5G網(wǎng)絡(luò)的時序設(shè)計和管理同步方式

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

如要在整個蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)具有成本效益、可靠性和安全性的授時，所需的基礎(chǔ)設(shè)施需要適當?shù)募軜?gòu)、設(shè)計和管理。5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時間精度要求更高，需要可靠且穩(wěn)健的授時架構(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)展到使用時分雙工（TDD），不僅出現(xiàn)了頻率方面的需求，同時還產(chǎn)生了對精確相位和時間同步的需求。運營商在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精確時間協(xié)議（PTP）的組合，以在整個網(wǎng)絡(luò)中提供準確的頻率、相位和時間。

第三代合作伙伴計劃（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)，使運營商能夠在整個網(wǎng)絡(luò)中提升效率并降低成本。

這種分散產(chǎn)生了增強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連接到遠程無線電頭端（RRH）的CPRI鏈路，此接口具有明顯的優(yōu)勢。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實現(xiàn)與RU的同步。

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

授時標準

我們采取了各種授時建議措施，以便使每個網(wǎng)絡(luò)元素都能滿足特定的頻率、相位和時間要求，確保端到端網(wǎng)絡(luò)正常運行。對于TDD蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)，3GPP的定義將不同基站之間時間同步的基本同步服務(wù)要求設(shè)定為3 μs。國際電信聯(lián)盟電信標準化部門（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和終端應(yīng)用之間的最大絕對時間誤差（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，這使運營商難以承擔安裝和維護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，增強型主參考時鐘（ePRTC）的定義由此應(yīng)運而生。ePRTC可通過GNSS或可追溯到UTC的其他網(wǎng)絡(luò)標準時間源發(fā)起授時。獲取時間后，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)定的時間參考。使用自主原子時間參考可提供一定程度的抗干擾能力，并在最長14天內(nèi)提供穩(wěn)定的保持功能。ePRTC的時間精度為UTC ± 30 ns，與以前的PRTC規(guī)定的± 100 ns精度相比，改進十分明顯。這種精度提升充分滿足了5G NR的嚴苛網(wǎng)絡(luò)要求。

電信邊界時鐘（T-BC）和目標時鐘（T-TSC）是確保網(wǎng)絡(luò)精確傳輸時間的其他重要元素。T-BC通常位于交換機或路由器中，負責從上游鏈路恢復(fù)時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，可帶來多項精度和成本優(yōu)化方面的優(yōu)勢。SyncE參考的精度高于本地振蕩器，能夠驅(qū)動PTP引擎。這樣，PTP引擎便可濾除大量的數(shù)據(jù)包延時變化（PDV），從而提高整體相位精度。

基本時間精度要求

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

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

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

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

此外，根據(jù)分類級別為每個T-BC分配一個cTE限值。非對稱網(wǎng)絡(luò)鏈路和終端應(yīng)用各自也會收到分配的最大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。

高級時間精度要求

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、載波聚合或大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO））具有更嚴格的時間誤差限制。圖2顯示了相對時間誤差的概念，其中描述了終端應(yīng)用的時間誤差，該應(yīng)用可追溯到無線電集群的最后一個公共點。NR部署所需的高級時間精度要求將集群內(nèi)允許的相對時間對齊誤差（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時鐘類，ITU-T已確定其支持這些更嚴格的限制。G.8372.2 C類和新出現(xiàn)的D類要求進一步限制了每個元素可以引入的允許TE。每個C類和D類元素都需要支持G.8262.1中定義的增強型以太網(wǎng)設(shè)備時鐘（eEEC）標準。

時序設(shè)計

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

對于SyncE支持，有一個或多個恢復(fù)時鐘連接到對各種輸入?yún)⒖歼M行認證和管理的系統(tǒng)同步器。同步器將選擇一個恢復(fù)時鐘作為主時鐘，SyncE PLL會在將時鐘重新分配到出口節(jié)點之前對其進行濾波。如果需要支持增強型以太網(wǎng)電子時鐘（eEEC），如G.8262.1中的定義，則務(wù)必確保在信號丟失（LOS）條件下可以快速抑制SyncE恢復(fù)時鐘。這確?？梢詽M足G.8262.1的短期和長期相位瞬態(tài)限制。

圖3. 5G網(wǎng)絡(luò)時序依賴于交換芯片和同步器。

PTP的正確實現(xiàn)需要準確的時間戳功能和專用軟件，以正常保持精確的時間同步。為了盡量減少延時，時間戳單元應(yīng)盡可能靠近盒子的邊緣。對于B類設(shè)備，具有10 ns精度的時間戳單元足以滿足要求。要滿足C類時鐘要求，時間戳單元的精度應(yīng)達到4 ns或更高。需要一個PTP軟件協(xié)議棧，最重要的是需要一種穩(wěn)健的時間算法來處理PTP數(shù)據(jù)包通信和時間戳，并對系統(tǒng)同步器內(nèi)部的時間PLL進行頻率和相位調(diào)整。時間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時提供基礎(chǔ)頻率，并確保在網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下穩(wěn)定運行。并非所有用例都需要強大的保持功能，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)計注意事項

設(shè)計需滿足C類和D類要求的系統(tǒng)中的時序架構(gòu)時應(yīng)十分小心。除了提高時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)用校準技術(shù)來正確管理給定設(shè)計中的cTE和dTE。隨著工程師努力盡可能降低設(shè)備引入的時間誤差，提供片上或系統(tǒng)內(nèi)校準功能正變得愈加普遍且十分必要。在選擇元件時，需要考慮識別由于工藝、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、時間戳單元或授時路徑中的其他器件引入的延時，并且如果可能，在電路板和/或系統(tǒng)級使用校準技術(shù)來糾正這些延時。對于通過緩沖器和其他器件的輸入到輸出傳輸延時，可以通過提供返回系統(tǒng)同步器的反饋路徑進行分配，以實現(xiàn)動態(tài)延時校準。由于高級時間精度限制引入的相對時間誤差要求，僅關(guān)注盒子的輸入到輸出延時已無法再滿足需求。應(yīng)當注意系統(tǒng)內(nèi)每個PPS輸出的輸出到輸出對齊。此外，對于機架設(shè)備，每個輸出的線路卡PLL帶寬應(yīng)該相同或設(shè)置得盡可能高，以確保設(shè)備盡可能對所有輸出的任何相位變化進行相同的處理。

同步器、時間戳PHY和交換機可以補償電路板設(shè)計中已知的固有延時。從電路板級別來看，靜態(tài)校準技術(shù)可以按輸出或按端口補償板間延時和傳輸延時。同步器可為GNSS或G.703 1PPS接口提供按輸入的板間延時和緩沖器補償、皮秒相位調(diào)整分辨率、按輸出的板間延時補償以及按輸入或按輸出的線纜延時補償。此外，高級時間戳器件可按端口提供具有皮秒分辨率的時間戳校準。這些功能有助于靈活地測量和校正系統(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)備的全新更高時間精度標準，必須仔細規(guī)劃時序架構(gòu)。

審核編輯 黃宇