通過精確的時(shí)間架構(gòu)解決 5G 彈性挑戰(zhàn)

移動運(yùn)營商需要為他們的 5G 網(wǎng)絡(luò)提供高精度的時(shí)間和相位保護(hù)，但是當(dāng)依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 時(shí)，這很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槿驅(qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 容易受到干擾、欺騙或自然現(xiàn)象的干擾可能會導(dǎo)致它在很長一段時(shí)間內(nèi)不可用。增強(qiáng)型主參考時(shí)鐘 (ePRTC) 為移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供了一種高枕無憂的解決方案：保持提供必要的準(zhǔn)確性、可靠性和性能來解決問題。

成功部署 ePRTC 需要深入了解構(gòu)建穩(wěn)健且有彈性的架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間所需的關(guān)鍵要素，包括最適合網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商需求的時(shí)鐘和其他相關(guān)系統(tǒng)。

保持 5G 正常運(yùn)行

想象一個速度非?？斓囊苿泳W(wǎng)絡(luò)，可以快速下載視頻，并允許密集的 5G 服務(wù)在許多地方讓客戶滿意。突然，一切都被打斷了。移動服務(wù)宕機(jī)，客戶指責(zé)移動運(yùn)營商，損害運(yùn)營商聲譽(yù)，導(dǎo)致用戶流失。這很容易在 GNSS 中斷期間發(fā)生。

負(fù)責(zé)國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的移動運(yùn)營商和團(tuán)隊(duì)一直在考慮各種方法來提供 GNSS 備份或減少對整體技術(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)也主要是基于頻率的同步策略。這在業(yè)界非常了解，部署廣泛且非常有效。

隨著 5G 的出現(xiàn)，需要非常嚴(yán)格的時(shí)間和相位精度才能最大限度地利用移動運(yùn)營商一直在投資的寶貴頻譜。避免數(shù)據(jù)沖突和頻率干擾至關(guān)重要，同時(shí)還要最小化保護(hù)帶大小以增強(qiáng)和更有效地使用它們的頻譜。精確的時(shí)間使這成為可能。

這種精度水平需要時(shí)間來源，主要通過 GNSS 提供。然而，隨著 5G 的網(wǎng)絡(luò)致密化，這不再是一種選擇。無線電或基站中的 GNSS 接收器丟失需要快速停止無線電或基站的服務(wù)，以避免由于無線電或基站中缺乏高質(zhì)量的保持振蕩器而導(dǎo)致的干擾問題。這種技術(shù)考慮導(dǎo)致基站定時(shí)對 GPS 的依賴減少，并遷移到精確時(shí)間協(xié)議 (PTP) 架構(gòu)。移動運(yùn)營商需要最大限度地減少使用 GPS 的位置，同時(shí)保留非常有彈性的架構(gòu)以確保準(zhǔn)確的時(shí)間，以確保在 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。它是國際電聯(lián)電信標(biāo)準(zhǔn)化部門 (ITU-T) 為時(shí)間準(zhǔn)確性定義的幾個主要參考時(shí)鐘 (PRTC) 版本之一。

PRTC A 類可以滿足相對于協(xié)調(diào)世界時(shí) (UTC) 的 100 ns 精度要求。PRTC B 類更精確，精度為 40 ns。根據(jù) ITU-T G.8272.1 的定義，增強(qiáng)型 PRTC 具有最高的精度，為 30 ns。

ePRTC 的獨(dú)特設(shè)計(jì)使其具有最強(qiáng)的彈性，能夠使用銫時(shí)鐘作為參考保持 14 天或更長時(shí)間，同時(shí)在整個延長中斷期間保持與 UTC 的最大偏差僅為 100 ns。這是為 5G 移動運(yùn)營商部署 ePRTC 的主要優(yōu)勢。如果 GPS 出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)交付將保持無縫。這確保了修復(fù) GPS 中斷或在長時(shí)間的 GPS 不可用期間存活所需的時(shí)

鐘表及配件的重要性

ePRTC 不能孤立地工作。質(zhì)量 ePRTC 的核心原則是它通過產(chǎn)生自己獨(dú)立的自主時(shí)間尺度來生成時(shí)間。時(shí)間刻度提供時(shí)間、相位和頻率，這些時(shí)間、相位和頻率隨時(shí)間與 GNSS 信號對齊和校準(zhǔn)。使用獲得專利的測量算法，高質(zhì)量的 ePRTC 引擎可以評估和測量其自身相對于 GNSS 的自主時(shí)間尺度偏移。

ePRTC 系統(tǒng)的做法是讓時(shí)標(biāo)成為自主時(shí)間的主源，而銫鐘和 GNSS 有助于保持 ePRTC 時(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確性。

出于這個原因，理想情況下，ePRTC 應(yīng)該連接到 GPS 和原子鐘（銫，通常是為了最大限度地提高彈性，建議使用兩個銫鐘）。ePRTC 不是簡單地鎖定到一個原子鐘，而是在適當(dāng)加權(quán)的時(shí)間尺度集合中主動、無縫地鎖定到兩個時(shí)鐘。例如，如果一個原子鐘的性能下降，ePRTC 將優(yōu)雅地減輕它對輸出時(shí)間和頻率服務(wù)的影響。

這突出表明，高質(zhì)量的 ePRTC 需要具備適合集成和自主時(shí)間尺度功能的智能，同時(shí)還擅長與高質(zhì)量的原子鐘“耦合”。對于保持能力尤其如此。最高質(zhì)量的銫鐘將導(dǎo)致 ePRTC 系統(tǒng)本身的最佳保持性能。

設(shè)置和調(diào)試要求

成功構(gòu)建優(yōu)化的時(shí)間刻度系統(tǒng)包括銫鐘和 ePRTC 系統(tǒng)，并且在設(shè)置和調(diào)試時(shí)需要格外小心。ITU 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了需要進(jìn)行的調(diào)試驗(yàn)證，包括：

ePRTC 完全鎖定到輸入的參考時(shí)間信號，并且不在預(yù)熱中運(yùn)行。

參考路徑中沒有故障或設(shè)施錯誤，包括但不限于天線故障。

環(huán)境條件在設(shè)備規(guī)定的操作范圍內(nèi)。

設(shè)備已針對固定偏移量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)試和校準(zhǔn)，例如天線電纜長度、電纜放大器、接收器延遲和參考時(shí)間信號（例如，GNSS 信號在相關(guān)運(yùn)營當(dāng)局確定的限制范圍內(nèi)運(yùn)行）。

如果參考時(shí)間信號在 GNSS 等無線電系統(tǒng)上運(yùn)行，則多徑反射和來自其他本地傳輸?shù)母蓴_（如干擾）必須最小化到可接受的水平。

沒有極端的傳播異常，例如嚴(yán)重的雷暴或太陽耀斑。

時(shí)間參考是 GNSS，頻率參考是原子鐘的 1 pps/10 MHz。常見的錯誤是將 GNSS 設(shè)置為時(shí)間和頻率的最高優(yōu)先級，這將原子鐘置于經(jīng)典的備用角色，并否定了 ePRTC 的操作優(yōu)勢。

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

驗(yàn)證和測試

測試和驗(yàn)證主要分為三個階段：

21天“學(xué)習(xí)”期

14天的“保留”期

七天的“恢復(fù)”期

21天的學(xué)習(xí)期有助于以超高精度確定ePRTC時(shí)標(biāo)的UTC校準(zhǔn)校正參數(shù)和當(dāng)?shù)劁C的頻偏估計(jì)。GNSS 子系統(tǒng)報(bào)告本地時(shí)標(biāo)相對于 UTC 的連續(xù)時(shí)間誤差測量流，因此本地時(shí)標(biāo)速率可以緩慢調(diào)整。這前三周有助于驗(yàn)證 ePRTC 確實(shí)符合 ITU-T 的時(shí)間精度規(guī)范。

圖 1：21 天后——顯示符合 ITU-T G.8272.1 時(shí)間精度標(biāo)準(zhǔn)（圖片：Microchip）

在 14 天的保持期內(nèi)，GNSS 信號斷開，ePRTC 必須驗(yàn)證它可以保持 14 天的 100 ns。銫鐘越好，這個測試的性能就越好。

如圖2所示，測試的 ePRTC 將時(shí)間誤差性能限制保持在 100-ns 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，并在幾乎整個中斷期間保持 25-ns 時(shí)鐘等級。使用高性能銫原子鐘可提供比標(biāo)準(zhǔn)要求高 4 倍的保持性能。

圖 2：在針對 Microchip 的TimeProvider 4100的 ePRTC 測試中，在 14 天中斷（+1 天恢復(fù)）后，時(shí)間誤差完全在 100 納秒（42 納秒）的要求范圍內(nèi)。當(dāng) GNSS 重新連接時(shí)，它返回到零。（圖片：微芯片）

恢復(fù)期是為了驗(yàn)證在將 GNSS 重新連接到 ePRTC 單元時(shí)，一切恢復(fù)正常。目標(biāo)是驗(yàn)證正常 100% 時(shí)間尺度保護(hù)操作的成功重新收斂和重新建立，如圖 3 所示。

圖 3：時(shí)間偏差 (TDEV) 后保持期與 Maser UTC-NIST 參考與 G.8272.1 標(biāo)準(zhǔn)的比較顯示了保持后 7 天的結(jié)果（圖片：Microchip）

保持“電量計(jì)”的重要性

“電量計(jì)”特別有用，因?yàn)樗梢宰屢苿舆\(yùn)營商充分了解 ePRTC 保持功能能夠?qū)?100 納秒精度保持到 UTC 多長時(shí)間。該標(biāo)準(zhǔn)需要 14 天。

圖 4：保持電量計(jì)（就在 GNSS 天線被拉出之前）估計(jì)為 40 天（比要求的 14 天好得多）。（圖片：微芯片）

ePRTC 標(biāo)準(zhǔn)滿足 5G 對保證提供一致、高度精確的相位和時(shí)間的需求。它提供此功能的難易程度取決于作為完整解決方案一部分的正確部署，包括經(jīng)過充分驗(yàn)證、測試和調(diào)試的正確時(shí)鐘和相關(guān)系統(tǒng)。

關(guān)于作者

Eric Colard 是新興產(chǎn)品、頻率和時(shí)間系統(tǒng)的負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo) Microchip 的 TimeProvider 4100 和面向電信、公用事業(yè)和其他行業(yè)的集成 GNSS Master 解決方案的產(chǎn)品線管理。Eric 的領(lǐng)導(dǎo)包括產(chǎn)品定義、客戶互動、對外促銷和業(yè)務(wù)發(fā)展。他曾在美國和歐洲的科技公司擔(dān)任過技術(shù)和領(lǐng)導(dǎo)職務(wù)。他的職業(yè)生涯始于在阿爾卡特和 Cap Sesa Telecom 等公司擔(dān)任 X.25、幀中繼和其他協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域工程師。后來，他在 Novell、Tumbleweed、FaceTime 和 Vernier Networks 擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)、安全和其他領(lǐng)域的連續(xù)產(chǎn)品管理和業(yè)務(wù)開發(fā)領(lǐng)導(dǎo)職務(wù)。隨著行業(yè)的快速發(fā)展，Eric 越來越多地涉足無線數(shù)據(jù)壓縮和 TCP/IP 優(yōu)化。2007 年，他加入 Symmetricom 并與合作伙伴阿爾卡特朗訊、愛立信、諾基亞西門子和思科一起設(shè)計(jì)和構(gòu)建了 SyncWorld 生態(tài)系統(tǒng)。通過收購，Symmetricom 成為 Microsemi 的一部分，而后者現(xiàn)在是 Microchip 的一部分。

他擁有法國巴黎國立高等電信學(xué)院（現(xiàn)為巴黎科技電信）的計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)士學(xué)位和理學(xué)碩士學(xué)位。他是城域以太網(wǎng)論壇 (MEF)、開放計(jì)算、電信基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目和小蜂窩論壇的成員。他因在 Small Cell Forum 對行業(yè)做出的貢獻(xiàn)而獲獎。

審核編輯 黃昊宇