使用增強型主參考時鐘（ePRTC）標(biāo)準(zhǔn)，通過精確時間架構(gòu)應(yīng)對5G彈性挑戰(zhàn)

Microchip Technology Inc.? ?新興產(chǎn)品頻率和時間系統(tǒng)主管??Eric Colard

移動運營商需要為其5G網(wǎng)絡(luò)提供高精度時間和相位保護，但是當(dāng)依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）時很難做到這一點，因為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)很容易因人為干擾、欺騙或自然現(xiàn)象而導(dǎo)致長時間無法使用。增強型主參考時鐘（ePRTC）為移動網(wǎng)絡(luò)運營商提供一種令人高枕無憂的解決方案：即保持功能，它擁有解決問題所需的精度、可靠性和性能。要成功部署ePRTC，需要充分了解構(gòu)建可靠、彈性的精確時間架構(gòu)所需的關(guān)鍵要素，包括最符合網(wǎng)絡(luò)運營商要求的時鐘和其他相關(guān)系統(tǒng)。

保持5G正常運行

設(shè)想一下：移動網(wǎng)絡(luò)速度很快，支持快速下載視頻，并且提供的密集5G服務(wù)能夠滿足多地客戶的要求。突然，一切都中斷了。移動服務(wù)關(guān)閉，客戶指責(zé)移動運營商，運營商聲譽受損，導(dǎo)致用戶流失。GNSS中斷期間很容易發(fā)生這種情況。

負(fù)責(zé)國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的移動運營商和團隊一直在考慮采用各種方法來提供GNSS備份或者總體減少對GNSS技術(shù)的依賴。即使在最近的3G或4G移動網(wǎng)絡(luò)中，流行的無線電技術(shù)也主要采用基于頻率的同步策略。這項技術(shù)為業(yè)內(nèi)所熟知，已廣泛部署并且效果卓著。隨著5G的到來，必須有非常嚴(yán)格的時間和相位精度才能最大程度地利用移動運營商所投資的珍貴頻譜。避免數(shù)據(jù)沖突和頻率干擾至關(guān)重要，與此同時，還需要最大程度地縮小防護頻帶的范圍，以增強和更有效地利用其頻譜。此時，憑借精確的計時便可實現(xiàn)此目的。

這種精度級別所需的時間源主要通過GNSS提供。不過，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的密集化，將不再考慮這種選項。無線電臺或基站中缺少GNSS接收器時，需要無線電臺或基站迅速停止運行，以避免由于無線電臺或基站中缺少高質(zhì)量保持振蕩器而出現(xiàn)干擾問題。這種技術(shù)考慮可使基站計時減少對GPS的依賴，并逐步遷移到精確時間協(xié)議（PTP）架構(gòu)。移動運營商需要最大程度地減少使用GPS的站點，同時保留極具彈性的精確時間架構(gòu)，以確保GNSS中斷期間客戶服務(wù)的連續(xù)性。

ePRTC標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的理想選擇。它是ITU-T（ITU電信標(biāo)準(zhǔn)化部門）為提高時間精度而定義的主參考時鐘（PRTC）的幾個版本之一。PRTC A類可以滿足相對于協(xié)調(diào)世界時（UTC）的100 ns（納秒）精度要求。PRTC B類更精確，精度達40 ns。增強型PRTC具有符合ITU-T G.8272.1定義的30 ns最高精度。

ePRTC的獨特設(shè)計使其具有最大彈性，能夠使用銫鐘作為參考時鐘保持14天或更長時間，同時在整個長時間中斷期內(nèi)與UTC的最大偏差維持在100 ns。這將成為5G移動運營商部署ePRTC的關(guān)鍵優(yōu)勢。如果GPS關(guān)閉，整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的服務(wù)交付都將保持無縫切換。這樣可確保所需時間來修復(fù)GPS中斷或在GPS長時間不可用的情況下保持運行。

時鐘與配件的重要性

ePRTC不能單獨運行。高質(zhì)量ePRTC的核心原理是通過產(chǎn)生獨立自主的時標(biāo)來產(chǎn)生時間。時標(biāo)將提供時間、相位和頻率，隨著時間的推移，這幾個參數(shù)會根據(jù)GNSS信號進行調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)。高質(zhì)量ePRTC引擎使用獲得專利的測量算法來評估和測量其相對于GNSS的自主時標(biāo)偏移。

ePRTC系統(tǒng)的方法可為自主的主時間源設(shè)置時標(biāo)，而銫原子鐘和GNSS可幫助保持ePRTC時標(biāo)的準(zhǔn)確性。

因此，在理想情況下，應(yīng)將ePRTC連接到GPS時鐘和原子鐘（銫原子鐘通常用于最大程度地提高彈性，因此建議使用兩個銫原子鐘）。ePRTC不是僅僅鎖定到一個原子鐘，而是在適當(dāng)加權(quán)的時標(biāo)集合中主動無縫鎖定到兩個時鐘。例如，如果一個原子鐘的性能下降，則ePRTC將平穩(wěn)地降低其權(quán)重，以避免影響傳出時間和頻率服務(wù)。

要強調(diào)的一點是，高質(zhì)量ePRTC需要通過適當(dāng)?shù)?a target="_blank">智能化來實現(xiàn)集合和自主時標(biāo)功能，同時還要善于與高質(zhì)量原子鐘“耦合”。對于保持功能尤其如此。最高質(zhì)量的銫原子鐘將為ePRTC系統(tǒng)本身提供最佳的保持性能。

設(shè)置和調(diào)試要求

成功構(gòu)建優(yōu)化的時標(biāo)系統(tǒng)包括成功構(gòu)建銫原子鐘和ePRTC系統(tǒng)，需要格外小心地進行設(shè)置和調(diào)試。ITU標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了需要執(zhí)行的調(diào)試驗證，包括：

·ePRTC已完全鎖定到傳入的參考時間信號，并且未在預(yù)熱過程中運行

·參考路徑中沒有故障或設(shè)備錯誤，包括但不限于天線故障

·環(huán)境條件處于設(shè)備規(guī)定的工作限值內(nèi)。

·設(shè)備的固定偏移經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)試和校準(zhǔn)，例如天線電纜長度、電纜放大器和接收器延時以及參考時間信號（例如，GNSS信號在相關(guān)運營機構(gòu)確定的限值內(nèi)運行）。

·如果參考時間信號是通過GNSS等無線電系統(tǒng)運行的，則必須將多路反射和來自其他本地發(fā)射的干擾（例如人為干擾）盡可能減小到可接受的水平。

·沒有極端的傳播異常，例如嚴(yán)重的雷暴或太陽耀斑。

·根據(jù)原子鐘，時間參考為GNSS，頻率參考為1 pps/10 MHz。常見的錯誤是將GNSS的時間和頻率設(shè)置為最高優(yōu)先級，這會使原子鐘成為經(jīng)典備用角色，從而無法發(fā)揮ePRTC的運行優(yōu)勢。

在考慮了這些調(diào)試要求后，選擇ePRTC解決方案的下一步是系統(tǒng)驗證和測試。

驗證和測試

測試和驗證分為3個主要階段：

1.21天“學(xué)習(xí)”期

2.14天“保持”期

3.7天“恢復(fù)”期

21天的學(xué)習(xí)期有助于以超高精度確定ePRTC時標(biāo)的UTC校準(zhǔn)校正參數(shù)和本地銫原子鐘的頻率偏移估值。GNSS子系統(tǒng)報告本地時標(biāo)相對于UTC的一組連續(xù)時間誤差測量結(jié)果，以便可以緩慢地調(diào)整本地時標(biāo)速率。這段為期三周的學(xué)習(xí)期（第一階段）有助于驗證ePRTC是否確實符合ITU-T的時間精度規(guī)范。

圖1——21天后顯示符合ITU-T G.8272.1時間精度標(biāo)準(zhǔn)

在14天的保持期內(nèi)，GNSS信號斷開，ePRTC必須驗證其是否可以在14天的保持期內(nèi)保持100 ns。銫原子鐘越出色，此測試的性能就越高。

如圖2所示，經(jīng)過測試的ePRTC在幾乎整個中斷期內(nèi)都將時間誤差性能限制保持在100 ns標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，并維持了25 ns的時鐘類。使用高性能銫原子鐘可提供比標(biāo)準(zhǔn)要求高四倍的保持性能。

圖2. 在Microchip的TimeProvider 4100的ePRTC測試過程中，經(jīng)過14天的中斷期（+1天的恢復(fù)期）后，時間誤差完全處于100 ns要求（42 ns）之內(nèi)。重新連接GNSS時返回零

恢復(fù)期是為了驗證將GNSS重新連接到ePRTC單元時，一切是否恢復(fù)正常。目標(biāo)是驗證能否成功重新收斂和重新建立100%的正常時標(biāo)保護操作，如圖3所示。

圖3. 與G.8272.1標(biāo)準(zhǔn)相比，后保持期與主UTC-NIST參考的時間偏差（TDEV）

—— 顯示7天后保持期的結(jié)果

保持“油表”的重要性

“油表”特別有用，因為它可以幫助移動運營商充分了解ePRTC保持功能能夠保持100 ns精度（相對于UTC）的時間。標(biāo)準(zhǔn)要求是14天。

圖4——保持“油表”（拉出GNSS天線之前）的時間估值為40天（遠(yuǎn)優(yōu)于要求的14天）

ePRTC標(biāo)準(zhǔn)滿足5G對保證交付一致、高精度的相位和時間的要求。它實現(xiàn)此功能的難易程度取決于是否作為完整解決方案的一部分正確部署，包括已充分驗證、測試和調(diào)試的正確時鐘和相關(guān)系統(tǒng)。