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作者：Microchip 戰略應用、時(shí)序和通信業(yè)務(wù)部高級技術(shù)顧問(wèn) Darrin Gile 如要在整個(gè)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現具有成本效益、可靠性和安全性的授時(shí)，所需的基礎設施需要適當的架構、設計和管理。5G網(wǎng)絡(luò )設備的時(shí)間精度要求更高，需要可靠且穩健的授時(shí)架構來(lái)保證網(wǎng)絡(luò )性能。 隨著(zhù)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(shí)分雙工（TDD），不僅出現了頻率方面的需求，同時(shí)還產(chǎn)生了對精確相位和時(shí)間同步的需求。運營(yíng)商在TDD網(wǎng)絡(luò )中部署的設備依賴(lài)于GNSS、同步以太網(wǎng)（SyncE）和IEEE-1588精確時(shí)間協(xié)議（PTP）的組合，以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中提供準確的頻率、相位和時(shí)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，此架構將基帶單元（BBU）和遠程無(wú)線(xiàn)電頭端（RRH）拆分為集中式單元（CU）、分布式單元（DU）和無(wú)線(xiàn)電單元（RU）。這種全新的RAN架構形成了分散式的虛擬化網(wǎng)絡(luò )，使運營(yíng)商能夠在整個(gè)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電頭端（RRH）的CPRI鏈路，此接口具有明顯的優(yōu)勢。由于eCPRI采用基于數據包的傳輸方式，因此現在通過(guò)使用PTP和SyncE實(shí)現與RU的同步。 此外，開(kāi)放式RAN運動(dòng)還基于3GPP的建議實(shí)現了硬件和接口標準化。O-RAN聯(lián)盟定義了四個(gè)用于通過(guò)前傳網(wǎng)絡(luò )分配時(shí)序的方案。在全部四種配置中，RU要么從DU接收時(shí)序，要么從附近的主參考時(shí)鐘（PRTC）接收時(shí)序。盡管存在各種時(shí)序流，但要通過(guò)O-RAN網(wǎng)絡(luò )支持時(shí)序分配，所需的關(guān)鍵功能仍然基于SyncE、IEEE-1588和GNSS。 授時(shí)標準 我們采取了各種授時(shí)建議措施，以便使每個(gè)網(wǎng)絡(luò )元素都能滿(mǎn)足特定的頻率、相位和時(shí)間要求，確保端到端網(wǎng)絡(luò )正常運行。對于TDD蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，3GPP的定義將不同基站之間時(shí)間同步的基本同步服務(wù)要求設定為3 µs。國際電信聯(lián)盟電信標準化部門(mén)（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(diǎn)和終端應用之間的最大絕對時(shí)間誤差（最大|TE|），即±1.5 µs。 GNSS成為通過(guò)PRTC在TDD網(wǎng)絡(luò )中獲取時(shí)間的主要方式。一種方法是將GNSS接收器置于無(wú)線(xiàn)電基站，但這需要良好的天空視距才能可靠運行。如果無(wú)線(xiàn)電位于室內或遮擋清晰視線(xiàn)的位置，則無(wú)法利用本地GNSS源。由于天氣事件等造成的視線(xiàn)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。規劃的5G NR基站數量非常多，這使運營(yíng)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(wèn)題之外，GNSS還需要更加精確的PRTC，增強型主參考時(shí)鐘（ePRTC）的定義由此應運而生。ePRTC可通過(guò)GNSS或可追溯到UTC的其他網(wǎng)絡(luò )標準時(shí)間源發(fā)起授時(shí)。獲取時(shí)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、高度精確和穩定的時(shí)間參考。使用自主原子時(shí)間參考可提供一定程度的抗干擾能力，并在最長(cháng)14天內提供穩定的保持功能。ePRTC的時(shí)間精度為UTC ± 30 ns，與以前的PRTC規定的± 100 ns精度相比，改進(jìn)十分明顯。這種精度提升充分滿(mǎn)足了5G NR的嚴苛網(wǎng)絡(luò )要求。 電信邊界時(shí)鐘（T-BC）和目標時(shí)鐘（T-TSC）是確保網(wǎng)絡(luò )精確傳輸時(shí)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時(shí)間并將其傳遞給下游鏈路。T-BC/T-TSC內的以太網(wǎng)設備時(shí)鐘（EEC）（又稱(chēng)為SyncE）能夠提供穩定且精確的頻率參考，可追溯到主參考時(shí)鐘（PRC/PRS），頻率精度為0.01 pbb。如果將SyncE與PTP結合使用，可帶來(lái)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，能夠驅動(dòng)PTP引擎。這樣，PTP引擎便可濾除大量的數據包延時(shí)變化（PDV），從而提高整體相位精度。 基本時(shí)間精度要求 對于TDD網(wǎng)絡(luò )部署，端到端網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間精度限值為±1.5 µs，詳見(jiàn)G.8271。根據該值，可以得出定義每個(gè)網(wǎng)絡(luò )元素所需性能的時(shí)序預算，從而滿(mǎn)足端到端限制。G.8273.2中定義的時(shí)鐘設備規范將時(shí)間誤差細分為恒定時(shí)間誤差和動(dòng)態(tài)時(shí)間誤差。恒定時(shí)間誤差（cTE）表示因網(wǎng)絡(luò )固有延時(shí)而出現的誤差。這些誤差無(wú)法濾除；它們會(huì )隨著(zhù)時(shí)間在網(wǎng)絡(luò )中的傳輸而累積。動(dòng)態(tài)時(shí)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(shí)鐘進(jìn)行正確的濾波可以減少這些誤差。 
圖1.為滿(mǎn)足延遲時(shí)間規范，網(wǎng)絡(luò )的時(shí)序限值必須保持在±1.5 µs，其中總的時(shí)序限值分布在各個(gè)網(wǎng)絡(luò )元素中。 ±1.5 µs的基本網(wǎng)絡(luò )限制在各個(gè)網(wǎng)絡(luò )元素之間分配。對于4G網(wǎng)絡(luò )，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )元素的允許時(shí)間誤差預算如圖1所示。帶T-GM的PRTC的誤差限值為±100 ns，將基于分類(lèi)級別為每個(gè)T-BC分配一個(gè)最大|TE|。表1詳細說(shuō)明了分配給每個(gè)時(shí)鐘類(lèi)的最大|TE|。 表1.G.8372.2 T-BC和T-TSC時(shí)鐘設備時(shí)間誤差限值。
此外，根據分類(lèi)級別為每個(gè)T-BC分配一個(gè)cTE限值。非對稱(chēng)網(wǎng)絡(luò )鏈路和終端應用各自也會(huì )收到分配的最大TE值。支持最多10躍程A類(lèi)T-BC或20躍程B類(lèi)T-BC的網(wǎng)絡(luò )足以滿(mǎn)足基本網(wǎng)絡(luò )限制。 高級時(shí)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(wú)線(xiàn)電技術(shù)（例如協(xié)作多點(diǎn)、載波聚合或大規模多輸入多輸出（MIMO））具有更嚴格的時(shí)間誤差限制。圖2顯示了相對時(shí)間誤差的概念，其中描述了終端應用的時(shí)間誤差，該應用可追溯到無(wú)線(xiàn)電集群的最后一個(gè)公共點(diǎn)。NR部署所需的高級時(shí)間精度要求將集群內允許的相對時(shí)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(lèi)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(shí)鐘類(lèi)，ITU-T已確定其支持這些更嚴格的限制。G.8372.2 C類(lèi)和新出現的D類(lèi)要求進(jìn)一步限制了每個(gè)元素可以引入的允許TE。每個(gè)C類(lèi)和D類(lèi)元素都需要支持G.8262.1中定義的增強型以太網(wǎng)設備時(shí)鐘（eEEC）標準。 時(shí)序設計 圖3顯示了用于在設備設計中維護、管理和分配時(shí)序的關(guān)鍵組件的典型框圖。在設計CU、DU或RU應用時(shí)，可將其用作指南。時(shí)序設計的主要功能是創(chuàng )建一個(gè)系統同步器，其包含一個(gè)或多個(gè)復雜的鎖相環(huán)（PLL），可提供實(shí)現精確頻率和時(shí)間同步所需的功能。這些同步器負責時(shí)鐘監視、參考切換、濾波和同步準確時(shí)鐘，使設備與網(wǎng)絡(luò )時(shí)間保持同步。同一同步器中的多個(gè)PLL允許為SyncE、PTP和其他時(shí)間要求提供支持。支持多個(gè)輸入和輸出的同步器可以監視和同步各種接口的時(shí)鐘。 對于SyncE支持，有一個(gè)或多個(gè)恢復時(shí)鐘連接到對各種輸入參考進(jìn)行認證和管理的系統同步器。同步器將選擇一個(gè)恢復時(shí)鐘作為主時(shí)鐘，SyncE PLL會(huì )在將時(shí)鐘重新分配到出口節點(diǎn)之前對其進(jìn)行濾波。如果需要支持增強型以太網(wǎng)電子時(shí)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恢復時(shí)鐘。這確�？梢詽M(mǎn)足G.8262.1的短期和長(cháng)期相位瞬態(tài)限制。
圖3. 5G網(wǎng)絡(luò )時(shí)序依賴(lài)于交換芯片和同步器。 PTP的正確實(shí)現需要準確的時(shí)間戳功能和專(zhuān)用軟件，以正常保持精確的時(shí)間同步。為了盡量減少延時(shí)，時(shí)間戳單元應盡可能靠近盒子的邊緣。對于B類(lèi)設備，具有10 ns精度的時(shí)間戳單元足以滿(mǎn)足要求。要滿(mǎn)足C類(lèi)時(shí)鐘要求，時(shí)間戳單元的精度應達到4 ns或更高。需要一個(gè)PTP軟件協(xié)議棧，最重要的是需要一種穩健的時(shí)間算法來(lái)處理PTP數據包通信和時(shí)間戳，并對系統同步器內部的時(shí)間PLL進(jìn)行頻率和相位調整。時(shí)間PLL也可以鎖定到來(lái)自本地PRTC或提供每秒脈沖（PPS）參考的其他設備的PPS輸入。 最后，精密振蕩器可在啟動(dòng)時(shí)提供基礎頻率，并確保在網(wǎng)絡(luò )中斷的情況下穩定運行。并非所有用例都需要強大的保持功能，但設備的位置越靠近網(wǎng)絡(luò )核心，振蕩器就需要越穩定。 C類(lèi)和D類(lèi)設計注意事項 設計需滿(mǎn)足C類(lèi)和D類(lèi)要求的系統中的時(shí)序架構時(shí)應十分小心。除了提高時(shí)間戳的精度和需要在LOS條件下為入口eEEC提供抑制功能外，還可以應用校準技術(shù)來(lái)正確管理給定設計中的cTE和dTE。隨著(zhù)工程師努力盡可能降低設備引入的時(shí)間誤差，提供片上或系統內校準功能正變得愈加普遍且十分必要。在選擇元件時(shí)，需要考慮識別由于工藝、溫度和電壓產(chǎn)生的潛在cTE來(lái)源。 需要盡可能減少由緩沖器、FPGA、時(shí)間戳單元或授時(shí)路徑中的其他器件引入的延時(shí)，并且如果可能，在電路板和/或系統級使用校準技術(shù)來(lái)糾正這些延時(shí)。對于通過(guò)緩沖器和其他器件的輸入到輸出傳輸延時(shí)，可以通過(guò)提供返回系統同步器的反饋路徑進(jìn)行分配，以實(shí)現動(dòng)態(tài)延時(shí)校準。由于高級時(shí)間精度限制引入的相對時(shí)間誤差要求，僅關(guān)注盒子的輸入到輸出延時(shí)已無(wú)法再滿(mǎn)足需求。應當注意系統內每個(gè)PPS輸出的輸出到輸出對齊。此外，對于機架設備，每個(gè)輸出的線(xiàn)路卡PLL帶寬應該相同或設置得盡可能高，以確保設備盡可能對所有輸出的任何相位變化進(jìn)行相同的處理。 同步器、時(shí)間戳PHY和交換機可以補償電路板設計中已知的固有延時(shí)。從電路板級別來(lái)看，靜態(tài)校準技術(shù)可以按輸出或按端口補償板間延時(shí)和傳輸延時(shí)。同步器可為GNSS或G.703 1PPS接口提供按輸入的板間延時(shí)和緩沖器補償、皮秒相位調整分辨率、按輸出的板間延時(shí)補償以及按輸入或按輸出的線(xiàn)纜延時(shí)補償。此外，高級時(shí)間戳器件可按端口提供具有皮秒分辨率的時(shí)間戳校準。這些功能有助于靈活地測量和校正系統內的相位誤差，以確保最大限度地降低TE。 結論 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(jìn)的全新無(wú)線(xiàn)電應用。若要滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )設備的全新更高時(shí)間精度標準，必須仔細規劃時(shí)序架構。 |
