基于FlexE的1588时间同步技术的设计与实现

2018-09-03方子衿徐旺生方琼陈朝辉

移动通信 2018年8期

方子衿，徐旺生，方琼，陈朝辉

（1.武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430073；2.烽火通信科技股份有限公司，湖北武汉 430073）

1 引言

5G时代的业务场景包括eMBB（增强型移动宽带）、uRLLC（高可靠低时延通信）、mMTC（海量机器通信）等，不同业务场景对于承载网带宽、时延、可靠性等方面的要求差异巨大。因此承载网需支持软硬管道隔离，提供时延保证、时延抖动保证，严格对带宽、路径进行精细控制。灵活以太网（Flexible Ethernet，FlexE）技术由国际标准化组织OIF于2015年3月发起研究并于2016年3月正式表决通过相关的技术文档。与传统以太网一个MAC只能对应一个PHY不同，FlexE在MAC和PHY之间加入一层FlexE Shim（垫层）之后，实现了MAC和PHY的解耦，可以由多个MAC对应一个PHY，实现了业务速率和物理通道速率的解耦，物理接口速率不必再等于客户业务速率，可以是灵活的其他速率。另外FlexE技术在以太管道中引入时隙调度，可实现以太信道化物理分片，分片之间互不影响，完美契合5G业务等特点，受到全球主流运营商、供应商的认可，预计将广泛用于5G网络分片、以太端口捆绑提升带宽等方面。

另外，5G同时提出了超高精度时间同步的需求，CoMP、OTDOA、CA、MIMO等5G技术应用提出更高同步精度需求，由于更高基站密度，地面1588同步成为关键解决方案。如何在FlexE的基础上实现1588时间同步技术成为5G通信的重要课题。

2 1588时间同步技术介绍

1588时间同步是采用精确时间协议（Precision Time Protocol，PTP），通过主从时钟间交互报文能够精确测量线路时延和主从时钟间的偏差值。总体上来讲PTP协议实现时间同步主要分为两个步骤：

（1）建立同步体系。通过最佳主时钟（BMC）算法，在整个同步系统中建立主从同步体系。

（2）同步过程。通过交换PTP协议报文，计算并同步本地时钟。

在确立主从关系之后，主从之间会传输包含时间戳信息的PTP时间报文（如Sync、Delay_Req等报文），总体机制如图1所示。其中，t1是主时钟发送Sync报文时，主时钟系统所维护的时间；t2则是从时钟一侧在接收到Sync报文的时间；t3是从时钟发送Delay_Req报文时，从时钟本地时间；t4是主时钟接收Delay_Req报文时，主时钟本地的时间，并写入Delay_Resp报文中发送给从时钟。设主从时钟之间的链路时延为Delay，主从时钟之间的时间偏差为Offset。

在假设主从时钟之间的链路延迟是对称的前提下，即报文交互的上下行所用时间相同时，从时钟根据已知的4个时间值（时戳信息），可以计算出与主时钟的时间偏移量和链路延迟，若假设tms=tsm，则有：

图1 1588偏差测量机制

从时钟一侧计算出Offset用以修正本地时钟偏差，进行时间同步。

3 PTP报文在FlexE接口的传输方式

根据FlexE协议的描述，PTP报文与其它业务报文不同，PTP报文是放在FlexE的开销帧中传递的。一个FlexE完整的开销帧包含了8个66 bit的开销block，相邻开销block之间是一个完整的FlexE帧，开销帧的帧周期约为104.77 μs。每32个开销帧会有一个循环。因此可以将FlexE的开销等效成256复帧的结构。一个完整开销帧的同步消息管道中用于传输PTP报文的部分可以传递8个字节，32个开销帧即可以传递256个字节。在使用开销帧管理通道传递PTP报文时，可将32个开销帧进行等分划分，即每16个开销帧用于传递1帧PTP报文。PTP报文在FlexE接口的处理方式如图2所示。

一个完整的开销中与1588时间同步相关的主要是位于第一个block中的SC（Synchronization Configuration）标志位以及第6个block即同步消息通道（Synchronization Messaging Channel）这两个部分。同步消息通道是一个可选择的通道，一个FlexE组是否被配置为支持同步消息通道是通过SC所配置的值来指示的。如果SC配置为0，则是不支持同步消息通道，管理通道会占用开销帧的第6~8的块；如果SC被配置为1，那么FlexE组就配置成为支持同步消息通道，管理通道就只会占用7~8块，第6块将会被分配给同步消息通道使用，用于传输PTP报文和SSM报文（时钟质量信息）。

图2 PTP报文在FlexE接口的处理方式

4 设计与实现

4.1 总体系统方案设计

图3 系统总体架构

图3是基于FlexE实现同步功能的设备的总体架构。PTP事件报文经由FlexE业务单盘进入主控时钟盘，主控时钟盘FPGA负责提取事件报文所携带的时间戳信息（t1、t2、t3、t4）以及Announce报文所包含的时间源信息送给BMU处理。报文收发由FPGA完成，BMU会将更新后的各端口状态以及本地时钟信息写入FPGA，FPGA会根据以上信息组帧发送PTP报文。

B M U会将时戳信息转发给Zarlink时钟芯片，由Zarlink计算出偏差值以1pps+tod信号的形式送往FPGA，FPGA根据偏差值调整系统的时间达到同步功能。FPGA一直会将系统的时间通过1pps+tod帧的形式广播发送到各FlexE业务单盘以达到业务单盘时间与系统同步。

4.2 FlexE业务单盘PTP模块设计

图4是FlexE业务单盘与同步相关的主要模块架构（实线为报文传递方向），由主控的主时钟模块发送和接收私有格式报文头封装的PTP报文，报文通过背板发送到FlexE业务盘。业务单盘主要对PTP报文进行处理并打时戳，插入到FlexE开销帧中发送。各模块具体功能如下：

（1）PTP发送处理模块：实现背板私有PTP帧格式到FlexE线路PTP帧格式转换，根据系统当前发送的复帧号MFAS_TX_SYS、PTP适配模块送入的待发送复帧号MFAS_TX_FLEXE以及主控送来的1pps+tod信号计算出报文从FlexE接口发出的时间点，并对事件报文打发送时戳，对通用报文原标准1588报文部分进行透传处理。将处理好的报文发送给PTP报文适配模块。

（2）PTP接收处理模块：从PTP适配模块接收PTP报文，实现FlexE线路PTP帧格式到背板侧PTP帧格式的转换。根据系统当前接收的复帧号MFAS_RX_SYS、PTP适配模块送入的该报文对应的复帧号以及主控送来的1pps+tod信号计算报文进入FlexE接口的时间点，并对事件报文打接收时戳，对通用报文的标准1588部分进行透传处理。

（3）PTP适配模块

背板侧到线路侧方向：接收来自PTP报文发送处理模块发来的标准1588报文，进行组帧并缓存。根据FlexE开销接口提供的待发送复帧号MFAS，将缓存中的数据进行发送。根据MFAS，计算得到下一帧PTP发送的复帧号MFAS_TX_FLEXE，发往PTP报文发送处理模块。

线路侧到背板侧方向：根据FlexE开销接口的数据，对接收数据进行缓存；解析得到标准1588报文并锁定接收到1588报文的复帧号，发往PTP报文接收处理模块。

（4）FlexE开销模块：处理开销帧，将PTP报文转换为66 bit的数据流插入到FlexE开销帧相应位置，并完成对FlexE子日历的开销帧插入和提取，同时为PTP适配模块提供待发送复帧号MFAS。

图4 FlxeE业务盘PTP模块结构

4.3 软件模块总体结构设计

本次软件开发环境使用的是V x W o r k s操作系统。VxWorks是目前主流的一种嵌入式实时操作系统（RTOS），广泛运用在通信、航天等对实时性要求极高的领域中。本次软件设计主要依靠发起两个并行的任务“BmcTask”和“PtpTask”来完成BMC算法模块和PTP协议栈模块的主要功能。模块之间通过共享数据结构来完成，主要包括PTP协议栈模块和BMC算法模块之间交互告警、状态信息以及端口状态和运行模式。各子模块主要功能如表1所示。

5 实验结果

对依照该方案设计出的业务单盘进行测试，组网方式如图5所示。本次实验包括2端采用FlexE技术的设备，一台时间频率分析仪和协议分析仪。时间频率分析仪自己同时做Master和Slave，同步方向为时间综合分析仪（主）→节点1→节点2→时间综合分析仪（从），根据时间综合分析仪可以测量出经过2端FlexE设备节点后，时间与主时钟的偏差范围是否满足要求。

图5 实验测试方案

经过约60 000 s的长时间测试，最终实验测试结果如图6所示，时间偏差范围为20 ns~22 ns，稳定性良好，满足并优于5G端到端网络±130 ns量级的要求，由于目前超高精度的实现还受到芯片厂家，特别是接口芯片技术的限制，故本次实验只侧重于基于FlexE实现1588时间同步，未能完全达到超高精度同步的范畴，未来将会逐步改进。