發(fā)送處理模塊。

線路側(cè)到背板側(cè)方向：根據(jù)FlexE開銷接口的數(shù)據(jù)，對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存；解析得到標(biāo)準(zhǔn)1588報文并鎖定接收到1588報文的復(fù)幀號，發(fā)往PTP報文接收處理模塊。

（4）FlexE開銷模塊：處理開銷幀，將PTP報文轉(zhuǎn)換為66 bit的數(shù)據(jù)流插入到FlexE開銷幀相應(yīng)位置，并完成對FlexE子日歷的開銷幀插入和提取，同時為PTP適配模塊提供待發(fā)送復(fù)幀號MFAS。

圖4 FlxeE業(yè)務(wù)盤PTP模塊結(jié)構(gòu)

4.3 軟件模塊總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次軟件開發(fā)環(huán)境使用的是V x W o r k s操作系統(tǒng)。VxWorks是目前主流的一種嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS），廣泛運(yùn)用在通信、航天等對實(shí)時性要求極高的領(lǐng)域中。本次軟件設(shè)計主要依靠發(fā)起兩個并行的任務(wù)“BmcTask”和“PtpTask”來完成BMC算法模塊和PTP協(xié)議棧模塊的主要功能。模塊之間通過共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來完成，主要包括PTP協(xié)議棧模塊和BMC算法模塊之間交互告警、狀態(tài)信息以及端口狀態(tài)和運(yùn)行模式。各子模塊主要功能如表1所示。

5 實(shí)驗結(jié)果

對依照該方案設(shè)計出的業(yè)務(wù)單盤進(jìn)行測試，組網(wǎng)方式如圖5所示。本次實(shí)驗包括2端采用FlexE技術(shù)的設(shè)備，一臺時間頻率分析儀和協(xié)議分析儀。時間頻率分析儀自己同時做Master和Slave，同步方向為時間綜合分析儀（主）→節(jié)點(diǎn)1→節(jié)點(diǎn)2→時間綜合分析儀（從），根據(jù)時間綜合分析儀可以測量出經(jīng)過2端FlexE設(shè)備節(jié)點(diǎn)后，時間與主時鐘的偏差范圍是否滿足要求。

圖5 實(shí)驗測試方案

經(jīng)過約60 000 s的長時間測試，最終實(shí)驗測試結(jié)果如圖6所示，時間偏差范圍為20 ns~22 ns，穩(wěn)定性良好，滿足并優(yōu)于5G端到端網(wǎng)絡(luò)±130 ns量級的要求，由于目前超高精度的實(shí)現(xiàn)還受到芯片廠家，特別是接口芯片技術(shù)的限制，故本次實(shí)驗只側(cè)重于基于FlexE實(shí)現(xiàn)1588時間同步，未能完全達(dá)到超高精度同步的范疇，未來將會逐步改進(jìn)。

圖6 同步精度實(shí)驗結(jié)果

表1 軟件設(shè)計子模塊功能

6 結(jié)束語

即將到來的5G通信時代，F(xiàn)lexE技術(shù)將會大放異彩，5G通信也對時間同步提出了高精度的要求，因此研究如何在FlexE的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)1588時間同步具有重要意義。本文著重介紹了一種基于FlexE技術(shù)的1588時間同步系統(tǒng)設(shè)計，實(shí)驗結(jié)果表明該方案具有較高的同步精度。