基于FlexE的1588時(shí)間同步技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(shí)代的業(yè)務(wù)場(chǎng)景包括eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）、uRLLC（高可靠低時(shí)延通信）、mMTC（海量機(jī)器通信）等，不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)于承載網(wǎng)帶寬、時(shí)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(shí)延保證、時(shí)延抖動(dòng)保證，嚴(yán)格對(duì)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(guó)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(gè)MAC只能對(duì)應(yīng)一個(gè)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(gè)MAC對(duì)應(yīng)一個(gè)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(shí)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(yíng)商、供應(yīng)商的認(rèn)可，預(yù)計(jì)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(shí)提出了超高精度時(shí)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(shí)間同步技術(shù)成為5G通信的重要課題。

2 1588時(shí)間同步技術(shù)介紹

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

（1）建立同步體系。通過最佳主時(shí)鐘（BMC）算法，在整個(gè)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(bào)文，計(jì)算并同步本地時(shí)鐘。

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

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

圖1 1588偏差測(cè)量機(jī)制

從時(shí)鐘一側(cè)計(jì)算出Offset用以修正本地時(shí)鐘偏差，進(jìn)行時(shí)間同步。

3 PTP報(bào)文在FlexE接口的傳輸方式

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

一個(gè)完整的開銷中與1588時(shí)間同步相關(guān)的主要是位于第一個(gè)block中的SC（Synchronization Configuration）標(biāo)志位以及第6個(gè)block即同步消息通道（Synchronization Messaging Channel）這兩個(gè)部分。同步消息通道是一個(gè)可選擇的通道，一個(gè)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(huì)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(huì)占用7~8塊，第6塊將會(huì)被分配給同步消息通道使用，用于傳輸PTP報(bào)文和SSM報(bào)文（時(shí)鐘質(zhì)量信息）。

圖2 PTP報(bào)文在FlexE接口的處理方式

4 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 總體系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(bào)文經(jīng)由FlexE業(yè)務(wù)單盤進(jìn)入主控時(shí)鐘盤，主控時(shí)鐘盤FPGA負(fù)責(zé)提取事件報(bào)文所攜帶的時(shí)間戳信息（t1、t2、t3、t4）以及Announce報(bào)文所包含的時(shí)間源信息送給BMU處理。報(bào)文收發(fā)由FPGA完成，BMU會(huì)將更新后的各端口狀態(tài)以及本地時(shí)鐘信息寫入FPGA，F(xiàn)PGA會(huì)根據(jù)以上信息組幀發(fā)送PTP報(bào)文。

B M U會(huì)將時(shí)戳信息轉(zhuǎn)發(fā)給Zarlink時(shí)鐘芯片，由Zarlink計(jì)算出偏差值以1pps+tod信號(hào)的形式送往FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)偏差值調(diào)整系統(tǒng)的時(shí)間達(dá)到同步功能。FPGA一直會(huì)將系統(tǒng)的時(shí)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(shí)間與系統(tǒng)同步。

4.2 FlexE業(yè)務(wù)單盤PTP模塊設(shè)計(jì)

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(bào)文傳遞方向），由主控的主時(shí)鐘模塊發(fā)送和接收私有格式報(bào)文頭封裝的PTP報(bào)文，報(bào)文通過背板發(fā)送到FlexE業(yè)務(wù)盤。業(yè)務(wù)單盤主要對(duì)PTP報(bào)文進(jìn)行處理并打時(shí)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(hào)MFAS_TX_SYS、PTP適配模塊送入的待發(fā)送復(fù)幀號(hào)MFAS_TX_FLEXE以及主控送來的1pps+tod信號(hào)計(jì)算出報(bào)文從FlexE接口發(fā)出的時(shí)間點(diǎn)，并對(duì)事件報(bào)文打發(fā)送時(shí)戳，對(duì)通用報(bào)文原標(biāo)準(zhǔn)1588報(bào)文部分進(jìn)行透?jìng)魈幚?。將處理好的?bào)文發(fā)送給PTP報(bào)文適配模塊。

（2）PTP接收處理模塊：從PTP適配模塊接收PTP報(bào)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(hào)MFAS_RX_SYS、PTP適配模塊送入的該報(bào)文對(duì)應(yīng)的復(fù)幀號(hào)以及主控送來的1pps+tod信號(hào)計(jì)算報(bào)文進(jìn)入FlexE接口的時(shí)間點(diǎn)，并對(duì)事件報(bào)文打接收時(shí)戳，對(duì)通用報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)1588部分進(jìn)行透?jìng)魈幚怼?/p>

（3）PTP適配模塊

背板側(cè)到線路側(cè)方向：接收來自PTP報(bào)文發(fā)送處理模塊發(fā)來的標(biāo)準(zhǔn)1588報(bào)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(hào)MFAS，將緩存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。根據(jù)MFAS，計(jì)算得到下一幀PTP發(fā)送的復(fù)幀號(hào)MFAS_TX_FLEXE，發(fā)往PTP報(bào)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(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存；解析得到標(biāo)準(zhǔn)1588報(bào)文并鎖定接收到1588報(bào)文的復(fù)幀號(hào)，發(fā)往PTP報(bào)文接收處理模塊。

（4）FlexE開銷模塊：處理開銷幀，將PTP報(bào)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(duì)FlexE子日歷的開銷幀插入和提取，同時(shí)為PTP適配模塊提供待發(fā)送復(fù)幀號(hào)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(jì)

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(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），廣泛運(yùn)用在通信、航天等對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中。本次軟件設(shè)計(jì)主要依靠發(fā)起兩個(gè)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(yàn)結(jié)果

對(duì)依照該方案設(shè)計(jì)出的業(yè)務(wù)單盤進(jìn)行測(cè)試，組網(wǎng)方式如圖5所示。本次實(shí)驗(yàn)包括2端采用FlexE技術(shù)的設(shè)備，一臺(tái)時(shí)間頻率分析儀和協(xié)議分析儀。時(shí)間頻率分析儀自己同時(shí)做Master和Slave，同步方向?yàn)闀r(shí)間綜合分析儀（主）→節(jié)點(diǎn)1→節(jié)點(diǎn)2→時(shí)間綜合分析儀（從），根據(jù)時(shí)間綜合分析儀可以測(cè)量出經(jīng)過2端FlexE設(shè)備節(jié)點(diǎn)后，時(shí)間與主時(shí)鐘的偏差范圍是否滿足要求。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案

經(jīng)過約60 000 s的長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，最終實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖6所示，時(shí)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(jí)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(yàn)只側(cè)重于基于FlexE實(shí)現(xiàn)1588時(shí)間同步，未能完全達(dá)到超高精度同步的范疇，未來將會(huì)逐步改進(jìn)。

圖6 同步精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 軟件設(shè)計(jì)子模塊功能

6 結(jié)束語(yǔ)

即將到來的5G通信時(shí)代，F(xiàn)lexE技術(shù)將會(huì)大放異彩，5G通信也對(duì)時(shí)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(shí)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(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案具有較高的同步精度。