利用銣原子鐘的保持能力滿足LTE-TDD基站的要求

本文旨在讓移動網(wǎng)絡運營商和他們的設備供應商了解，隨著當前和下一代技術使得網(wǎng)絡進步，同步要求已經(jīng)發(fā)生了變化，特別是由于同步規(guī)范變得更嚴格且更難以滿足，所以對優(yōu)良的保持性能(holdover performance)的需求成為了關注重點。在主同步源運行中斷或受損時，保持特性允許繼續(xù)進行服務運營。典型的基于晶體鐘保持能力的解決方案僅能提供一段相對較短的時間來恢復高級業(yè)務，但對于現(xiàn)有的3G和4G基站，銣 (rubidium)原子鐘的保持能力卻可以滿足新LTE-TDD基站的嚴格要求達24小時乃至更長的時間。

對于移動通訊網(wǎng)絡來說，精確同步(sync)和定時是必不可少的，以確保基站之間呼叫信號的成功切換和準確的傳輸，以及傳輸實時服務并符合無線電頻率法規(guī)。當定時或同步丟失時，抖動和漂移、封包丟失和丟幀會降低服務質量(Quality of Service, QoS)，并對最終用戶體驗產(chǎn)生負面影響。假如單個基站漂移至規(guī)定的頻率之外，那么用戶體驗將受到呼叫干擾、掉話和受損數(shù)據(jù)服務的影響。假如違反了電信規(guī)則如E911的要求，運營商便可能會承擔額外的費用如報告停用，并遭到審查，另外還有可能被判罰款和牽涉潛在的法律訴訟。

正如所有的關鍵網(wǎng)絡功能，即使發(fā)生主要網(wǎng)絡組件的失效或停用時，同步和定時解決方案也必須實施。當主同步源中斷或不可用時，保持性能即是維持網(wǎng)絡同步穩(wěn)定的能力。在定時或同步基準丟失的情況下，保持性能可以確保網(wǎng)絡的連續(xù)運行并可幫助保護運營收益。通過延長網(wǎng)絡維持運行的時間而無需上門服務(truck roll)，更長的保持性能周期實現(xiàn)了更有效的操作響應。隨著蜂窩網(wǎng)絡過度到4G/LTE，銣原子鐘為網(wǎng)絡保持性能提供了最佳性能的解決方案，并且能夠在網(wǎng)絡性能降質之前檢測到主同步信號中的微小誤差。相比其它保持性能的技術，采用嵌入式銣原子鐘的基站設備可以更長時間地保持精確性能和支持高QoS。

背景

傳統(tǒng)的時分多路復用(time division multiplex, TDM)數(shù)字電信網(wǎng)絡，采用兩種類型的同步原理來維持同步，即主基準時鐘(primary reference clocks, PRC)，也稱為主基準源(primary reference sources, PRS)，和時鐘分配系統(tǒng)，通過物理路徑來提供同步。PRC或PRS使用銫 (cesium) 原子鐘或者全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)來為網(wǎng)絡內(nèi)其它時鐘的同步提供基準信號。同步分配系統(tǒng)也稱為大樓綜合定時供給系統(tǒng) (building integrated time supplies, BITS)、同步供給單元(synchronization supply units, SSU) 或獨立同步設備(stand alone synchronization equipment, SASE)，選擇進入基站的其中一個主時鐘源作為有效同步基準。同步分配系統(tǒng)提供同步輸出至所有中央辦公室網(wǎng)絡單元?；鶞市盘栆话阌脕頊p小抖動和漂移，并在保持模式下維持運行。

從TDM到分組網(wǎng)絡的過度要求在同步架構上有所改變，因為失去了原本運送同步信號的TDM鏈路，同步信號會中斷，而異步以太網(wǎng)不提供網(wǎng)絡單元之間的物理電路，因此基站的同步必須使用如IEEE 1588 (PTP)的封包定時技術來設計成封包回程、或在基站處安裝GPS天線和接收器來提供。在定時或同步基準丟失的情況下，保持性能就成為確保最佳網(wǎng)絡性能的關鍵。

保持性能的重要性

無論使用何種主要技術來同步分組網(wǎng)絡，在基站的規(guī)定要求內(nèi)，采用銣原子鐘技術是支持4G/LTE服務的一個關鍵。為確保網(wǎng)絡的連續(xù)運行，建議服務供應商部署銣原子鐘技術來確保GPS或者PTP同步網(wǎng)絡的保持性能。

在有些基站雖然安裝GPS接收器提供服務但其僅能斷續(xù)接收到GPS信號，例如建筑物內(nèi)部、地下和市中心區(qū)域，保持性能對于基站的運行是至關重要的。在由外部事件引起的GPS運行中斷期間，，保持性能技術也是保持同步所必須的，例如在2007年美國海軍意外干擾了圣地亞哥地區(qū)的GPS信號。任何保持性能技術可以在基站的規(guī)范要求內(nèi)實現(xiàn)的持續(xù)時間是至關重要的。因為任何停機時間都會影響客戶的滿意度，而且某些故障需要上門服務，可能無法在幾個小時而是需要一整天或更長時間才能恢復，這大大影響了用戶體驗質量和運營費用。

保持性能的要求和技術

通過將可以暫時保持同步信號的振蕩器或原子鐘安裝在移動電話基站收發(fā)信臺(base transceiver stations, BTS)中，可以實現(xiàn)保持性能。保持性能的時間可以從幾個小時到幾天，這取決于振蕩器技術(晶體鐘或銣原子鐘)、環(huán)境因素(溫度和溫度變化)、以及實施質量(考慮并適應老化影響的算法)。

保持性能的要求視乎類型、復雜性和運營商要求而不同。4G/LTE時分雙工(time division duplex, TDD)網(wǎng)絡較2G/3G網(wǎng)絡具有更嚴格的定時要求，某些應用如基于位置的服務和E911需要采用更嚴格的同步要求，才能夠從基站進行三角測量來準確地定位手機。

隨著移動網(wǎng)絡技術的發(fā)展，需要更高的同步精度。GSM和UMTS要求在傳輸接口上 的頻率同步精度為16ppb((parts per billion, ppb)，不要求相位同步。CDMA 2000增加了± 3到10微秒(μs)的相位同步要求，而4G/LTE TDD基站要求± 1.5 μs的相位同步精度(圖1)。

圖1：同步要求

最常用的具有保持性能的是恒溫晶體振蕩器 (oven controlled crystal oscillator, OCXO)，以往它一直能夠滿足GMS/UMTS和CDMA網(wǎng)絡需求。展望未來，銣原子鐘是一個更好的解決方案，提供更高等級的性能和精度，并具有更長的保持時間。這是一個典型的實施基準：在目標基站溫度環(huán)境中，銣原子鐘可以保持1.5微秒精度長達24小時，而在相同條件下，晶體振蕩器僅能確保在24小時下達到8微秒。(圖2)

圖2: 24小時保持性能

即使對于精度要求并不嚴格的2G/3G環(huán)境，銣原子鐘也提供了明顯優(yōu)勢，因為更長的保持時間可省去周末或夜間的上門服務 (truck roll)。

我們必須指出的是，不同等級的振蕩器提供不同的保持性能，當然在成本上也是不同的。此外，設計實現(xiàn)也可以產(chǎn)生重大影響;例如軟件算法可以彌補由于振蕩器老化而產(chǎn)生的精度變化。圖3展示了恒溫晶體振蕩器與銣原子鐘的時間漂移比較。重點是，對于基站來說，在類似的環(huán)境情況和價格/性能范圍內(nèi)，銣提供的保持性能明顯勝過晶體振蕩器。

圖3：隨時間的漂移

支持銣原子鐘保持技術的其它重要因素有：

● 最新的小型銣原子鐘與用于保持性能的OCXO器件的大小和外形相同，易于嵌入到設備設計中。

● 創(chuàng)新實現(xiàn)了更低的功耗，而動力性能將繼續(xù)改進

● 最重要的是，銣原子鐘的成本銳減：五年前的價格是兩年前的兩倍，今天技術創(chuàng)新延續(xù)了價格下降的趨勢。

未來的同步和保持性能技術

運營商服務可用性一直依賴于冗余和備份解決方案來滿足他們客戶的期望。用于分組網(wǎng)絡的可靠端對端同步解決方案要求在基站使用主同步源 (無論是IEEE-1588 PTP還是GPS) 和嵌入式銣原子鐘。復雜算法可自適應管理 (adaptively manage) GPS和其它同步信號源，從而提供更佳的同步輸出精度和穩(wěn)定性。在這個解決方案中，不同的技術彼此輔助以延長銣原子鐘的保持時間，而且基站也可以安裝在過去無法安裝的位置上。這個方法已經(jīng)進行了部署測試，并已針對運營商做好加入4G/LTE增建計劃的準備(圖4)。

圖4：用于4G/LTE增建的多種同步技術

結論

隨著移動網(wǎng)絡向4G/LTE方向發(fā)展，以及更嚴格相位要求的增加，同步要求變得更加嚴格。為滿足1.5 μs的相位要求并確保網(wǎng)絡持續(xù)運行，需要采用銣原子鐘來提供網(wǎng)絡保持性能，并在同步信號丟失時保護網(wǎng)絡。銣原子鐘結合了性能、成本和易于實現(xiàn)的特性優(yōu)勢，其價值對于基站臺接收站(base transceiver station)越來越具吸引力。

責任編輯：gt