5G網(wǎng)絡(luò)C-RAN機(jī)房時(shí)鐘同步解決方案初探

宗春

中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

2019年6月6日，工信部正式向中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通以及中國(guó)廣電發(fā)布了4張5G商用牌照。

“4G改變生活，5G改變社會(huì)”，全社會(huì)對(duì)5G充滿了期待，5G網(wǎng)絡(luò)可以滿足大帶寬（eMBB）、低功耗大連接（mMTC）、低時(shí)延高可靠（uRLLC）三大場(chǎng)景應(yīng)用需求，將極大程度地滿足物聯(lián)網(wǎng)、AI（人工智能）、VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）、車聯(lián)網(wǎng)（V2X）等前沿科技的實(shí)現(xiàn)。

5G相比4G網(wǎng)絡(luò)將提供20倍的小區(qū)容量、10倍的用戶體驗(yàn)速率、10分之一的空口時(shí)延。具體來(lái)說(shuō)，5G控制面時(shí)延要求為10ms，eMBB用戶面時(shí)延要求為4ms，uRLLC用戶面時(shí)延要求僅為0.5ms。高速率、低時(shí)延對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的同步提出了更精準(zhǔn)更高效的要求。

C-RAN（Centralized、Collaborative、Cloud-Radio Acess Network，集中化、協(xié)作化、云化無(wú)線接入網(wǎng)）架構(gòu)2009年第三代移動(dòng)通信時(shí)就由中國(guó)移動(dòng)提出來(lái)了，當(dāng)時(shí)主要為滿足載波忙閑調(diào)度，提升網(wǎng)絡(luò)利用率，節(jié)能減排。到了5G（The Fifth Generation，第五代）網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，C-RAN架構(gòu)真正被應(yīng)用，電源、傳輸?shù)扰涮踪Y源保障成為關(guān)注重點(diǎn)，同時(shí)，由于C-RAN機(jī)房物理位置的局限，5G基站系統(tǒng)時(shí)鐘同步部署的便捷性、可實(shí)現(xiàn)性也成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。

1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4G 網(wǎng)絡(luò)的基站分為基帶處理單元BBU （部署在機(jī)房?jī)?nèi)）、射頻處理單元RRU （上塔或天面安裝）、天線三部分。

5G 網(wǎng)絡(luò)的基站將BBU分離為實(shí)現(xiàn)PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）層及以上的無(wú)線協(xié)議功能的CU（基站集中單元）、實(shí)現(xiàn)PDCP 以下的無(wú)線協(xié)議功能的DU（基站分布單元），將RRU和天線合二為一組成AAU（基站射頻天線單元），形成了CU+DU+AAU 的全新無(wú)線網(wǎng)架構(gòu)。CU和DU可以分離，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)DU的集中化管理，降低成本；亦可以和DU 合設(shè)，實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧全部功能，降低時(shí)延，滿足特殊場(chǎng)景需求。

5G承載網(wǎng)總體架構(gòu)如圖1所示：

圖1 5G承載網(wǎng)總體架構(gòu)

上圖中各元素含義如下：

gNB：5G基站；

5G CN：5G核心網(wǎng)；

MEC：移動(dòng)邊緣計(jì)算；

CU：基站集中單元；

DU：基站分布單元；

AAU：基站射頻天線單元。

5G承載網(wǎng)由以下三部分構(gòu)成：

（1）前傳（Fronthaul：AAU-DU）：傳遞無(wú)線側(cè)AAU和DU間的數(shù)據(jù)；

（2）中傳（Middlehaul：DU-CU）：傳遞無(wú)線側(cè)DU和CU間的數(shù)據(jù)；

（3）回傳（Backhaul：CU-核心網(wǎng)）：傳遞無(wú)線側(cè)CU和核心網(wǎng)網(wǎng)元間的數(shù)據(jù)。

為節(jié)省大量的基站機(jī)房電源、空調(diào)等配套成本，5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將CU+DU資源集中化，中國(guó)移動(dòng)提出了C-RAN解決方案，同時(shí)為后續(xù)滿足移動(dòng)邊緣計(jì)算應(yīng)用的需要奠定了基礎(chǔ)。

2 C-RAN機(jī)房

C-RAN契合了5G網(wǎng)絡(luò)CU+DU分級(jí)集中部署、AAU光纖拉遠(yuǎn)接入的要求，該解決方案與接入網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)區(qū)劃分、網(wǎng)格化劃分相結(jié)合，利舊部分匯聚機(jī)房和綜合接入機(jī)房，大量減少了無(wú)線機(jī)房的需求，既降低了無(wú)線基站建設(shè)難度，又節(jié)省了機(jī)房投資成本和維護(hù)成本，同時(shí)有利于提升無(wú)線載波利用率以及抗干擾能力。

D-RAN區(qū)域根據(jù)光纖資源、網(wǎng)絡(luò)安全、蓄電池備電時(shí)長(zhǎng)、投資平衡等限制條件，城市各區(qū)域一般可按如下規(guī)模進(jìn)行CU+DU集中，如表1所示。

表1 分場(chǎng)景C-RAN區(qū)域CU+DU規(guī)模表

考慮5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期CU+DU均為合設(shè)，如18個(gè)CU+DU集中于同一個(gè)C-RAN機(jī)房，根據(jù)常規(guī)方案需要18路時(shí)鐘同步信號(hào)。

C-RAN機(jī)房利舊的匯聚機(jī)房和綜合接入機(jī)房大多僅為傳輸專業(yè)使用，部分位于建筑物底層和中層，多個(gè)GPS/北斗天線安裝和饋線敷設(shè)難以實(shí)現(xiàn)。

3 5G網(wǎng)絡(luò)C-RAN機(jī)房時(shí)鐘解決方案

針對(duì)多個(gè)GPS/北斗天線安裝和饋線敷設(shè)困難的問(wèn)題，結(jié)合理論研究和工程實(shí)踐，研究?jī)煞N5G網(wǎng)絡(luò)C-RAN機(jī)房時(shí)鐘解決方案，具體闡釋如下。

3.1 GPS/北斗天線信號(hào)分路時(shí)鐘同步方案

GPS/北斗天線以衛(wèi)星星載原子鐘作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，無(wú)累積誤差，是首選的高精度對(duì)時(shí)設(shè)備。如表2所示。

表2 GPS/北斗天線基礎(chǔ)參數(shù)

C-RAN機(jī)房同時(shí)安裝兩個(gè)或多個(gè)GPS/北斗天線時(shí)，因饋線的雙重敷設(shè)、且兩個(gè)或多個(gè)GPS/北斗天線安裝時(shí)要保持2米以上的間距，綜合施工難度較單個(gè)GPS/北斗天線安裝和饋線敷設(shè)增加50%以上。

安裝1個(gè)GPS/北斗天線分成多路信號(hào)供多個(gè)CU+DU時(shí)鐘同步使用，主要考慮天線安裝位置是否符合要求、饋線敷設(shè)路由、饋線長(zhǎng)度損耗、增加分路器之后的時(shí)鐘同步信號(hào)損耗等問(wèn)題。

（1）天線安裝位置是否符合要求

安裝位置要求在天面塔桅、女兒墻或者走線架等較空曠位置；安裝位置要求位于避雷針頂點(diǎn)下傾45度保護(hù)范圍內(nèi)；安裝位置要求上方90度范圍內(nèi)無(wú)建筑物遮擋；安裝位置要求距離周圍尺寸大于20厘米的金屬物體的距離大于等于2米；兩個(gè)或多個(gè)GPS/北斗天線安裝時(shí)要保持 2米以上的間距，避免同時(shí)受到干擾。

（2）饋線敷設(shè)路由

GPS/北斗天線饋線室內(nèi)沿平層走線架、槽道、弱電井敷設(shè)至天面，或穿越饋線窗后沿室外墻爬梯敷設(shè)至天面。當(dāng)機(jī)房位于建筑物低層時(shí)，存在著饋線過(guò)長(zhǎng)，敷設(shè)困難等問(wèn)題。

（3）GPS/北斗天線接收信號(hào)傳播損耗計(jì)算

GPS/北斗天線接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)饋線和無(wú)源器件傳播損耗后，信號(hào)強(qiáng)度需要滿足基站時(shí)鐘同步的需求。

GPS/北斗天線接收信號(hào)傳播路徑如圖2所示：

圖2 GPS/北斗天線接收信號(hào)傳播路徑圖

信號(hào)經(jīng)饋線和無(wú)源器件的損耗如表3所示。

表3 饋線和無(wú)源器件損耗表

基站時(shí)鐘信號(hào)功率PB=PR+PA-PL-PN

上述公式中：

PB：基站時(shí)鐘信號(hào)功率要求大于-135dBm。

PA：GPS/北斗天線增益，一般為5dBi。

PR：GPS/北斗天線接收的信號(hào)，根據(jù)GPS/北斗天線射頻靈敏度要求，一般可設(shè)為-127.6dBm。

PL：饋線傳輸損耗。

PN：無(wú)源器件傳輸損耗。

根據(jù)上述公式可知，GPS/北斗天線接收信號(hào)傳播路徑衰耗最大為12.4dB。進(jìn)而可以計(jì)算出典型條件下的線纜附屬長(zhǎng)度范圍。如表4所示。

表4 典型條件下的線纜附屬長(zhǎng)度范圍表

從上表可知，在滿足安裝位置要求的情況下，GPS/北斗天線饋線應(yīng)盡量短，以降低線纜對(duì)信號(hào)的衰減，在不使用分路器時(shí)，一般0～70米線長(zhǎng)可以采用1/4饋線；70～110米線長(zhǎng)需要更換1/2饋線；超過(guò)110米線長(zhǎng)，可以更換衰耗更小的7/8饋線，線纜最長(zhǎng)不超過(guò)200米；如果使用功分器，則饋線敷設(shè)距離相應(yīng)縮短，或者增加放大器。

綜上GPS/北斗天線安裝使用注意事項(xiàng)，在滿足GPS/北斗天線接收信號(hào)傳播路徑衰耗最大的條件下，可以采用GPS/北斗天線信號(hào)分路時(shí)鐘同步方案，以分路器+放大器的方式滿足GPS/北斗信號(hào)分路的要求；也可以將無(wú)分路器、放大器組合封裝，定制時(shí)鐘同步多路分配系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一路GPS/北斗天線信號(hào)輸入，多路GPS/北斗天線信號(hào)輸出，供多臺(tái)基站設(shè)備共享使用。

3.2 協(xié)議時(shí)鐘同步方案

因GPS/北斗天線信號(hào)分路時(shí)鐘同步方案受限于硬件安裝條件、饋線損耗等問(wèn)題，可以研究通過(guò)協(xié)議時(shí)鐘同步方案。

以太網(wǎng)組網(wǎng)時(shí)，為解決各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間時(shí)鐘同步能力不足的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種軟件方式的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議（NTP）。該網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議的同步精度可以達(dá)到微秒級(jí)，但是無(wú)法滿足5G網(wǎng)路時(shí)鐘同步所需的精度要求。

為了解決上述問(wèn)題，IEEE1588協(xié)議誕生了。IEEE1588協(xié)議指“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”，是提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)定時(shí)同步能力的規(guī)范，使通信網(wǎng)絡(luò)能夠具有嚴(yán)格的定時(shí)同步，也可以應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。IEEE1588協(xié)議通過(guò)軟件和硬件結(jié)合的方式將分級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的下級(jí)時(shí)鐘與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步，提供同步建立時(shí)間小于10μs的應(yīng)用。IEEE1588協(xié)議采用時(shí)間分布機(jī)制和時(shí)間調(diào)度概念，下級(jí)時(shí)鐘通過(guò)軟件調(diào)度與主時(shí)鐘保持同步，過(guò)程簡(jiǎn)單可靠。IEEE1588協(xié)議現(xiàn)已發(fā)展到v2版本。

IEEE1588v2協(xié)議對(duì)IEEE1588協(xié)議進(jìn)行了完善，提高了同步的精度；引入透明時(shí)鐘TC模式，包括E2E透明時(shí)鐘和P2P透明時(shí)鐘，計(jì)算中間網(wǎng)絡(luò)設(shè)備引入的駐留時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)下級(jí)時(shí)鐘和主時(shí)鐘的精確時(shí)間同步，并新增端口間延時(shí)測(cè)量機(jī)制等，通過(guò)非對(duì)稱校正減少了大型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械姆e聚錯(cuò)誤。

IEEE1588v2協(xié)議在時(shí)鐘的同步過(guò)程中，主時(shí)鐘周期性發(fā)布PTP時(shí)間同步協(xié)議及時(shí)間信息，下級(jí)時(shí)鐘端口接收主時(shí)鐘端口發(fā)來(lái)的時(shí)間戳信息，系統(tǒng)計(jì)算出下級(jí)時(shí)鐘和主時(shí)鐘之間線路時(shí)間延遲及時(shí)間差，并利用該時(shí)間差調(diào)整本地時(shí)間，使從下級(jí)設(shè)備時(shí)間保持與上級(jí)設(shè)備時(shí)間一致的頻率與相位。

3.3 時(shí)鐘同步方案對(duì)比

各類型時(shí)鐘同步方案對(duì)比如表5所示：

表5 各類型時(shí)鐘同步方案對(duì)比

從上表可知：GPS/北斗天線時(shí)間同步方案的時(shí)鐘同步信號(hào)依賴于衛(wèi)星覆蓋，同步時(shí)間精度高，穩(wěn)定可靠，但受限于安裝條件，線纜和無(wú)源器件衰耗等原因，部分C-RAN機(jī)房無(wú)法正常部署。

IEEE1588v2協(xié)議通過(guò)軟件和硬件結(jié)合的方式將分級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的下級(jí)時(shí)鐘與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步，精度達(dá)到納秒（ns）級(jí)，綜合成本低，能適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境，但網(wǎng)絡(luò)安全性和穩(wěn)定性存在一定的隱患。

綜上，5G網(wǎng)絡(luò)C-RAN機(jī)房時(shí)鐘同步解決方案優(yōu)選安裝GPS/北斗天線方案，若確實(shí)不滿足GPS/北斗天線安裝條件，則亦可采用IEEE1588v2協(xié)議方案。

4 工程案例

江蘇某地市溫馨花園機(jī)房原為傳輸節(jié)點(diǎn)機(jī)房，位于溫馨花園小區(qū)一層，建筑共6層。在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中被確定為C-RAN機(jī)房，需要集中周邊8個(gè)基站的基帶設(shè)備。機(jī)房平面布置圖如圖3所示。

圖3 溫馨花園機(jī)房平面布置圖

建設(shè)初期，經(jīng)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)方、施工方多方聯(lián)合查勘，研究網(wǎng)絡(luò)基站側(cè)同步時(shí)鐘解決方案，確定該站點(diǎn)GPS/北斗天線安裝到6層頂后線纜無(wú)法敷設(shè)，后經(jīng)反復(fù)確認(rèn)，并現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，臨時(shí)將GPS/北斗天線安裝至二樓平臺(tái)，并做好防雷保護(hù)，但由于GPS/北斗天線上空有部分遮擋，為保證時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性，同步在核心層部署IEEE1588v2服務(wù)器（Server），后期將切換至IEEE1588v2協(xié)議時(shí)鐘同步方案。如圖5所示。

圖4 IEEE1588v2協(xié)議時(shí)鐘同步方案

5 結(jié)束語(yǔ)

由于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的調(diào)整，C-RAN機(jī)房在網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)著至關(guān)重要的位置，高精度的時(shí)鐘同步對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和健康運(yùn)行起著極大的作用。本論文立足于5G網(wǎng)絡(luò)C-RAN機(jī)房建設(shè)部署現(xiàn)狀，研究網(wǎng)絡(luò)基站側(cè)同步時(shí)鐘解決方案，為后續(xù)5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)提供借鑒和指導(dǎo)。