5G中分布式基帶單元功能的授時影響

Microchip Technology Inc.?資深技術(shù)顧問?Jim Olsen

自無線通信技術(shù)投入使用以來，網(wǎng)絡(luò)授時一直是為無線服務(wù)提供支持的關(guān)鍵組成部分。授時要求通常被稱為“絕對”測量，這意味著授時必須可追溯到已知的源。對于相位/時間應(yīng)用，這種可追溯源通常是衛(wèi)星星座。全球定位系統(tǒng)（GPS）首次將衛(wèi)星星座用于時間。GPS主要為導(dǎo)航設(shè)計，旨在為GPS系統(tǒng)的用戶提供三維定位數(shù)據(jù)，即經(jīng)度、緯度和高度。為了實現(xiàn)高水平的空間定位精度，必須將衛(wèi)星與極其精確的授時源同步，并且能夠再現(xiàn)該授時精度。

借助精心設(shè)計的GPS授時接收機(jī)技術(shù)，GPS用戶可以從GPS衛(wèi)星上的同步原子鐘中恢復(fù)極其精確的授時。這種協(xié)調(diào)的授時允許相鄰的接收機(jī)與相同的時間參考對齊。GPS系統(tǒng)的天基原子鐘由美國海軍天文臺（USNO）同步。USNO與總部位于巴黎、負(fù)責(zé)全球范圍計時的國際標(biāo)準(zhǔn)組織國際計量局（BIPM）一起進(jìn)行連續(xù)的測量，以確保與世界其他地區(qū)協(xié)調(diào)一致的時間。這種協(xié)調(diào)的世界時間或“絕對”時間被稱為“協(xié)調(diào)世界時”，更常用的說法是UTC。由美國國防部開發(fā)和維護(hù)的GPS則是第一個部署的定位、導(dǎo)航和授時（PNT）衛(wèi)星星座，而現(xiàn)在全球范圍內(nèi)已部署了多個用于PNT的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）技術(shù)。其他GNSS系統(tǒng)的例子包括Galileo（歐盟）、Glonass（俄羅斯）、北斗（中國）、QZSS（日本）和IRNSS（印度）。

隨著無線技術(shù)從2G一路成功更新?lián)Q代到5G，網(wǎng)絡(luò)授時架構(gòu)一直在并行發(fā)展。2/3G分布式RAN使用了集成在宏蜂窩基站內(nèi)的GPS授時接收機(jī)，5G網(wǎng)絡(luò)則正朝著更加集中和/或中心加權(quán)的模型發(fā)展，其中GPS是一種用于授時分配的基于網(wǎng)絡(luò)的時鐘源。

授時架構(gòu)的發(fā)展分為三個不同的階段。在第1階段中，針對頻率網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了物理或數(shù)據(jù)包層級的授時，GPS本地部署在用于TDD（相位）應(yīng)用的分布式RAN（DRAN）基站塔上。第2階段增加了更集中的GPS源，授時通過數(shù)據(jù)包傳送到基帶單元（BBU）的“池”。第1階段和第2階段都使用了從BBU到無線電的專用授時鏈路。第3階段將時序分組協(xié)議直接擴(kuò)展到無線電單元中，而不必依賴專用的授時，同時減少了DRAN基站對GPS的需求。隨著在5G中引入開放式RAN概念，BBU功能將分類為CU（集中式）和DU（分布式），并將發(fā)展為虛擬化和基于服務(wù)器的功能，這些功能將不需要包含在授時路徑中。

有一個重要的技術(shù)考慮是，將分布式GPS授時架構(gòu)移植到基于網(wǎng)絡(luò)的授時架構(gòu)（基于精確時間協(xié)議（PTP）——IEEE 1588通過以太網(wǎng)授時協(xié)議的電信版本）的推動因素。前者完全依賴GNSS接收機(jī)，而后者則引入了GNSS接收機(jī)和PTP最高級時鐘技術(shù)相結(jié)合的概念。在無線通信中，與授時有關(guān)的最普遍問題是同信道無線電干擾。當(dāng)GPS接收機(jī)正確追蹤衛(wèi)星時，在蜂窩基站上部署GPS接收機(jī)允許進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅r隙傳輸分配，從而防止以相鄰或接近的頻率運行的無線電相互干擾。在覆蓋范圍重疊的無線電集群中，如果GPS接收機(jī)發(fā)生故障或停止正確追蹤，則將導(dǎo)致連接到GPS接收機(jī)的無線電與相鄰的無線電互相干擾，因為授時降級或積累了相位誤差。由于無線電使用低成本、低性能的振蕩器（無線電設(shè)計目標(biāo)之一是通過使用規(guī)格較低的組件來降低成本），因此授時降級發(fā)生得非常迅速。

為了避免干擾問題，一旦授時開始降級，就需要立即停止使用無線電或關(guān)閉受授時降級影響的服務(wù)。為了減少這種類型的故障情形，可以部署基于網(wǎng)絡(luò)的PTP授時服務(wù)，在此服務(wù)中，集群中的無線電與集成了GPS接收機(jī)的PTP最高級時鐘同步。如果PTP最高級時鐘中的GPS發(fā)生故障或出現(xiàn)追蹤問題，同步到最高級時鐘的無線電將相對于相鄰無線電保持相位對齊，并且不會出現(xiàn)干擾問題?？梢栽赑TP最高級時鐘中部署高品質(zhì)振蕩器，以在較長時間內(nèi)保持與UTC的時間對齊，并且架構(gòu)中可以包含基于PTP的備用方案，以幫助在故障情形下維持UTC可追蹤時間。PTP最高級時鐘基于網(wǎng)絡(luò)的授時服務(wù)方法非常靈活，且具有成本效益。它可在GPS故障情形中提供無線電集群相位對齊的額外好處，同時將GNSS部署到集中式存在點，可在其中為衛(wèi)星星座設(shè)計安全而良好的視距。

第1階段：分布式GPS，宏蜂窩基站中的集成GPS授時接收機(jī)，適合CPRI授時應(yīng)用

在此應(yīng)用中，授時源是集成到BBU中的GPS接收機(jī)，該接收機(jī)通常與無線電頭端（RH）位于同一蜂窩基站的底部。BBU從GPS接收機(jī)中恢復(fù)授時，并使用公共無線電接口（CPRI）通過幾米長的光纖將其傳輸?shù)絉H，如下面的圖A所示。

圖A. 這張圖顯示了集成到BBU中的GPS授時接收機(jī)，它是DRAN架構(gòu)中的分布式GPS授時架構(gòu)的一個示例授時通過CPRI鏈路從BBU傳送到無線電。

第2階段：GPS源基于網(wǎng)絡(luò)的授時服務(wù)，無線電集群聚集點中的PTP最高級時鐘，適合CPRI授時應(yīng)用

在此應(yīng)用中，BBU遠(yuǎn)離RH。BBU通常在被稱為集中式RAN（cRAN）的集線器位置（RH集群的聚集點）處“匯集”。時間源可以是位于cRAN HUB的GPS接收機(jī)，其中GPS信號從天線直接傳輸?shù)郊稍贐BU中的接收機(jī)，或者，GPS接收機(jī)可以與PTP最高級時鐘結(jié)合，在這種情況下，PTP授時服務(wù)傳送給BBU中的PTP從站。一旦BBU從PTP流或GPS接收機(jī)中恢復(fù)了授時，它就會通過CPRI鏈路將授時傳輸?shù)竭h(yuǎn)程無線電頭端（RRH）。3G和4G服務(wù)架構(gòu)中的CPRI鏈路的距離限值約為17 KM。請參考下面的圖B。

圖B. 此圖描繪了PTP最高級PTP作為無線電集群的基于網(wǎng)絡(luò)的授時源，它通過CPRI鏈路將時間從BBU中的PTP從站傳輸?shù)綗o線電集群

第3階段：GPS源基于網(wǎng)絡(luò)的授時服務(wù)，無線電集群聚集點中的PTP最高級時鐘，適合以太網(wǎng)授時應(yīng)用

與4G相比，5G將需要無線電密集化以及額外的低頻和高頻，這兩者都依賴更精心設(shè)計的授時，以避免增加無線電之間的同信道干擾。同時，BBU被分解為兩個組件功能，即分布式單元和集中式單元，在將基于CPRI的授時方式轉(zhuǎn)移到無線電內(nèi)的通過以太網(wǎng)的PTP方式后，它們都可以虛擬化。這將推動授時架構(gòu)發(fā)生巨大變化：GPS將必須移動到無線電集群的聚合點，而PTP將在整個網(wǎng)絡(luò)中無處不在。這類架構(gòu)將需要在網(wǎng)絡(luò)中更深入地部署穩(wěn)健而彈性的GPS和更多PTP，以便為5G無線電單元（RU）提供授時，并為GPS時鐘提供系統(tǒng)備份和保護(hù)。

毫無疑問，5G服務(wù)將越來越依賴對PTP的設(shè)計，這樣才能確保在整個網(wǎng)絡(luò)中提供彈性和確定性的授時。隨著開放式RAN架構(gòu)不斷發(fā)展并被5G部署所采用，5G無線電中將不再使用PTP授時流，且不再要求DU成為5G無線電的最高級時鐘授時鏈的一部分。具體如下圖C所示。

圖C. 此圖描繪了一個PTP最高級時鐘，它使用PTP協(xié)議直接向5G無線電中的PTP從站傳輸時間

總結(jié)

5G引入了一些重大變化，這些變化幾乎涵蓋了移動無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的各個方面，包括所使用的RF頻率、無線電I/Q數(shù)據(jù)的傳輸、傳輸架構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)的同步方式。在3G和4G系統(tǒng)中對GPS的依賴正轉(zhuǎn)向PTP，其原因包括存在新的安全性和可靠性問題，需要在沒有衛(wèi)星系統(tǒng)視距的情況下極為嚴(yán)格保證的5G無線電授時，以及運營商傾向于保證關(guān)鍵授時服務(wù)的相位對齊和控制。

更具確定性和更嚴(yán)格的授時能夠為永遠(yuǎn)在線且無處不在的寬帶服務(wù)提供支持，而這將成為5G網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)志。