5G組網(wǎng)與地面衛(wèi)星同步授時(shí)領(lǐng)域探究

摘? 要：5G網(wǎng)絡(luò)與4G相比，在峰值速率、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、系統(tǒng)容量等性能指標(biāo)方面將出現(xiàn)大幅度提升，由此對系統(tǒng)的時(shí)間同步提出了新的要求。通過地面衛(wèi)星組網(wǎng)，為5G網(wǎng)絡(luò)提供衛(wèi)星校時(shí)系統(tǒng)，本文分析單頻授時(shí)技術(shù)、雙頻授時(shí)技術(shù)、衛(wèi)星共視技術(shù)的優(yōu)劣。

關(guān)鍵詞：5G時(shí)間同步;地面衛(wèi)星;授時(shí)系統(tǒng)

中圖分類號：TN927+.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）24-0060-03

Abstract：Compared with 4G，5G network will be greatly improved in peak rate，network delay，system capacity and other performance indicators，which puts forward new requirements for system time synchronization. Through the ground satellite network，the satellite timing system is provided for 5G network，and in this paper the advantages and disadvantages of single frequency timing technology，dual frequency timing technology and satellite common view technology are analyzed.

Keywords：5G time synchronization;ground satellite;time dissemination system

1? 5G同步需求

5G網(wǎng)絡(luò)（5G Network）是第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，其峰值理論傳輸速度可達(dá)每8秒1GB，比4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度快10倍以上。與4G相比，5G在峰值速率、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、系統(tǒng)容量等性能指標(biāo)方面將出現(xiàn)大幅度提升，由此對系統(tǒng)的時(shí)間同步提出了新的要求。

5G時(shí)鐘同步包括頻率信號同步和時(shí)間信息同步，頻率同步只要調(diào)整時(shí)鐘信號與時(shí)鐘源頻率相同，不需要相位同步。時(shí)間同步要求各設(shè)備之間的時(shí)刻信息相同，維持時(shí)間同步比維持頻率同步的難度要大，在要求頻率同步的同時(shí)還要維持相位同步，不允許相位累計(jì)，時(shí)刻保持頻率和相位同步。

在5G時(shí)間同步方面，ITU已經(jīng)制定了新的標(biāo)準(zhǔn)。例如，核心網(wǎng)的時(shí)間服務(wù)器指標(biāo)誤差過去是±100ns，現(xiàn)在縮減到了±40ns。

只有保證基站間嚴(yán)格的時(shí)間同步，5G網(wǎng)絡(luò)才能順利地承載大量的行業(yè)應(yīng)用，確保用戶感知。特別的是，在協(xié)同工作、測距定位、時(shí)延測量、精準(zhǔn)控制等部分領(lǐng)域的垂直行業(yè)，5G應(yīng)用需通過基本同步及協(xié)同增強(qiáng)同步獲得更高精度的同步。

在同步網(wǎng)的建設(shè)過程中，需要考慮網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的后向兼容性，保證面向5G需求的時(shí)間同步網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)平滑演進(jìn)。5G同步網(wǎng)作為重要的通信基礎(chǔ)設(shè)施，不僅需要進(jìn)一步完善同步網(wǎng)的架構(gòu)，提高同步網(wǎng)的時(shí)間精度、安全性、可靠性和健壯性，而且需要提升同步網(wǎng)的可服務(wù)性和易用性。面向高精度的時(shí)間同步解決方案的初步意向主要集中在提升PRTC、承載網(wǎng)、基站的時(shí)間同步精度，同時(shí)減少組網(wǎng)的跳數(shù)。在基準(zhǔn)源方面，在傳統(tǒng)多制式衛(wèi)星（GPS/北斗/GLONASS）參考源的基礎(chǔ)上，增加國家高精度地基授時(shí)系統(tǒng)的專用光纖網(wǎng)絡(luò)參考源，實(shí)現(xiàn)對天上衛(wèi)星失效的可靠備份。通過建立基于光纖的地面時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)，為基站提供空中和地面一主一備的兩路時(shí)間同步信號是業(yè)界認(rèn)同的最佳方案。此外，利用高精度地基授時(shí)系統(tǒng)的專用光纖網(wǎng)絡(luò)提供的參考源，還可以對5G同步網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的性能監(jiān)測。在組網(wǎng)架構(gòu)方面，采用共視法和高精度地基授時(shí)系統(tǒng)專用光纖網(wǎng)絡(luò)參考源，可以實(shí)現(xiàn)真正的全網(wǎng)同步，從而為5G網(wǎng)絡(luò)提供一張安全可靠、自主可控的高精度時(shí)間同步支撐網(wǎng)。

2? 5G地面衛(wèi)星組網(wǎng)

在4G時(shí)代，為了實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)同步的需求，衛(wèi)星接收機(jī)作為標(biāo)配在基站中內(nèi)置實(shí)現(xiàn)基站同步。相比之下，5G同步具有鮮明特點(diǎn)：同步精度高、應(yīng)用場景復(fù)雜、安全可靠性要求嚴(yán)格、成本更敏感。

基于高精度時(shí)間協(xié)議（PTP/1588）組網(wǎng)是5G高精度時(shí)間同步的最主要實(shí)現(xiàn)方案;

高精度同步源頭PRTC/ePRTC通常同時(shí)實(shí)現(xiàn)祖時(shí)鐘（GM）功能，時(shí)間精度應(yīng)優(yōu)于±30ns，滿足ITU-TG.8272.1標(biāo)準(zhǔn)的要求;

采用高精度同步傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度同步承載。傳輸設(shè)備單節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步精度應(yīng)優(yōu)于一定的限值（例如，ITU-TG.8273.2規(guī)定類型C和類型D的T-BC的時(shí)間誤差在10ns量級甚至更?。?

一般通過實(shí)現(xiàn)相對于UTC的絕對時(shí)間精度來滿足無線側(cè)的相對時(shí)間精度要求。為了滿足兩個(gè)AAU的無線空口參考點(diǎn)E之間的相對誤差（如3us），要求每個(gè)AAU無線空口輸出相對于UTC的絕對時(shí)間誤差滿足一定的限值即可（如±1.5us）。

單頻授時(shí)技術(shù)、雙頻授時(shí)技術(shù)、衛(wèi)星共視技術(shù)的授時(shí)技術(shù)比較，如表1所示。

衛(wèi)星授時(shí)的精度取決于衛(wèi)星系統(tǒng)、大氣層、接收系統(tǒng)、本地鐘源、鎖相環(huán)和分發(fā)接口等多個(gè)要素，其中衛(wèi)星接收部分對精度的影響比重最大，提升衛(wèi)星接收部分的精度成為5G時(shí)間服務(wù)器精度提升的關(guān)鍵技術(shù)。

衛(wèi)星單向授時(shí)是目前傳統(tǒng)的也是應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星授時(shí)方案。其成本較低，可獨(dú)立部署應(yīng)用，但無法解決性能監(jiān)測問題，精度無法滿足高精度源頭設(shè)備（如ePRTC）的要求。

雙頻接收機(jī)是相對于單頻接收機(jī)而言的，雙頻接收機(jī)可同時(shí)接收GPS的L1、L2或者北斗的B1、B2載波信號，利用雙頻載波信號受電離層延遲影響的差異性，可以有效消除電離層對電磁波信號的延遲影響，從而提升衛(wèi)星授時(shí)精度。

雙頻修正電離層延時(shí)方法在業(yè)界已經(jīng)成熟應(yīng)用，只要時(shí)間服務(wù)器采用相應(yīng)的衛(wèi)星天線和衛(wèi)星接收機(jī)，可以獨(dú)立部署，精度上一般可以做到±30ns。衛(wèi)星雙頻技術(shù)能夠滿足高精度源頭設(shè)備性能要求，可以獨(dú)立部署應(yīng)用，可作為高精度時(shí)間服務(wù)器實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

衛(wèi)星共視法利用了衛(wèi)星到兩站路徑中誤差的相關(guān)性，通過相減來抵消共同誤差的影響。衛(wèi)星共視不僅類似于雙頻消除了大部分路徑延遲的影響（比如電離層延遲），同時(shí)還完全抵消了星載鐘的影響，提高了兩地相對鐘差的精度，從而達(dá)到高精度時(shí)間比對，衛(wèi)星共視法比對精度可達(dá)10ns。衛(wèi)星共視技術(shù)比較成熟，性能較好，但無法獨(dú)立部署應(yīng)用，需主從站配合使用，并配置數(shù)據(jù)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

基于現(xiàn)有1588v2優(yōu)化能夠?qū)崿F(xiàn)高精度同步傳輸，打戳位置盡量靠近物理接口，盡量減少光模塊內(nèi)部的半靜態(tài)延時(shí)誤差和動(dòng)態(tài)延時(shí)誤差;提升打戳精度，提升打戳采樣時(shí)鐘的頻率，或者采用其他方法提升打戳分辨率;改進(jìn)同步算法，提升系統(tǒng)RTC同步精度;加強(qiáng)模塊間協(xié)同，提升系統(tǒng)內(nèi)部RTC之間（如接口卡和時(shí)鐘卡）同步對齊精度;選取優(yōu)質(zhì)品振，提高本地時(shí)鐘的穩(wěn)定度。提升時(shí)間同步和頻率同步的動(dòng)態(tài)性能和保持性能。

3? 中國地面衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)

眾所周知，衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)作為國家重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，可以提供精確定位和精準(zhǔn)授時(shí)功能。無論是對于國防，還是社會生產(chǎn)、日常生活，都具有極其重要的戰(zhàn)略意義。也是一個(gè)國家自主和安全的保障基礎(chǔ)。

中國的北斗導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)總體上可以分成三代：

第一代，部署時(shí)間：2000年10月～12月。2+2（備用）顆衛(wèi)星，屬于有源區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其服務(wù)范圍為國內(nèi);定位精度為20米;授時(shí)精度為100納秒。

第二代，部署時(shí)間：2007年至2012年。由14顆北斗二號（5顆靜止軌道導(dǎo)航衛(wèi)星+5顆傾斜地球同步軌道導(dǎo)航衛(wèi)星+4顆中圓地球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星）組成，屬于無源與有源相結(jié)合的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其服務(wù)范圍為亞太地區(qū);定位精度為10米;測速精度為0.2米/秒;授時(shí)精度為50納秒。

第三代，部署時(shí)間：2017年至2020年，將先后發(fā)射35顆北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星（5顆靜止軌道衛(wèi)星+3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星+27顆中圓軌道衛(wèi)星），屬于無源與有源相結(jié)合的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其服務(wù)范圍為全球;定位精度為2.5至5米;測速精度為0.2米/秒;授時(shí)精度為20納秒。屆時(shí)，“北斗”的定位和授時(shí)精度將與美國GPS媲美，甚至更優(yōu)。

另外，我國的北斗三代系統(tǒng)還有一些美國GPS、俄羅斯GLONASS和歐洲Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)不具備的性能和特點(diǎn)，如通信和短報(bào)文能力、星間鏈路能力、高精度氫原子鐘（時(shí)鐘穩(wěn)定度提高了10倍）、雙向授時(shí)、衛(wèi)星自主導(dǎo)航、三種軌道衛(wèi)星組合等。星間鏈路是“北斗”實(shí)現(xiàn)自主高精度校時(shí)的關(guān)鍵，35顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星可以通過星間鏈路相互校準(zhǔn)，保障整個(gè)星座可靠運(yùn)營，不中斷精準(zhǔn)定位和授時(shí)服務(wù)，這等于為北斗系統(tǒng)的全天候、全天時(shí)、高可靠、高精度多上了一道保險(xiǎn)。另外，北斗特有的雙向授時(shí)功能，能大幅提升授時(shí)精度，在一些特殊場合更是能發(fā)揮關(guān)鍵的作用。

近年來4G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模建設(shè)，因歷史原因，絕大多數(shù)的基站目前都依靠GPS進(jìn)行授時(shí)。可想而知，一個(gè)完全依賴美國GPS的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，其安全和可靠性是存在較大的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性的。

作為新一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，作為國家和社會至關(guān)重要的高速、高效的基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)，其自主性和安全性不言而喻。單從網(wǎng)絡(luò)同步、基站授時(shí)這個(gè)方面來看，采用北斗系統(tǒng)或者北斗/GPS雙模替代單一GPS系統(tǒng)，需要盡早提上日程并付諸實(shí)施，在今后的5G擴(kuò)大規(guī)模試驗(yàn)、發(fā)改委5G示范城市項(xiàng)目，乃至2020年全面商用中，需要堅(jiān)定地落實(shí)和推進(jìn)應(yīng)用。

4? 結(jié)? 論

未來高精度的時(shí)間同步將成為5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)功能和5G服務(wù)的使能開關(guān)。時(shí)鐘同步將變成一種增值服務(wù)，為5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供廣闊的市場機(jī)會。

面向5G的同步需求特性明確，既有與4G相同的微秒量級基本同步需求，也有5G協(xié)同增強(qiáng)提出的百納秒級同步需求，還有以定位需求為代表的納秒級同步要求，以及解決衛(wèi)星覆蓋盲點(diǎn)，提升安全可靠性，節(jié)約建設(shè)和運(yùn)維成本等問題，研究建設(shè)自主可控、安全可靠的高精度時(shí)間同步網(wǎng)，是大勢所趨、非常必要。

通過5G高精度同步組網(wǎng)，可滿足5G系統(tǒng)多種業(yè)務(wù)的同步需求，解決5G網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜部署場景同步問題，實(shí)現(xiàn)天地互備，避免完全依賴衛(wèi)星授時(shí)帶來的安全隱患，進(jìn)一步提升5G應(yīng)用的安全可靠性。

從組網(wǎng)方案來看，高精度時(shí)間同步通用組網(wǎng)模型給出了端到端的參考點(diǎn)位置和相關(guān)要求，是后續(xù)5G時(shí)間同步網(wǎng)具體組網(wǎng)方案的基本模型。

從源頭技術(shù)來看，衛(wèi)星單頻單向授時(shí)性能上無法滿足高精度同步需求，當(dāng)前雙頻技術(shù)更適合于高精度時(shí)間同步網(wǎng)的建設(shè)部署，共視技術(shù)可用于網(wǎng)絡(luò)同步性能集中監(jiān)控和高精度測試儀表的實(shí)現(xiàn)手段。

從同步傳輸技術(shù)來看，1588v2技術(shù)目前仍是高精度同步的基本傳輸技術(shù)，可以進(jìn)一步對其進(jìn)行改良及增強(qiáng)以滿足多場景高精度同步傳送需求。從高精度同步監(jiān)測技術(shù)來看，存在基于衛(wèi)星信號的絕對監(jiān)測和基于設(shè)備自身功能的相對監(jiān)測等方式，可根據(jù)業(yè)務(wù)要求、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、成本預(yù)算等因素進(jìn)行選擇。

隨著5G系統(tǒng)商用化不斷推進(jìn)，作為基礎(chǔ)支撐網(wǎng)絡(luò)，我國需進(jìn)一步加速推動(dòng)5G同步研究及方案部署，結(jié)合運(yùn)營商5G承載技術(shù)及組網(wǎng)架構(gòu)，繼續(xù)研究5G同步具體組網(wǎng)技術(shù)方案、5G同步網(wǎng)演進(jìn)策略、高精度同步測試技術(shù)等內(nèi)容，推動(dòng)制定和完善5G高精度同步方案，全力支撐5G系統(tǒng)商用部署。

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作者簡介：簡書候（1983-），男，漢族，福建霞浦人，高級工程師，總裁，在職研究生，主要研究方向：紅外遙感、衛(wèi)星融合通信。