將5G網(wǎng)絡與定時設計和管理同步需要滿足的時序要求

介紹最佳網(wǎng)絡運行的定時要求

隨著網(wǎng)絡從使用基于頻分雙工（FDD）的通信鏈路發(fā)展到時分雙工（TDD），不僅需要頻率同步，還需要精確的相位和時間同步。為了在 5G 網(wǎng)絡中提供準確的頻率、相位和時間，TDD 網(wǎng)絡中使用的設備結合使用全球導航衛(wèi)星系統(tǒng) （GNSS）、同步以太網(wǎng) （SyncE） 和 IEEE-1588 精確時間協(xié)議 （PTP）。

在這篇由兩部分組成的博客文章中，我們將回顧用于同步 5G 網(wǎng)絡的時序設計和管理基礎設施。第一部分將討論正確網(wǎng)絡操作需要滿足的時序要求。第二部分將介紹用于滿足這些要求的設計技術。

全新 5G RAN 架構

在第三代合作伙伴計劃 （3GPP） 第 3 版中引入的新型 15G 無線接入網(wǎng)絡 （RAN） 架構將基帶單元 （BBU） 和遠程射頻頭 （RRH） 拆分為集中單元 （CU）、分布式單元 （DU） 和無線電單元 （RU）。運營商可以在整個網(wǎng)絡中實現(xiàn)效率和成本節(jié)約，因為這種新的RAN架構創(chuàng)建了一個分解和虛擬化的網(wǎng)絡。

分解帶來了連接DU和RU的增強型公共無線電接口（eCPRI）。與以前用于連接BBU和RRH的CPRI鏈路相比，eCPRI具有幾個獨特的優(yōu)勢。由于 eCPRI 是基于數(shù)據(jù)包的，因此現(xiàn)在利用 PTP 和同步 與 RU 同步。

同樣，開放 RAN（O-RAN） 運動也根據(jù) 3GPP 建議對硬件和接口進行了標準化。O-RAN聯(lián)盟概述了在前傳網(wǎng)絡中提供定時功能的四種可能性。在所有四個中，RU 從 DU 或附近的主參考時鐘 （PRTC） 獲取時序。盡管有四種授時方法，但通過O-RAN網(wǎng)絡建立授時分配所需的基本功能仍然基于SyncE，IEEE-1588和GNSS。

計時標準

為了確保每個網(wǎng)絡組件滿足特定的頻率、相位和時間要求，已經(jīng)建立了幾個定時建議，保證了正確的端到端網(wǎng)絡運行。根據(jù)3GPP的定義，TDD蜂窩網(wǎng)絡中時間同步的基本同步服務要求設置為基站之間的3 μsec。國際電信聯(lián)盟電信標準化部門（ITU-T）根據(jù)3GPP要求提出了一系列建議，定義了公共點和最終應用之間的絕對最大時間誤差（max|TE|），轉換為±1.5微秒。

GNSS成為通過PRTC在TDD網(wǎng)絡中獲取時間的主要選擇。一種策略是將全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)接收器放在無線電站點;這需要清晰的天空視線才能可靠運行。因此，位于室內或阻擋清晰視線的位置的無線電不能使用本地 GNSS 源。GNSS 也容易受到視線中斷的影響，包括天氣事件和欺騙或干擾的針對性攻擊。由于計劃中的5G NR站點總數(shù)，運營商難以處理安裝和維護GNSS源的成本。

由于除了采用GNSS的可靠性和成本問題外，還需要更準確的PRTC，因此創(chuàng)建了增強型主時鐘（ePRTC）的定義。ePRTC 可以通過 GNSS 或連接到 UTC 的其他網(wǎng)絡標準時間源啟動時間。獲得時間后，ePRTC使用銫或更好的原子參考振蕩器來維持網(wǎng)絡的穩(wěn)定，可靠和高度準確的時間參考。利用自主原子定時參考可提供一定程度的中斷保護，并支持長達 14 天的穩(wěn)定保持。ePRTC的時間精度為±30 nsec到UTC。這是對先前PRTC指定的±100 nsec精度的顯著增強。精度的提高達到了5G NR的困難網(wǎng)絡要求。我們提供最先進的解決方案，這些解決方案部署在世界各地，以滿足這些精確的計時要求。

確保網(wǎng)絡正確傳輸時間的其他關鍵元素包括電信邊界時鐘（T-BC）和目標時鐘（T-TSC）。T-BC 通常位于交換機或路由器中，負責監(jiān)督從上游鏈路恢復時間并將其傳遞到下游鏈路。T-BC/T-TSC 內部的以太網(wǎng)設備時鐘 （EEC） 或 SyncE 提供穩(wěn)定準確的頻率參考，可溯源至主參考時鐘 （PRC/PRS），頻率精度為 0.01 pbb。將 SyncE 與 PTP 結合使用可為精度和成本改進提供各種好處。SyncE基準比本地振蕩器更精確，可以驅動PTP引擎;這允許 PTP 引擎過濾更多的數(shù)據(jù)包延遲變化 （PDV），從而提高一般相位精度。

基本時間精度要求

在TDD網(wǎng)絡操作中，時間精度的端到端網(wǎng)絡限制為±1.5微秒（詳見G.8271）。根據(jù)該值，我們制定一個定時預算，該預算指定了每個網(wǎng)元所必需的性能，從而滿足端到端限制。時鐘設備規(guī)范在 G.8273.2 中定義，將時間誤差分為恒定時間和動態(tài)時間誤差。恒定時間錯誤 （cTE） 表示由于網(wǎng)絡中固有的延遲而產生的錯誤。無法過濾這些錯誤;它們隨著時間在網(wǎng)絡中循環(huán)而累積。動態(tài)時間誤差（dTE）是由高頻或低頻噪聲引起的誤差。對網(wǎng)絡參考時鐘進行適當過濾可以減少這些誤差。

圖1.為了達到延遲規(guī)范，網(wǎng)絡必須提供 ±1.5 微秒的時序限制，其中總數(shù)擴展到網(wǎng)絡元素。

±1.5 μsec 基本網(wǎng)絡限制分布在網(wǎng)元之間。圖 1 顯示了 4G 網(wǎng)絡的每個網(wǎng)元的容許時間誤差預算。帶有 T-GM 的 PRTC 被限制為 ±100 納秒的誤差，并且每個 T-BC 被賦予最大值|TE|根據(jù)班級級別。表 1 標注了最大值|TE|為每個時鐘類給出。

表 1.G.8372.2 T-BC 和 T-TSC 時鐘設備時間誤差限制。

此外，根據(jù)班級級別為每個 T-BC 指定了一個 cTE 限制。網(wǎng)絡鏈路不對稱和最終應用也給出了max|TE|值。最多支持 10 個跳 A 類 T-BC 或 20 個跳 B 類 T-BC 的網(wǎng)絡足以滿足基本網(wǎng)絡限制。

高級時間精度要求

1.5 μsec的基本端到端要求對于4G和5G網(wǎng)絡是相同的。然而，一些無線電技術，包括協(xié)調多點、載波聚合或大規(guī)模MIMO，對時間誤差施加了更嚴格的限制。

圖2.5G 網(wǎng)絡中的 T-BC 根據(jù)類級別具有絕對最大時間誤差 （max|TE|）。

圖2說明了相對時間誤差的概念，它解釋了可追溯到無線電集群最后一個公共點的終端應用的時間誤差。NR 部署所需的高級時間精度要求將集群中允許的相對時間對齊誤差 （TAE） 降低到 130 nsec 或 ±65 nsec maxTE。

除了新的ePRTC之外，表1還列出了國際電信聯(lián)盟電信標準化部門（ITU-T）為支持這些更嚴格的限制而概述的新類別的電信邊界時鐘（T-BC）和目標時鐘（T-TSC）。G.8372.2 C 類和初出茅廬的 D 類要求更嚴格地限制了每個元素可以創(chuàng)建的可接受 TE。每個 C 類和 D 類元素都必須遵循 G.8262.1 中定義的增強型以太網(wǎng)設備時鐘 （eEEC） 標準。

審核編輯：郭婷