5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)序設(shè)計(jì)和管理同步方式

作者：戰(zhàn)略應(yīng)用、時(shí)序和通信業(yè)務(wù)部高級(jí)技術(shù)顧問 Darrin Gile

如要在整個(gè)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)具有成本效益、可靠性和安全性的授時(shí)，所需的基礎(chǔ)設(shè)施需要適當(dāng)?shù)募軜?gòu)、設(shè)計(jì)和管理。5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時(shí)間精度要求更高，需要可靠且穩(wěn)健的授時(shí)架構(gòu)來保證網(wǎng)絡(luò)性能。

隨著網(wǎng)絡(luò)從使用基于頻分雙工（FDD）的通信鏈路發(fā)展到使用時(shí)分雙工（TDD），不僅出現(xiàn)了頻率方面的需求，同時(shí)還產(chǎn)生了對(duì)精確相位和時(shí)間同步的需求。運(yùn)營(yíng)商在TDD網(wǎng)絡(luò)中部署的設(shè)備依賴于GNSS、同步以太網(wǎng)（SyncE）和IEEE-1588精確時(shí)間協(xié)議（PTP）的組合，以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中提供準(zhǔn)確的頻率、相位和時(shí)間。

第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）第15版中引入了全新的5G RAN架構(gòu)，此架構(gòu)將基帶單元（BBU）和遠(yuǎn)程無線電頭端（RRH）拆分為集中式單元（CU）、分布式單元（DU）和無線電單元（RU）。這種全新的RAN架構(gòu)形成了分散式的虛擬化網(wǎng)絡(luò)，使運(yùn)營(yíng)商能夠在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中提升效率并降低成本。

這種分散產(chǎn)生了增強(qiáng)型通用公共無線電接口（eCPRI），可用于連接DU和RU。相比于以前用于將BBU連接到遠(yuǎn)程無線電頭端（RRH）的CPRI鏈路，此接口具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于eCPRI采用基于數(shù)據(jù)包的傳輸方式，因此現(xiàn)在通過使用PTP和SyncE實(shí)現(xiàn)與RU的同步。

此外，開放式RAN運(yùn)動(dòng)還基于3GPP的建議實(shí)現(xiàn)了硬件和接口標(biāo)準(zhǔn)化。O-RAN聯(lián)盟定義了四個(gè)用于通過前傳網(wǎng)絡(luò)分配時(shí)序的方案。在全部四種配置中，RU要么從DU接收時(shí)序，要么從附近的主參考時(shí)鐘（PRTC）接收時(shí)序。盡管存在各種時(shí)序流，但要通過O-RAN網(wǎng)絡(luò)支持時(shí)序分配，所需的關(guān)鍵功能仍然基于SyncE、IEEE-1588和GNSS。

授時(shí)標(biāo)準(zhǔn)

我們采取了各種授時(shí)建議措施，以便使每個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素都能滿足特定的頻率、相位和時(shí)間要求，確保端到端網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。對(duì)于TDD蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，3GPP的定義將不同基站之間時(shí)間同步的基本同步服務(wù)要求設(shè)定為3 μs。國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）提出了一系列建議，這些建議基于3GPP的要求定義了公共點(diǎn)和終端應(yīng)用之間的最大絕對(duì)時(shí)間誤差（最大|TE|），即±1.5 μs。

GNSS成為通過PRTC在TDD網(wǎng)絡(luò)中獲取時(shí)間的主要方式。一種方法是將GNSS接收器置于無線電基站，但這需要良好的天空視距才能可靠運(yùn)行。如果無線電位于室內(nèi)或遮擋清晰視線的位置，則無法利用本地GNSS源。由于天氣事件等造成的視線遮擋，或者欺騙或干擾產(chǎn)生的針對(duì)性攻擊，GNSS還可能發(fā)生中斷。規(guī)劃的5G NR基站數(shù)量非常多，這使運(yùn)營(yíng)商難以承擔(dān)安裝和維護(hù)GNSS源的成本。

除了可靠性和部署成本方面的問題之外，GNSS還需要更加精確的PRTC，增強(qiáng)型主參考時(shí)鐘（ePRTC）的定義由此應(yīng)運(yùn)而生。ePRTC可通過GNSS或可追溯到UTC的其他網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源發(fā)起授時(shí)。獲取時(shí)間后，ePRTC使用銫原子鐘或更出色的原子參考振蕩器為網(wǎng)絡(luò)維持可靠、高度精確和穩(wěn)定的時(shí)間參考。使用自主原子時(shí)間參考可提供一定程度的抗干擾能力，并在最長(zhǎng)14天內(nèi)提供穩(wěn)定的保持功能。ePRTC的時(shí)間精度為UTC ± 30 ns，與以前的PRTC規(guī)定的± 100 ns精度相比，改進(jìn)十分明顯。這種精度提升充分滿足了5G NR的嚴(yán)苛網(wǎng)絡(luò)要求。

電信邊界時(shí)鐘（T-BC）和目標(biāo)時(shí)鐘（T-TSC）是確保網(wǎng)絡(luò)精確傳輸時(shí)間的其他重要元素。T-BC通常位于交換機(jī)或路由器中，負(fù)責(zé)從上游鏈路恢復(fù)時(shí)間并將其傳遞給下游鏈路。T-BC/T-TSC內(nèi)的以太網(wǎng)設(shè)備時(shí)鐘（EEC）（又稱為SyncE）能夠提供穩(wěn)定且精確的頻率參考，可追溯到主參考時(shí)鐘（PRC/PRS），頻率精度為0.01 pbb。如果將SyncE與PTP結(jié)合使用，可帶來多項(xiàng)精度和成本優(yōu)化方面的優(yōu)勢(shì)。SyncE參考的精度高于本地振蕩器，能夠驅(qū)動(dòng)PTP引擎。這樣，PTP引擎便可濾除大量的數(shù)據(jù)包延時(shí)變化（PDV），從而提高整體相位精度。

基本時(shí)間精度要求

對(duì)于TDD網(wǎng)絡(luò)部署，端到端網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間精度限值為±1.5 μs，詳見G.8271。根據(jù)該值，可以得出定義每個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素所需性能的時(shí)序預(yù)算，從而滿足端到端限制。G.8273.2中定義的時(shí)鐘設(shè)備規(guī)范將時(shí)間誤差細(xì)分為恒定時(shí)間誤差和動(dòng)態(tài)時(shí)間誤差。恒定時(shí)間誤差（cTE）表示因網(wǎng)絡(luò)固有延時(shí)而出現(xiàn)的誤差。這些誤差無法濾除；它們會(huì)隨著時(shí)間在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸而累積。動(dòng)態(tài)時(shí)間誤差（dTE）是因高頻或低頻噪聲而產(chǎn)生的誤差。對(duì)網(wǎng)絡(luò)參考時(shí)鐘進(jìn)行正確的濾波可以減少這些誤差。

圖1.為滿足延遲時(shí)間規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)的時(shí)序限值必須保持在±1.5 μs，其中總的時(shí)序限值分布在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素

±1.5 μs的基本網(wǎng)絡(luò)限制在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素之間分配。對(duì)于4G網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素的允許時(shí)間誤差預(yù)算如圖1所示。帶T-GM的PRTC的誤差限值為±100 ns，將基于分類級(jí)別為每個(gè)T-BC分配一個(gè)最大|TE|。表1詳細(xì)說明了分配給每個(gè)時(shí)鐘類的最大|TE|。

表1.G.8372.2 T-BC和T-TSC時(shí)鐘設(shè)備時(shí)間誤差限值。

此外，根據(jù)分類級(jí)別為每個(gè)T-BC分配一個(gè)cTE限值。非對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)鏈路和終端應(yīng)用各自也會(huì)收到分配的最大TE值。支持最多10躍程A類T-BC或20躍程B類T-BC的網(wǎng)絡(luò)足以滿足基本網(wǎng)絡(luò)限制。

高級(jí)時(shí)間精度要求

4G和5G網(wǎng)絡(luò)的基本端到端要求都是1.5 μs。但是，某些無線電技術(shù)（例如協(xié)作多點(diǎn)、載波聚合或大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO））具有更嚴(yán)格的時(shí)間誤差限制。圖2顯示了相對(duì)時(shí)間誤差的概念，其中描述了終端應(yīng)用的時(shí)間誤差，該應(yīng)用可追溯到無線電集群的最后一個(gè)公共點(diǎn)。NR部署所需的高級(jí)時(shí)間精度要求將集群內(nèi)允許的相對(duì)時(shí)間對(duì)齊誤差（TAE）降低至130 ns或±65 ns的最大TE。

圖2. 5G網(wǎng)絡(luò)中的T-BC的最大|TE|基于分類級(jí)別。

除了前文介紹的全新ePRTC之外，表1還列出了新的T-BC和T-TSC時(shí)鐘類，ITU-T已確定其支持這些更嚴(yán)格的限制。G.8372.2 C類和新出現(xiàn)的D類要求進(jìn)一步限制了每個(gè)元素可以引入的允許TE。每個(gè)C類和D類元素都需要支持G.8262.1中定義的增強(qiáng)型以太網(wǎng)設(shè)備時(shí)鐘（eEEC）標(biāo)準(zhǔn)。

時(shí)序設(shè)計(jì)

圖3顯示了用于在設(shè)備設(shè)計(jì)中維護(hù)、管理和分配時(shí)序的關(guān)鍵組件的典型框圖。在設(shè)計(jì)CU、DU或RU應(yīng)用時(shí)，可將其用作指南。時(shí)序設(shè)計(jì)的主要功能是創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)同步器，其包含一個(gè)或多個(gè)復(fù)雜的鎖相環(huán)（PLL），可提供實(shí)現(xiàn)精確頻率和時(shí)間同步所需的功能。這些同步器負(fù)責(zé)時(shí)鐘監(jiān)視、參考切換、濾波和同步準(zhǔn)確時(shí)鐘，使設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間保持同步。同一同步器中的多個(gè)PLL允許為SyncE、PTP和其他時(shí)間要求提供支持。支持多個(gè)輸入和輸出的同步器可以監(jiān)視和同步各種接口的時(shí)鐘。

對(duì)于SyncE支持，有一個(gè)或多個(gè)恢復(fù)時(shí)鐘連接到對(duì)各種輸入?yún)⒖歼M(jìn)行認(rèn)證和管理的系統(tǒng)同步器。同步器將選擇一個(gè)恢復(fù)時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，SyncE PLL會(huì)在將時(shí)鐘重新分配到出口節(jié)點(diǎn)之前對(duì)其進(jìn)行濾波。如果需要支持增強(qiáng)型以太網(wǎng)電子時(shí)鐘（eEEC），如G.8262.1中的定義，則務(wù)必確保在信號(hào)丟失（LOS）條件下可以快速抑制SyncE恢復(fù)時(shí)鐘。這確?？梢詽M足G.8262.1的短期和長(zhǎng)期相位瞬態(tài)限制。

圖3. 5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)序依賴于交換芯片和同步器。

PTP的正確實(shí)現(xiàn)需要準(zhǔn)確的時(shí)間戳功能和專用軟件，以正常保持精確的時(shí)間同步。為了盡量減少延時(shí)，時(shí)間戳單元應(yīng)盡可能靠近盒子的邊緣。對(duì)于B類設(shè)備，具有10 ns精度的時(shí)間戳單元足以滿足要求。要滿足C類時(shí)鐘要求，時(shí)間戳單元的精度應(yīng)達(dá)到4 ns或更高。需要一個(gè)PTP軟件協(xié)議棧，最重要的是需要一種穩(wěn)健的時(shí)間算法來處理PTP數(shù)據(jù)包通信和時(shí)間戳，并對(duì)系統(tǒng)同步器內(nèi)部的時(shí)間PLL進(jìn)行頻率和相位調(diào)整。時(shí)間PLL也可以鎖定到來自本地PRTC或提供每秒脈沖（PPS）參考的其他設(shè)備的PPS輸入。

最后，精密振蕩器可在啟動(dòng)時(shí)提供基礎(chǔ)頻率，并確保在網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下穩(wěn)定運(yùn)行。并非所有用例都需要強(qiáng)大的保持功能，但設(shè)備的位置越靠近網(wǎng)絡(luò)核心，振蕩器就需要越穩(wěn)定。

C類和D類設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)需滿足C類和D類要求的系統(tǒng)中的時(shí)序架構(gòu)時(shí)應(yīng)十分小心。除了提高時(shí)間戳的精度和需要在LOS條件下為入口eEEC提供抑制功能外，還可以應(yīng)用校準(zhǔn)技術(shù)來正確管理給定設(shè)計(jì)中的cTE和dTE。隨著工程師努力盡可能降低設(shè)備引入的時(shí)間誤差，提供片上或系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)功能正變得愈加普遍且十分必要。在選擇元件時(shí)，需要考慮識(shí)別由于工藝、溫度和電壓產(chǎn)生的潛在cTE來源。

需要盡可能減少由緩沖器、FPGA、時(shí)間戳單元或授時(shí)路徑中的其他器件引入的延時(shí)，并且如果可能，在電路板和/或系統(tǒng)級(jí)使用校準(zhǔn)技術(shù)來糾正這些延時(shí)。對(duì)于通過緩沖器和其他器件的輸入到輸出傳輸延時(shí)，可以通過提供返回系統(tǒng)同步器的反饋路徑進(jìn)行分配，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)延時(shí)校準(zhǔn)。由于高級(jí)時(shí)間精度限制引入的相對(duì)時(shí)間誤差要求，僅關(guān)注盒子的輸入到輸出延時(shí)已無法再滿足需求。應(yīng)當(dāng)注意系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)PPS輸出的輸出到輸出對(duì)齊。此外，對(duì)于機(jī)架設(shè)備，每個(gè)輸出的線路卡PLL帶寬應(yīng)該相同或設(shè)置得盡可能高，以確保設(shè)備盡可能對(duì)所有輸出的任何相位變化進(jìn)行相同的處理。

同步器、時(shí)間戳PHY和交換機(jī)可以補(bǔ)償電路板設(shè)計(jì)中已知的固有延時(shí)。從電路板級(jí)別來看，靜態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)可以按輸出或按端口補(bǔ)償板間延時(shí)和傳輸延時(shí)。同步器可為GNSS或G.703 1PPS接口提供按輸入的板間延時(shí)和緩沖器補(bǔ)償、皮秒相位調(diào)整分辨率、按輸出的板間延時(shí)補(bǔ)償以及按輸入或按輸出的線纜延時(shí)補(bǔ)償。此外，高級(jí)時(shí)間戳器件可按端口提供具有皮秒分辨率的時(shí)間戳校準(zhǔn)。這些功能有助于靈活地測(cè)量和校正系統(tǒng)內(nèi)的相位誤差，以確保最大限度地降低TE。

結(jié)論

同步要求和功能不斷發(fā)展，催生了適用于5G及以后網(wǎng)絡(luò)的超低延遲、高帶寬和先進(jìn)的全新無線電應(yīng)用。若要滿足網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的全新更高時(shí)間精度標(biāo)準(zhǔn)，必須仔細(xì)規(guī)劃時(shí)序架構(gòu)。

審核編輯 黃宇