自無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)投入使用以來(lái)，網(wǎng)絡(luò )授時(shí)一直是為無(wú)線(xiàn)服務(wù)提供支持的關(guān)鍵組成部分。授時(shí)要求通常被稱(chēng)為“絕對”測量，這意味著(zhù)授時(shí)必須可追溯到已知的源。對于相位/時(shí)間應用，這種可追溯源通常是衛星星座。全球定位系統（GPS）首次將衛星星座用于時(shí)間。GPS主要為導航設計，旨在為GPS系統的用戶(hù)提供三維定位數據，即經(jīng)度、緯度和高度。為了實(shí)現高水平的空間定位精度，必須將衛星與極其精確的授時(shí)源同步，并且能夠再現該授時(shí)精度。

 

借助精心設計的GPS授時(shí)接收機技術(shù)，GPS用戶(hù)可以從GPS衛星上的同步原子鐘中恢復極其精確的授時(shí)。這種協(xié)調的授時(shí)允許相鄰的接收機與相同的時(shí)間參考對齊。GPS系統的天基原子鐘由美國海軍天文臺（USNO）同步。USNO與總部位于巴黎、負責全球范圍計時(shí)的國際標準組織國際計量局（BIPM）一起進(jìn)行連續的測量，以確保與世界其他地區協(xié)調一致的時(shí)間。這種協(xié)調的世界時(shí)間或“絕對”時(shí)間被稱(chēng)為“協(xié)調世界時(shí)”，更常用的說(shuō)法是UTC。由美國國防部開(kāi)發(fā)和維護的GPS則是第一個(gè)部署的定位、導航和授時(shí)（PNT）衛星星座，而現在全球范圍內已部署了多個(gè)用于PNT的全球導航衛星系統（GNSS）技術(shù)。其他GNSS系統的例子包括Galileo（歐盟）、Glonass（俄羅斯）、北斗（中國）、QZSS（日本）和IRNSS（印度）。

 

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)從2G一路成功更新?lián)Q代到5G，網(wǎng)絡(luò )授時(shí)架構一直在并行發(fā)展。2/3G分布式RAN使用了集成在宏蜂窩基站內的GPS授時(shí)接收機，5G網(wǎng)絡(luò )則正朝著(zhù)更加集中和/或中心加權的模型發(fā)展，其中GPS是一種用于授時(shí)分配的基于網(wǎng)絡(luò )的時(shí)鐘源。

 

授時(shí)架構的發(fā)展分為三個(gè)不同的階段。在第1階段中，針對頻率網(wǎng)絡(luò )設計了物理或數據包層級的授時(shí)，GPS本地部署在用于TDD（相位）應用的分布式RAN（DRAN）基站塔上。第2階段增加了更集中的GPS源，授時(shí)通過(guò)數據包傳送到基帶單元（BBU）的“池”。第1階段和第2階段都使用了從BBU到無(wú)線(xiàn)電的專(zhuān)用授時(shí)鏈路。第3階段將時(shí)序分組協(xié)議直接擴展到無(wú)線(xiàn)電單元中，而不必依賴(lài)專(zhuān)用的授時(shí)，同時(shí)減少了DRAN基站對GPS的需求。隨著(zhù)在5G中引入開(kāi)放式RAN概念，BBU功能將分類(lèi)為CU（集中式）和DU（分布式），并將發(fā)展為虛擬化和基于服務(wù)器的功能，這些功能將不需要包含在授時(shí)路徑中。

 

有一個(gè)重要的技術(shù)考慮是，將分布式GPS授時(shí)架構移植到基于網(wǎng)絡(luò )的授時(shí)架構（基于精確時(shí)間協(xié)議（PTP）——IEEE 1588通過(guò)以太網(wǎng)授時(shí)協(xié)議的電信版本）的推動(dòng)因素。前者完全依賴(lài)GNSS接收機，而后者則引入了GNSS接收機和PTP最高級時(shí)鐘技術(shù)相結合的概念。在無(wú)線(xiàn)通信中，與授時(shí)有關(guān)的最普遍問(wèn)題是同信道無(wú)線(xiàn)電干擾。當GPS接收機正確追蹤衛星時(shí)，在蜂窩基站上部署GPS接收機允許進(jìn)行適當的時(shí)隙傳輸分配，從而防止以相鄰或接近的頻率運行的無(wú)線(xiàn)電相互干擾。在覆蓋范圍重疊的無(wú)線(xiàn)電集群中，如果GPS接收機發(fā)生故障或停止正確追蹤，則將導致連接到GPS接收機的無(wú)線(xiàn)電與相鄰的無(wú)線(xiàn)電互相干擾，因為授時(shí)降級或積累了相位誤差。由于無(wú)線(xiàn)電使用低成本、低性能的振蕩器（無(wú)線(xiàn)電設計目標之一是通過(guò)使用規格較低的組件來(lái)降低成本），因此授時(shí)降級發(fā)生得非常迅速。

 

為了避免干擾問(wèn)題，一旦授時(shí)開(kāi)始降級，就需要立即停止使用無(wú)線(xiàn)電或關(guān)閉受授時(shí)降級影響的服務(wù)。為了減少這種類(lèi)型的故障情形，可以部署基于網(wǎng)絡(luò )的PTP授時(shí)服務(wù)，在此服務(wù)中，集群中的無(wú)線(xiàn)電與集成了GPS接收機的PTP最高級時(shí)鐘同步。如果PTP最高級時(shí)鐘中的GPS發(fā)生故障或出現追蹤問(wèn)題，同步到最高級時(shí)鐘的無(wú)線(xiàn)電將相對于相鄰無(wú)線(xiàn)電保持相位對齊，并且不會(huì )出現干擾問(wèn)題?？梢栽赑TP最高級時(shí)鐘中部署高品質(zhì)振蕩器，以在較長(cháng)時(shí)間內保持與UTC的時(shí)間對齊，并且架構中可以包含基于PTP的備用方案，以幫助在故障情形下維持UTC可追蹤時(shí)間。PTP最高級時(shí)鐘基于網(wǎng)絡(luò )的授時(shí)服務(wù)方法非常靈活，且具有成本效益。它可在GPS故障情形中提供無(wú)線(xiàn)電集群相位對齊的額外好處，同時(shí)將GNSS部署到集中式存在點(diǎn)，可在其中為衛星星座設計安全而良好的視距。

 

第1階段：分布式GPS，宏蜂窩基站中的集成GPS授時(shí)接收機，適合CPRI授時(shí)應用

在此應用中，授時(shí)源是集成到BBU中的GPS接收機，該接收機通常與無(wú)線(xiàn)電頭端（RH）位于同一蜂窩基站的底部。BBU從GPS接收機中恢復授時(shí)，并使用公共無(wú)線(xiàn)電接口（CPRI）通過(guò)幾米長(cháng)的光纖將其傳輸到RH，如下面的圖A所示。

第2階段：GPS源基于網(wǎng)絡(luò )的授時(shí)服務(wù)，無(wú)線(xiàn)電集群聚集點(diǎn)中的PTP最高級時(shí)鐘，適合CPRI授時(shí)應用

 

在此應用中，BBU遠離RH。BBU通常在被稱(chēng)為集中式RAN（cRAN）的集線(xiàn)器位置（RH集群的聚集點(diǎn)）處“匯集”。時(shí)間源可以是位于cRAN HUB的GPS接收機，其中GPS信號從天線(xiàn)直接傳輸到集成在BBU中的接收機，或者，GPS接收機可以與PTP最高級時(shí)鐘結合，在這種情況下，PTP授時(shí)服務(wù)傳送給BBU中的PTP從站。一旦BBU從PTP流或GPS接收機中恢復了授時(shí)，它就會(huì )通過(guò)CPRI鏈路將授時(shí)傳輸到遠程無(wú)線(xiàn)電頭端（RRH）。3G和4G服務(wù)架構中的CPRI鏈路的距離限值約為17 KM。請參考下面的圖B。

 

圖B. 此圖描繪了PTP最高級PTP作為無(wú)線(xiàn)電集群的基于網(wǎng)絡(luò )的授時(shí)源，它通過(guò)CPRI鏈路將時(shí)間從BBU中的PTP從站傳輸到無(wú)線(xiàn)電集群

 

第3階段：GPS源基于網(wǎng)絡(luò )的授時(shí)服務(wù)，無(wú)線(xiàn)電集群聚集點(diǎn)中的PTP最高級時(shí)鐘，適合以太網(wǎng)授時(shí)應用

 

與4G相比，5G將需要無(wú)線(xiàn)電密集化以及額外的低頻和高頻，這兩者都依賴(lài)更精心設計的授時(shí)，以避免增加無(wú)線(xiàn)電之間的同信道干擾。同時(shí)，BBU被分解為兩個(gè)組件功能，即分布式單元和集中式單元，在將基于CPRI的授時(shí)方式轉移到無(wú)線(xiàn)電內的通過(guò)以太網(wǎng)的PTP方式后，它們都可以虛擬化。這將推動(dòng)授時(shí)架構發(fā)生巨大變化：GPS將必須移動(dòng)到無(wú)線(xiàn)電集群的聚合點(diǎn)，而PTP將在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中無(wú)處不在。這類(lèi)架構將需要在網(wǎng)絡(luò )中更深入地部署穩健而彈性的GPS和更多PTP，以便為5G無(wú)線(xiàn)電單元（RU）提供授時(shí)，并為GPS時(shí)鐘提供系統備份和保護。

 

毫無(wú)疑問(wèn)，5G服務(wù)將越來(lái)越依賴(lài)對PTP的設計，這樣才能確保在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中提供彈性和確定性的授時(shí)。隨著(zhù)開(kāi)放式RAN架構不斷發(fā)展并被5G部署所采用，5G無(wú)線(xiàn)電中將不再使用PTP授時(shí)流，且不再要求DU成為5G無(wú)線(xiàn)電的最高級時(shí)鐘授時(shí)鏈的一部分。具體如下圖C所示。

 

圖C. 此圖描繪了一個(gè)PTP最高級時(shí)鐘，它使用PTP協(xié)議直接向5G無(wú)線(xiàn)電中的PTP從站傳輸時(shí)間

 

總結

5G引入了一些重大變化，這些變化幾乎涵蓋了移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )架構的各個(gè)方面，包括所使用的RF頻率、無(wú)線(xiàn)電I/Q數據的傳輸、傳輸架構以及網(wǎng)絡(luò )的同步方式。在3G和4G系統中對GPS的依賴(lài)正轉向PTP，其原因包括存在新的安全性和可靠性問(wèn)題，需要在沒(méi)有衛星系統視距的情況下極為嚴格保證的5G無(wú)線(xiàn)電授時(shí)，以及運營(yíng)商傾向于保證關(guān)鍵授時(shí)服務(wù)的相位對齊和控制。

更具確定性和更嚴格的授時(shí)能夠為永遠在線(xiàn)且無(wú)處不在的寬帶服務(wù)提供支持，而這將成為5G網(wǎng)絡(luò )的標志。

（來(lái)源：編譯自EDN， 作者：Jim Olsen，資深技術(shù)顧問(wèn)，Microchip Technology Inc.）