一文詳解時(shí)鐘同步的組網(wǎng)方式

PART1同步是基本需求時(shí)鐘同步，對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。從2G到5G，不同的無(wú)線接入技術(shù)對(duì)頻率同步和相位同步的精度都有著不同的要求。

可想而知，在自由震蕩狀態(tài)的各個(gè)基站間的時(shí)鐘沒(méi)有同步，每個(gè)基站都只是一個(gè)孤島，只能獨(dú)立運(yùn)行無(wú)法協(xié)同工作。唯有通過(guò)參考時(shí)鐘來(lái)同步這樣的“對(duì)表操作”，才能讓它們步調(diào)一致，從而緊密連接形成網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)于參考時(shí)鐘，它首先要確定一個(gè)參考源，然后再是不同節(jié)點(diǎn)之間的同步關(guān)系。在通信系統(tǒng)中，一般來(lái)說(shuō)精度較低的節(jié)點(diǎn)向精度較高的節(jié)點(diǎn)來(lái)獲取參考時(shí)鐘同步。

PART2時(shí)鐘等級(jí)和精度ITU-T一共定義了4種精度的時(shí)鐘，一般也稱之為一級(jí)鐘，二級(jí)鐘，三級(jí)鐘和四級(jí)鐘。它們的精度要求隨等級(jí)的變大而降低。一級(jí)鐘是最高等級(jí)的時(shí)鐘，因此也稱作PRC（PrimaryReferenceClock，主參考時(shí)鐘）。它要求的精度非常高，即在任何情況下的頻率精度在±1x10^-11，也就是頻率誤差為千億分之一。最好的一級(jí)鐘是由銫原子組成的基準(zhǔn)時(shí)鐘，它利用銫原子內(nèi)部的電子在兩個(gè)能級(jí)間躍遷時(shí)輻射出來(lái)的電磁波作為基準(zhǔn)來(lái)控制時(shí)鐘的精度。每種不同的原子都有自身的特有的振動(dòng)頻率，最常見(jiàn)的現(xiàn)象就是當(dāng)食鹽被灑在火焰上，鈉原子所發(fā)出的黃光。

銫原子鐘的原理銫原子鐘的穩(wěn)定度非常高，可以做到500萬(wàn)年才偏差一秒。

但是它的成本太高了，只有國(guó)家機(jī)器才能造得起這種昂貴的系統(tǒng)。對(duì)于通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以使用以GPS為代表的GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem，全球?qū)Ш叫l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）加銣鐘作為一級(jí)時(shí)鐘源，成為L(zhǎng)PR（LocalPrimaryReference，區(qū)域基準(zhǔn)鐘）。二級(jí)鐘和三級(jí)鐘的特點(diǎn)是它們需要從外部選擇一個(gè)同步鏈路來(lái)獲取時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)抖動(dòng)和偏移進(jìn)行衰減，然后再向其他設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)鐘。因此它們稱作SSU（SynchronizationSupplyUnit，同步支持單元），二級(jí)鐘也叫SSU-A，三級(jí)鐘也叫做SSU-B。

不同時(shí)鐘等級(jí)的精度要求二級(jí)鐘在一年內(nèi)的精度需要達(dá)到0.016ppm，三級(jí)鐘在一年內(nèi)的精度要能夠達(dá)到4.6ppm。

四級(jí)鐘也叫做SEC（SDHEquipmentClock，SDH設(shè)備時(shí)鐘），作為最低級(jí)別的時(shí)鐘，它的精度不大于4.6ppm。通過(guò)和無(wú)線通信的時(shí)鐘同步精度進(jìn)行比較，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，所有無(wú)線通信制式的頻率同步精度要求都為0.05ppm，三級(jí)鐘和四級(jí)鐘無(wú)法滿足需求，一般需要達(dá)到二級(jí)鐘的級(jí)別。也就是說(shuō)，基站需要和一級(jí)鐘或者二級(jí)鐘同步才能正常工作。

不同無(wú)線接入技術(shù)（2/3/4G）的同步需求

PART3時(shí)鐘同步的組網(wǎng)有了時(shí)鐘源，還需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，把時(shí)鐘分發(fā)下去。根據(jù)組網(wǎng)的不同，可分為集中式和分布式這兩種方式。集中式時(shí)鐘同步的代表為基于分組網(wǎng)絡(luò)的同步以太網(wǎng)（SyncE），1588v2等技術(shù)，其大體上的組網(wǎng)如下圖所指示。

集中式同步分發(fā)網(wǎng)絡(luò)主時(shí)鐘PRC，作為最高節(jié)點(diǎn)，通過(guò)一個(gè)金字塔式的傳輸網(wǎng)絡(luò)，一層層地把時(shí)鐘傳遞下來(lái)。圖中的SSU即為二級(jí)鐘，可認(rèn)為是無(wú)線通信中的基站。在這種模式下，同步以太網(wǎng)（SyncE）只能實(shí)現(xiàn)頻率同步，1588v2除了可以實(shí)現(xiàn)頻率同步之外，還能支持更高精度的相位同步。

同步以太網(wǎng)+1588v2同步分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

但是，要1588v2實(shí)現(xiàn)相位同步，需要每一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)都支持PTP（PriciseTimeProtocol，精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議）協(xié)議，并且還要求上下行鏈路的時(shí)延完全一致，這一點(diǎn)在現(xiàn)網(wǎng)中實(shí)施起來(lái)非常困難。

分布式時(shí)鐘同步的代表技術(shù)為美國(guó)的GPS，還包括中國(guó)的北斗，俄羅斯的格洛納斯，以及歐洲的伽利略等GNSS系統(tǒng)。

基于GPS的分布式同步分發(fā)網(wǎng)絡(luò)如上圖所示，作為一級(jí)鐘的GPS并不直接和下級(jí)SSU物理相連，而是通過(guò)無(wú)線接口來(lái)廣播時(shí)鐘信息，所有的SSU都通過(guò)GPS接收機(jī)來(lái)直接和主時(shí)鐘同步。

毫無(wú)疑問(wèn)，無(wú)線通信的基站也屬于SSU，只需要在基站上安裝GPS接收機(jī)就能實(shí)現(xiàn)高精度的同步。GPS同步目前也是全球應(yīng)用最廣的同步方式。

由于5G需要更高精度的相位同步，以1588v2為代表的集中式網(wǎng)絡(luò)同步的精度難以保證，因此以GPS為代表的GNSS系統(tǒng)的重要性更近一步增強(qiáng)。
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