5G網(wǎng)絡(luò)如不能保證基站間嚴格的時間同步將對大量的行業(yè)帶來影響

2019年被視為5G商用元年，5G網(wǎng)絡(luò)將直接影響5G商用進程，隨著5G商用的加速，業(yè)界對5G承載的關(guān)注越來越高。為推動我國5G承載關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展創(chuàng)新，全力支撐5G商用進程，5月16日，由工業(yè)信息化部指導(dǎo)、中國通信協(xié)會主辦，受到中國信息通信研究院、中國移動、中國電信、中國聯(lián)通、中國鐵塔大力支持的2019世界電信和信息社會日大會“5G承載技術(shù)標準與產(chǎn)業(yè)研討會”在北京新世紀日航飯店召開。

中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院光傳輸與承載技術(shù)研究室主任張賀發(fā)表了《5G網(wǎng)絡(luò)的時間和頻率同步》主題演講，從5G的頻率和時間同步的需求出發(fā)，尤其是時間同步的要求，進行了解讀。主要從技術(shù)原理、目前實驗室以及線網(wǎng)的試點應(yīng)用等方面，對5G的時間同步要求給出了一個整體的概念。同時試驗驗證證明目前階段1588V2和北斗都能達到跟GPS類似的同步性能的要求。而對于更高精度的時間要求，張賀提出應(yīng)該更關(guān)注新型技術(shù)，比如雙頻的接收和共視法提高更高精度的技術(shù)發(fā)展。

他表示，無線技術(shù)的發(fā)展對同步尤其是時間同步提出了更高的要求，5G網(wǎng)絡(luò)如不能保證基站間嚴格的時間同步，將對其所承載的大量的行業(yè)應(yīng)用帶來較大影響，降低用戶感知。

以下為演講全文

今天主要是基于這兩個考量：一是結(jié)合北斗的應(yīng)用情況，二是想把1588技術(shù)在應(yīng)用市場里推起來。主要講以下幾個方面，一是同步需求指標要求及分析。相對于ITO，5G提出超高清以后，在標準層面也做了很多工作，我會把標準的更新做一個梳理。后面是我們做的技術(shù)實現(xiàn)方案、部署應(yīng)用，最后是總結(jié)。

這一張是基站指標要求和分析的圖。左上角是頻率的要求。無論無線的哪種制式，2G、3G、4G、5G對頻率要求都是一樣的。目前做視頻這塊的技術(shù)保持頻率同步基本都沒有什么問題，都是很簡單的。關(guān)鍵是現(xiàn)在5G主要是對時間同步的要求比4G有所提升，主要是看時間同步這一塊。左下角的圖是有一個定義的，最下面端到端的TAE是定義空口的時間偏差的，是指兩個AU之間的時間偏差。但是這個時間偏差，因為現(xiàn)在沒有手段去測，因為它是空口的，很難去測，測起來很困難，所以我們就把它折成基站自身輸出的UTC，測出它的絕對時間偏差叫TE，TE和TAE之間有一個換算。4G要求3微秒，3微妙相當于UTC是正負1.5，一個向左偏，一個向右偏，最大的偏差不超過3微妙就行。知道TE和TAE的定義，再看右邊表格的要求。65NR是特殊的場景，我們分幾個點，把距離精確算好，補償算好，滿足自動化機械的運營是沒有問題的，和傳輸承載率不大。包括130在內(nèi)的連續(xù)窄波，影響也不大。我們最終考慮的就是260納秒的指標需求和3微秒。在5G的初級階段，跟4G的要求是一樣的，也是3微秒，關(guān)鍵是260，260也是一個理論推算的結(jié)果。

表里有KZ1和KZ2，有一個190和200，190是華為提的頻率要求，指的是鏈路上兩個RE之間的UA段，等于給RE兩個各35。200是諾基亞提的，鏈路上是200，分給兩個UE、RE就是30。華為提出來在RE里會內(nèi)嵌1588，會等等復(fù)雜度，所以每一個是35。諾基亞是前面有一個承載末端，我不用再去做恢復(fù)的工作，減輕一點，所以30就行了。將來超高精度我們就考慮260，初期我們用3微秒就行。

剛才提到空口不太好測，下面有一個Calnex，他們有一個表，目前可以測3G和4G空口的時間偏差，這個表還在英國的工廠，沒有到國內(nèi)來。它現(xiàn)在還不太支持5G，還有待驗證。以上說的是指標的分析。

第二，eCPRI接口的同步功能，有三個功能模塊分別控制管理面和同步面，是很重要的一塊。它雖然是一個邏輯的連接，但是對eCPRI來講，它是從CPRI發(fā)展過來，? 已經(jīng)考慮到了同步的傳遞。同步信息可以不采用eCPRI的專用協(xié)議傳送，eCPRI是自己的傳遞協(xié)議。中間是eCPRI和1588的關(guān)系，還有一個新的功能，eCPRI可以用1588里的報文來進行單項測量。TCV1和TCV2是由廠家做的補償值，每個廠家處理的不一樣，由每個廠家給一個參考值作為補償值，通過公式計算就可以得到單項實延。

ITU對標準有一個更新完善，有幾個層面。首先是源頭層面，從時間源層面從TRT層面提高它的精度。我們現(xiàn)在布的核心網(wǎng)的時間服務(wù)器指標都是正負100納秒的，現(xiàn)在到了40納秒。8272今年1月份已經(jīng)頒布了，從源上面就把精度提升了。PRTC與市場需求有關(guān)系，但是ePRTC利用起來有一定的困難。對于1588來講，使用模式就是OTBC和TC。5納秒是指將來在260納秒的時候，端到端的時候，20條給它5納秒，每一個中間承載網(wǎng)聯(lián)是5納秒。我們要通過儀表來觀測到原始的信號是什么樣。我們測的設(shè)備本身已經(jīng)經(jīng)過了濾波處理，雖然指標原來是100、70，這些都是1000秒的測試指標，但實際上設(shè)備廠商都做過濾波處理了。

另外一個改革是BC已經(jīng)增加了接口，從GE一直到100GE接口都已經(jīng)進行了規(guī)范，而且2019年1月份已經(jīng)頒布了。200G和400G接口要求必須支持同步以太的功能。下一步在2019年9月或者明年初會有一個網(wǎng)絡(luò)限值的指標要求。2兆的輸出接口，10兆也好，1秒鐘比特率能夠達到2兆，現(xiàn)在用1588報文去恢復(fù)，1秒鐘16個包，低速率包去恢復(fù)頻率肯定沒有物理層的高。2個同步節(jié)點設(shè)備SSU1和2之間不能超過20個節(jié)點，跟原來SDH完全一模一樣，包括它的指標要求都是4.6PPM。

1588技術(shù)原理都很清楚，以太網(wǎng)從10兆到100兆提升以后發(fā)現(xiàn)定時能力不足就做了NTP，我們電腦里的時間都是用NTP里取的。2008年做了點的版本，目前在推新的版本。從時間節(jié)點來看，無外乎就是衛(wèi)星錯時，要么就是地面。中間是1588協(xié)議的原理。通過4個時間戳來算時間。打戳的精度對1588報文提升是很有效的。從右上角的圖可以看到有ABC三個點，這三個點都可以打時間戳，越靠近光纖出口打戳內(nèi)部的時間肯定會濾出掉了。

在一個很平穩(wěn)的桌子上去寫字，肯定怎么寫都會寫得很好，但是如果這個桌子在振動、在晃動，你想寫字很困難。這說明物理層頻率對時間恢復(fù)有支撐作用，有很穩(wěn)定的頻率的時候，時間恢復(fù)會很好。右下角有一個示意圖，當我的時間源消失了以后，沒了，我用不同等級的鐘去守這個時間，我的內(nèi)鐘的頻率越高、精度越高，撐的時間就越長。還是表明物理層對時間恢復(fù)的支撐作用是很大的。

這是一個時間架構(gòu)。1588? 2002年就出來了，到現(xiàn)在已經(jīng)2019年了，時間很長了，主要是基站要求時間同步，GPS可能有一定的風(fēng)險，包括它的故障率，成本很高。所以才驅(qū)動了1588用起來。用的時候它主要是在本地應(yīng)用，所以中國聯(lián)通沒有把它做三級架構(gòu)。右邊是中國聯(lián)通在重慶做的一個應(yīng)用的案例，經(jīng)過23跳，中間有OTN和IPRAN，前年測了一下，23跳基本上能夠達到300納秒以內(nèi)的精度。右下角測的是時間信號，下邊是頻率的信號，可以看到信號還是很穩(wěn)定的。用1588這種方式給4G、5G的初期基站1.5微秒，完全可以滿足。

這是本地網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和重慶的應(yīng)用案例的測試。

5G來了以后，也分了三種業(yè)務(wù)，一個是基本業(yè)務(wù)，就是剛才提到的三微秒那個需求。還有協(xié)同業(yè)務(wù)和新業(yè)務(wù)，需求有的會更高。中國聯(lián)通現(xiàn)在的方案應(yīng)該是屬于一種過渡的方案，因為在4G時代的時候我們已經(jīng)把核心的時間服務(wù)器都買過了，4G的網(wǎng)絡(luò)還會在，通過核心接入逐條傳下去，滿足5G初期的1.5微秒還是沒有什么問題的。未來如果有窄波聚合的需求，聚合不是主網(wǎng)的聚合，而是局部區(qū)域的，針對局部區(qū)域可以用小型時間服務(wù)器下沉，更接近于5G基站。下沉1跳、2跳就到了，這樣來提供精度?，F(xiàn)在新的雙頻接收技術(shù)，通過衛(wèi)星的兩個頻點去接收，這樣來算對流層更精確一些，恢復(fù)的時間更精準一些。共視法目前有廠商在做設(shè)備，精度還是很高的，可以達到亞納秒級，但是應(yīng)用還有一些問題。共視的儀表聽說也有廠家剛剛推出來，會在這個月底的展會上展出。慢慢地也會走進同步的前沿陣地。將來服務(wù)器達到30，中間5納秒，端到端260，去做一個統(tǒng)一的同步的傳遞。如果將來能做到單端到端，我們還是有機會去做的。但是現(xiàn)在4G還存在，所以下沉也是一種方式。

這是北斗，聯(lián)通在雄安發(fā)布了一個5G+北斗以及智研院成立的發(fā)布儀式。北斗也是國家戰(zhàn)略層面的東西 ，后續(xù)我們再去提同步的時候，提GNSS的時候，還是以提BTS為主。北斗三代發(fā)的衛(wèi)星數(shù)量基本覆蓋全球是沒有問題的，后續(xù)我們想把北斗推起來，但是北斗基站的性能到底怎么樣，我們?nèi)ツ?月份在武漢也對華為的LTE的基站，跟蹤北斗的性能做了一個長期的測試。右下角這個圖是先跟北斗，然后一個多小時之后切到GPS，從圖的效果一看大家也能清楚，藍的是頻率，10兆赫茲的，中間的是BTS，可以看到北斗的性能比GPS略微好一些。

左邊是LTE基站跟蹤北斗40小時，上面是GPS的，下面藍色是跟蹤北斗的，可以看到性能還是很穩(wěn)定的。右邊125小時全部跟蹤北斗。上面紅的是時間，下面10兆赫茲是頻率，也是比較穩(wěn)定的。從武漢4G基站跟北斗的測試來看不亞于GPS，甚至還優(yōu)于GPS，但是這還需要長期考量，因為GPS畢竟這么長時間了。中國聯(lián)通后來一直在跟蹤基站的測試，但一直沒有取數(shù)據(jù)。

這個是5G的基站，雄安當時布了一些5G的基站，中國聯(lián)通也是想配合5月10號的發(fā)布會，也做了一些華為的5G基站跟蹤北斗的測試情況。右下角上面是時間，下面是頻率，56個小時，可以看到也是很穩(wěn)定。時間信號基本上它的均值平均在負的100納秒左右。將來130的指標也能滿足，但是單純的用于衛(wèi)星可能還會存在一些問題。左下角是保持，把GPS和北斗全拔掉，用基站來保持，保持的時間大概5萬秒。當它保持的時候，只有6分鐘就會突破130納秒。到1微秒的時候，大概能夠維持14個小時左右。將來如果全靠衛(wèi)星的話，可能衛(wèi)星一天撐不了就會出問題。CA用起來以后，6分鐘就保證不了精度要求了。

后來中國聯(lián)通掛了一個13天的，13天的時候，中間出現(xiàn)了一次跳變，跳變引起了3天的數(shù)據(jù)異常。我在下面的圖上畫了兩個紅圓圈，因為本身基站的頻率變化了，由于頻率變化引起了時間信號輸出的變化。而且這個變化很大，基本上達到秒級了。后來我們又對基站的版本進行了升級，升級以后把時鐘的輸入類型修改了，在29號下午4點左右又恢復(fù)了正常。這也能看到實際上頻率穩(wěn)不穩(wěn)，對時間的影響還是很大的。

這是5G跟1588，4個小時，跟1588的時候，平均值基本在負20度納秒左右，但是只測了4個小時，只是一跳。因為雄安的承載網(wǎng)絡(luò)還不具備1588的功能，但是可以看到1588跟一跳的時候可以保證20納秒，時間信號蜂窩值在負140到負60區(qū)間。5G、北斗1588GPS性能還是可以符合指標要求的，13天那個出現(xiàn)一個跳變，后來分析基站本身的內(nèi)振有問題，要求廠家更換相應(yīng)的時鐘處理板卡。

隨著無線技術(shù)的發(fā)展，同步肯定是越來越重要的。從最初我們只是要求頻率同步，現(xiàn)在要求項目上更精準，這是一個趨勢。如果不能保證這種嚴格的同步，可能會對行業(yè)應(yīng)用帶來很大的影響，因為現(xiàn)在還沒有真正去試，影響到底怎么樣還沒有數(shù)據(jù)，比如車聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛。單純依賴GPS存在潛在的政治安全風(fēng)險，同時針對5G超高精度的時間同步需求，當衛(wèi)星失效時，基站的守時性能并不樂觀，需考慮基于地面鏈路傳遞的1588V2技術(shù)，還有一些新的技術(shù)我們也要跟蹤。一個是北斗，另外一個是1588要真正用起來。擔(dān)心的是網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的時候不知道怎么定位，但目前來看基本上問題不大，所以還得把這件事情推動起來，用起來，以滿足將來5G的需求。