5G高精度時間同步組網(wǎng)方案研究

0 前言

5G網(wǎng)絡建設已經(jīng)全面開展，同步網(wǎng)作為基礎支撐網(wǎng)絡，對于網(wǎng)絡質量的保障、業(yè)務的發(fā)展起到十分重要的作用。相對于4G 系統(tǒng)，5G 對于同步的精度需求更高，可靠性要求更為嚴格，應用場景也更復雜，除了TDD 系統(tǒng)基本的同步需求之外，5G 的站間協(xié)同需求、CA/CoMP/MIMO 等技術對時間同步提出100 ns級精度要求，高精度定位、車聯(lián)網(wǎng)、智能制造等行業(yè)應用，對時間同步的精度要求更是達到10 ns 以內?，F(xiàn)有的同步網(wǎng)絡無法完全滿足5G時代的同步需求，本文通過分析5G時間同步的需求和5G高精度時間同步的關鍵技術，提出5G承載高精度時間同步的組網(wǎng)方案。

1 5G時間同步需求

1.1 5G基本同步需求與4G相同

基本時間同步是TDD 制式無線通信系統(tǒng)的共同要求，由于TDD 基站上下行同頻，為避免上下行信號互相干擾，要求各基站之間有嚴格的相位同步關系，確保上下行切換的時間點一致。5G TDD 基本業(yè)務同步需求與4G TDD基本業(yè)務相同，均為±1.5 μs。

1.2 5G協(xié)同增強提出更高精度同步要求

站間協(xié)同增強可讓一個用戶的數(shù)據(jù)通過不同的AAU 收發(fā)，用戶可以在重疊覆蓋區(qū)域合并多個信號，從而提升帶寬體驗。不同AAU 的信號之間，時差必須滿足一定要求，否則無法合并。根據(jù)3GPP TS 38.104 V15.00（2017-12）技術要求，不同類型的協(xié)同增強要求如表1所示。

表1 5G不同類型的協(xié)同增強同步要求

為了獲得更好的網(wǎng)絡質量和服務體驗，5G 系統(tǒng)中將會更廣泛地應用CA/CoMP/MIMO 等技術，從而對網(wǎng)絡同步提出了100 ns量級甚至更高要求。

1.3 部分新業(yè)務需要超高精度時間同步

5G 垂直行業(yè)的大量新應用目前還在標準完善和產(chǎn)業(yè)孵化培育的階段，不同應用場景對于同步的需求也存在較大偏差，目前仍在探索階段。從目前階段的研究中，可以看到高精度定位業(yè)務、車聯(lián)網(wǎng)、智能制造等應用對于時間同步的需求將達到10 ns 量級。例如基于到達時間和到達時間差的基站定位技術，同步精度和基站之間的時間相位誤差線性相關。1 ns同步誤差對應的定位精度為0.3～0.4 m，滿足3 m 的定位精度對應的同步誤差約為±10 ns，滿足1 m的定位精度對應的同步誤差約為±3 ns。

1.4 5G高精度時間同步需要地面同步網(wǎng)支撐

4G 時代無線網(wǎng)主要采用基站安裝衛(wèi)星接收機的方式通過GNSS 獲取同步信號，地面同步網(wǎng)主要滿足傳送網(wǎng)、核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)等網(wǎng)絡的同步需求。相對4G網(wǎng)絡5G 網(wǎng)絡對同步網(wǎng)的需求發(fā)生了以下一些新的變化。

a）精度要求更高：部分網(wǎng)絡增強協(xié)同及行業(yè)應用既有μs 級同步需求，也有ns 級的同步需求，直接通過普通衛(wèi)星接收機獲取單站授時難以完全滿足要求。

b）同步場景更為復雜：5G 基站密度大，室內基站數(shù)量也會增加，會存在大量室內場館、地鐵、隧道等難以獲取衛(wèi)星信號的場景。

c）同步網(wǎng)的安全可靠性要求更為嚴格：此前衛(wèi)星接收系統(tǒng)對美國GPS 系統(tǒng)高度依賴，存在安全風險，如全面升級為北斗接收系統(tǒng)，會需要巨大的投資。即使采用基于北斗的衛(wèi)星接收授時，仍然存在衛(wèi)星信號被干擾的情況，例如某城市為保障重大體育活動，防止私人無人機在活動范圍空域飛行，采用技術手段對活動區(qū)域內的衛(wèi)星定位信號進行干擾，結果導致區(qū)域內基站的衛(wèi)星接收也受到干擾，業(yè)務受到嚴重影響。

鑒于上述原因，在5G 時期部署地面高精度同步網(wǎng)，對提升網(wǎng)絡穩(wěn)定性、可靠性，提升業(yè)務發(fā)展的支撐能力，具有十分重要的意義。

2 5G高精度時間同步關鍵技術

從前文的分析可以看出，5G 對時間同步的精度和可靠性均提出新的要求，現(xiàn)有的地面高精度時間同步技術主要為基于1588v2 的時間同步網(wǎng)絡，可以滿足5G無線業(yè)務基本的±1.5 μs精度要求，但是100 ns甚至10 ns 量級的同步需求則需要新的技術和網(wǎng)絡支撐。從時間同步網(wǎng)的通用模型（見圖1）可以看出，要實現(xiàn)高精度時間同步需要從同步源到末端進行端到端的提升優(yōu)化，采用多種技術手段共同提升同步精度、同步網(wǎng)快速部署和智能管理能力，其中的關鍵技術有高精度同步源技術、高精度同步傳送技術、高精度同步監(jiān)測技術、智能時鐘運維技術等。

圖1 時間同步通用網(wǎng)絡模型

2.1 高精度同步源技術

高精度同步源頭的實現(xiàn)與衛(wèi)星授時技術密不可分。為提升同步源精度，可采用雙頻接收技術和衛(wèi)星共視法。

雙頻接收技術：衛(wèi)星接收部分對同步精度的影響最大，相對于單頻接收機而言，雙頻接收機可同時接收單個衛(wèi)星系統(tǒng)的2 個頻點載波信號（如GPS 的L1、L2 或者北斗的B1、B2），通過一定算法可有效消除電離層對電磁波信號延遲的影響，從而提升衛(wèi)星授時精度。

衛(wèi)星共視法：此方法是目前遠距離時鐘比對的主要方法之一，也是國際原子時成員單位合作的主要技術手段之一，其時間比對不確定度可優(yōu)于10 ns。衛(wèi)星共視是利用導航衛(wèi)星距離地球較遠、覆蓋范圍廣的特點，將其作為比對中間媒介，在地面需要時間比對的2個地方分別安裝接收設備，同時觀察同一顆衛(wèi)星，通過交換數(shù)據(jù)抵消中間源及其共有誤差的影響，實現(xiàn)高精度比對。衛(wèi)星共視技術比較成熟，性能較好，但無法獨立部署應用，需主從站配合使用，并配置數(shù)據(jù)通道進行數(shù)據(jù)交互。

綜合考慮上述2 種技術的實現(xiàn)難易程度、成本和產(chǎn)業(yè)成熟程度，在當前階段建議采用衛(wèi)星雙頻技術滿足高精度同步源頭設備的要求，衛(wèi)星共視技術可以先用于現(xiàn)網(wǎng)時間同步源的性能集中監(jiān)控，待共視網(wǎng)絡建設成熟后再考慮應用于高精度同步源頭設備。

2.2 高精度同步傳送技術

根據(jù)IMT-2020（5G）推進組發(fā)布的《5G 承載網(wǎng)絡架構和技術方案白皮書》中建議，對于±1.5 μs 同步需求的5G基本業(yè)務和部分協(xié)同業(yè)務，指標分配方法參見國家通信行業(yè)標準YD/T 2375-2011“高精度時間同步技術要求”，源頭部分±150 ns，承載部分±1 000 ns（30跳），接入部分±250 ns。對于±300 ns量級的業(yè)務，暫定的建議分配方案為源頭部分±30 ns，承載部分±200 ns（20跳），接入部分±50 ns。

目前1588v2 已經(jīng)在國內的4G 承載網(wǎng)絡中進行了規(guī)模應用部署，目前支持1588v2 的傳輸設備的單跳時間同步精度為±30 ns，對比以上要求，遠距離多跳節(jié)點傳輸?shù)木蕊@然無法滿足5G 的需求。為提升單節(jié)點精度，需從以下幾方面對1588v2進行優(yōu)化。

a）打戳位置盡量靠近物理接口，減少光模塊內部的半靜態(tài)延時誤差和動態(tài)延時誤差。

b）提升打戳精度，提升打戳時鐘的頻率，或者采用其他方法提升打戳分辨率。

c）提升系統(tǒng)實時時鐘（RTC——Real Time Clock）同步精度、提升系統(tǒng)內部RTC之間的同步對齊精度。

d）選取優(yōu)質晶振，提升本地時鐘的穩(wěn)定度。

考慮現(xiàn)有1588v2 已經(jīng)規(guī)模部署，在現(xiàn)有配置基礎上通過優(yōu)化實現(xiàn)精度的提升，有利于5G高精度時間同步網(wǎng)絡的快速部署。1588v2 的技術原理決定了其在部署中易受光纖不對稱性影響，建議5G時間同步網(wǎng)部署時盡量采用單纖雙向方式。

對于100 ns 量級及更高的精度需求，提升單節(jié)點精度也已經(jīng)無法滿足，可考慮采用同步源下沉的方案，通過減少跳數(shù)來提高同步精度。

2.3 高精度同步監(jiān)測技術

同步監(jiān)測方法總體可分為絕對監(jiān)測和相對監(jiān)測兩大類，從具體實現(xiàn)方式上可分為外置方式和內置方式。

外置方式可實現(xiàn)同步性能絕對監(jiān)測，包括外置探針和衛(wèi)星共視2 種方式。外置探針方式在5G 同步網(wǎng)中按需部署外置探針，探針通過全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）獲得絕對時間基準，對網(wǎng)絡末端設備同步輸出信號進行監(jiān)測，再將監(jiān)測結果發(fā)送至中心網(wǎng)管以實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡同步性能的實時監(jiān)測。衛(wèi)星共視方式在網(wǎng)絡適當位置部署共視主站和共視從站，以共視接收作為媒介，通過交換數(shù)據(jù)，得到共視從站（即被監(jiān)測點）與共視主站（即遠端參考基準，如溯源至UTC 的絕對基準）之間的比對結果，實現(xiàn)對被監(jiān)測點性能的絕對監(jiān)測。

內置方式通過內置功能進行同步性能監(jiān)測，即利用網(wǎng)絡設備自身具備的同步性能監(jiān)測能力實現(xiàn)同步性能相對監(jiān)測，主要包括主從監(jiān)測和環(huán)上被動（Pas?sive）節(jié)點監(jiān)測。主從監(jiān)測是指Slave 設備在同步于主時鐘（Master）設備的同時，進行自身同步性能監(jiān)測。通過對Slave 端口時間戳（T1、T2、T3、T4）和計算的時間偏差值（Offset）進行不同方式的統(tǒng)計和分析，可以實現(xiàn)對同步性能的相對監(jiān)測。環(huán)上被動節(jié)點監(jiān)測是利用Passive 節(jié)點對其同步側與非同步側同步數(shù)據(jù)進行比對，從而實現(xiàn)監(jiān)測。

2.4 智能時鐘部署及運維技術

目前相比其他專業(yè)設備同步網(wǎng)的設備在網(wǎng)絡中較少，擴容規(guī)模和投資有限，各廠家對于同步網(wǎng)功能的提升和研發(fā)投入不夠，造成目前同步網(wǎng)的OMC 對于業(yè)務部署和運維支撐能力較差。各廠家OMC 系統(tǒng)目前北向接口能力不足，無法實現(xiàn)集中監(jiān)控；同步網(wǎng)網(wǎng)管目前只能管理到同步網(wǎng)服務器自身，無法完成對業(yè)務網(wǎng)元同步信號的告警、性能、資源等管理；同步網(wǎng)端口與授時業(yè)務之間的對應關系不明確，缺乏統(tǒng)一網(wǎng)管管理。面向5G的同步網(wǎng)，需要提升管控運維能力。

位于控制層面的智能時鐘技術，能夠為超高精度同步網(wǎng)的運行維護提供支撐，智能時鐘管控系統(tǒng)架構及主要功能如圖2所示，其核心功能有：

圖2 智能時鐘管控系統(tǒng)示意圖

a）同步網(wǎng)自動規(guī)劃功能：計算和規(guī)劃所有或指定區(qū)域網(wǎng)元的同步主備路徑，減少人工配置工作量，并避免配置錯誤。

b）圖形化動態(tài)同步狀態(tài)查詢功能：能夠實時展現(xiàn)同步網(wǎng)從源到宿端到端鏈路及節(jié)點狀態(tài)，拉通各專業(yè)，呈現(xiàn)整體同步網(wǎng)狀態(tài)視圖。

c）同步配置和運行狀態(tài)檢測和分析功能：實現(xiàn)業(yè)務智能下發(fā)，減少人工配置。對同步配置進行分析，發(fā)現(xiàn)定時環(huán)、跳數(shù)越限等配置風險，生成檢測報告。具備同步告警抑制和根源分析能力，根據(jù)跟蹤狀況等信息完成告警根因分析定位。

d）智能故障恢復功能：在同步網(wǎng)中多點故障、主備時鐘失效時，進行路徑分析和自動恢復，解決成片網(wǎng)絡的時鐘失步問題。

e）同步性能實時監(jiān)控分析：實時監(jiān)控同步網(wǎng)絡的性能，利用每個環(huán)上設備的Passive 端口進行時間性能比對監(jiān)控和不對稱性分析。

3 5G時間同步組網(wǎng)方案

3.1 高精度時間同步組網(wǎng)模型

5G 高精度時間同步組網(wǎng)和目前4G 采用的1588v2同步網(wǎng)架構一致，城域網(wǎng)配置一主一備2 套時頻同步設備（ePRTC），一般在城域網(wǎng)的核心機房異局址設置，同步信號從核心層傳輸設備注入，同步傳遞技術采用SyncE（O）+PTP，承載網(wǎng)元設置為BC模型，承載網(wǎng)時間傳遞鏈路BC網(wǎng)元數(shù)不超過20個，通用部署構架如圖3所示。

圖3 5G同步網(wǎng)同步通用部署構架

對于100 ns 甚至更高精度的同步需求，需采用同步源下沉方案，減少同步鏈路節(jié)點數(shù)量的方式，以滿足同步精度需求。同步源下沉模式部署構架如圖4所示。城域網(wǎng)根據(jù)業(yè)務需要，配置多臺時頻同步設備（PRTC+），從匯聚/接入設備注入，滿足區(qū)域同步需要。同步傳遞技術采用SyncE（O）+PTP，承載網(wǎng)元設置為BC 模型。下沉的同步源設備（PRTC+）可以與城域網(wǎng)核心機房內部署的ePRTC 設備配合，提供性能監(jiān)測和同步輔助功能，增強同步網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。此方案會大規(guī)模增加同步設備，建議針對有特定需要的區(qū)域進行小范圍部署，不宜全網(wǎng)大規(guī)模應用。

圖4 5G同步網(wǎng)同步源下沉模式部署構架

3.2 OTN系統(tǒng)部署方案

5G 傳送網(wǎng)中，對于傳輸距離較長的中繼段，常有SPN/IPRAN over OTN 的場景，OTN 時間傳送分為帶外OSC 模式和帶內ESC 模式。OSC 模式是使用OSC 通道傳送時間/時鐘信息（見圖5），只要有OSC 管理的地方就能獲取全網(wǎng)同步的時間/時鐘信息。此時所使用線卡是否支持1588，不影響OSC 傳送。ESC 模式是使用線路單板OTN 開銷傳送時間/時鐘信息（見圖6），無需額外硬件配置，無距離限制，只要有業(yè)務上下的站點就能獲取到全網(wǎng)同步的時間/時鐘信息。OSC 模式的精度相對ESC 模式更高，建議在OTN 系統(tǒng)中采用OSC模式部署，同時采用單纖雙向光模塊，避免收發(fā)光纖不對稱造成的誤差。

3.3 SPN系統(tǒng)部署方案

圖5 帶外OSC時鐘/時間傳送方式

圖6 帶內ESC時鐘/時間傳送方式

中國移動采用SPN技術建設5G傳送網(wǎng)，根據(jù)中國移動相關設備技術規(guī)范要求，SPN 設備應支持以太頻率同步、CES/CEP 業(yè)務時鐘恢復和時間同步功能。SPN 設備應支持通過PTP 實現(xiàn)超高精度時間同步，SPN 每跳設備的最大時間偏差（max|TE|）小于5 ns。SPN 設備具備DWDM 能力時，PTP 應支持通過單纖雙向OSC 通道進行傳遞；SPN 設備不配置DWDM 時，PTP通過FlexE 接口或者以太網(wǎng)接口進行傳遞。SPN 設備應支持通過FE、GE、10GE、25GE、40GE、50GE、100GE、200GE、400GE 等以太網(wǎng)端口以及50GE、100GE、200GE、400GE 等FlexE 接口對PTP 報文發(fā)送接收和處理，PTP 報文協(xié)議的格式和處理應滿足相關規(guī)范要求。

SPN 系統(tǒng)同步部署方案與現(xiàn)有PTN 系統(tǒng)模式一致，有單纖雙向和單纖單向2種方案，其中單纖雙向模式可以解決收發(fā)光纖不對稱的問題?？紤]匯聚層以上的SPN 系統(tǒng)主要為100GE 以上端口互聯(lián)，目前沒有100GE 以上的單纖雙向光模塊，為了節(jié)省設備業(yè)務槽位及端口資源，中國移動在SPN 設備技術規(guī)范中要求SPN 核心匯聚層設備應支持2 路同步專用的GE 光接口，可用于組建同步環(huán)。但當前的SPN 設備暫未具備該專用同步接口，仍然需要額外配置10GE 或GE 的業(yè)務端口，并使用單纖雙向光模塊，組建同步環(huán)。SPN部署方案如圖7所示。

圖7 SPN系統(tǒng)同步網(wǎng)部署方案示意圖

4 結束語

同步網(wǎng)作為通信網(wǎng)中重要的基礎支撐網(wǎng)絡，對于各業(yè)務網(wǎng)絡的穩(wěn)定可靠起著至關重要的作用，目前5G網(wǎng)絡的規(guī)模部署已經(jīng)開展，在關注無線網(wǎng)、核心網(wǎng)、傳送網(wǎng)等網(wǎng)絡規(guī)劃建設的同時，同步網(wǎng)的部署也應該引起足夠的重視。本文通過分析5G時間同步的需求、高精度時間同步實現(xiàn)的關鍵技術，對5G同步組網(wǎng)部署方案進行了初步研究，希望能為5G網(wǎng)絡規(guī)劃建設提供一些有價值的參考思路。隨著5G 垂直行業(yè)應用的不斷拓展，未來業(yè)界對于高精度同步的研究還將繼續(xù)深入。