Microchip Technology Inc.?資深技術(shù)顧問?Jim Olsen

自無線通信技術(shù)投入使用以來，網(wǎng)絡(luò)授時(shí)一直是為無線服務(wù)提供支持的關(guān)鍵組成部分。授時(shí)要求通常被稱為“絕對(duì)”測量，這意味著授時(shí)必須可追溯到已知的源。對(duì)于相位/時(shí)間應(yīng)用，這種可追溯源通常是衛(wèi)星星座。全球定位系統(tǒng)（GPS）首次將衛(wèi)星星座用于時(shí)間。GPS主要為導(dǎo)航設(shè)計(jì)，旨在為GPS系統(tǒng)的用戶提供三維定位數(shù)據(jù)，即經(jīng)度、緯度和高度。為了實(shí)現(xiàn)高水平的空間定位精度，必須將衛(wèi)星與極其精確的授時(shí)源同步，并且能夠再現(xiàn)該授時(shí)精度。

借助精心設(shè)計(jì)的GPS授時(shí)接收機(jī)技術(shù)，GPS用戶可以從GPS衛(wèi)星上的同步原子鐘中恢復(fù)極其精確的授時(shí)。這種協(xié)調(diào)的授時(shí)允許相鄰的接收機(jī)與相同的時(shí)間參考對(duì)齊。GPS系統(tǒng)的天基原子鐘由美國海軍天文臺(tái)（USNO）同步。USNO與總部位于巴黎、負(fù)責(zé)全球范圍計(jì)時(shí)的國際標(biāo)準(zhǔn)組織國際計(jì)量局（BIPM）一起進(jìn)行連續(xù)的測量，以確保與世界其他地區(qū)協(xié)調(diào)一致的時(shí)間。這種協(xié)調(diào)的世界時(shí)間或“絕對(duì)”時(shí)間被稱為“協(xié)調(diào)世界時(shí)”，更常用的說法是UTC。由美國國防部開發(fā)和維護(hù)的GPS則是第一個(gè)部署的定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）衛(wèi)星星座，而現(xiàn)在全球范圍內(nèi)已部署了多個(gè)用于PNT的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）技術(shù)。其他GNSS系統(tǒng)的例子包括Galileo（歐盟）、Glonass（俄羅斯）、北斗（中國）、QZSS（日本）和IRNSS（印度）。

隨著無線技術(shù)從2G一路成功更新?lián)Q代到5G，網(wǎng)絡(luò)授時(shí)架構(gòu)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(nèi)的GPS授時(shí)接收機(jī)，5G網(wǎng)絡(luò)則正朝著更加集中和/或中心加權(quán)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(gòu)的發(fā)展分為三個(gè)不同的階段。在第1階段中，針對(duì)頻率網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了物理或數(shù)據(jù)包層級(jí)的授時(shí)，GPS本地部署在用于TDD（相位）應(yīng)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)通過數(shù)據(jù)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到無線電的專用授時(shí)鏈路。第3階段將時(shí)序分組協(xié)議直接擴(kuò)展到無線電單元中，而不必依賴專用的授時(shí)，同時(shí)減少了DRAN基站對(duì)GPS的需求。隨著在5G中引入開放式RAN概念，BBU功能將分類為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(gòu)移植到基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)架構(gòu)（基于精確時(shí)間協(xié)議（PTP）——IEEE 1588通過以太網(wǎng)授時(shí)協(xié)議的電信版本）的推動(dòng)因素。前者完全依賴GNSS接收機(jī)，而后者則引入了GNSS接收機(jī)和PTP最高級(jí)時(shí)鐘技術(shù)相結(jié)合的概念。在無線通信中，與授時(shí)有關(guān)的最普遍問題是同信道無線電干擾。當(dāng)GPS接收機(jī)正確追蹤衛(wèi)星時(shí)，在蜂窩基站上部署GPS接收機(jī)允許進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅r(shí)隙傳輸分配，從而防止以相鄰或接近的頻率運(yùn)行的無線電相互干擾。在覆蓋范圍重疊的無線電集群中，如果GPS接收機(jī)發(fā)生故障或停止正確追蹤，則將導(dǎo)致連接到GPS接收機(jī)的無線電與相鄰的無線電互相干擾，因?yàn)槭跁r(shí)降級(jí)或積累了相位誤差。由于無線電使用低成本、低性能的振蕩器（無線電設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是通過使用規(guī)格較低的組件來降低成本），因此授時(shí)降級(jí)發(fā)生得非常迅速。

為了避免干擾問題，一旦授時(shí)開始降級(jí)，就需要立即停止使用無線電或關(guān)閉受授時(shí)降級(jí)影響的服務(wù)。為了減少這種類型的故障情形，可以部署基于網(wǎng)絡(luò)的PTP授時(shí)服務(wù)，在此服務(wù)中，集群中的無線電與集成了GPS接收機(jī)的PTP最高級(jí)時(shí)鐘同步。如果PTP最高級(jí)時(shí)鐘中的GPS發(fā)生故障或出現(xiàn)追蹤問題，同步到最高級(jí)時(shí)鐘的無線電將相對(duì)于相鄰無線電保持相位對(duì)齊，并且不會(huì)出現(xiàn)干擾問題?？梢栽赑TP最高級(jí)時(shí)鐘中部署高品質(zhì)振蕩器，以在較長時(shí)間內(nèi)保持與UTC的時(shí)間對(duì)齊，并且架構(gòu)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(jí)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故障情形中提供無線電集群相位對(duì)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(wèi)星星座設(shè)計(jì)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(jī)，適合CPRI授時(shí)應(yīng)用

在此應(yīng)用中，授時(shí)源是集成到BBU中的GPS接收機(jī)，該接收機(jī)通常與無線電頭端（RH）位于同一蜂窩基站的底部。BBU從GPS接收機(jī)中恢復(fù)授時(shí)，并使用公共無線電接口（CPRI）通過幾米長的光纖將其傳輸?shù)絉H，如下面的圖A所示。

圖A. 這張圖顯示了集成到BBU中的GPS授時(shí)接收機(jī)，它是DRAN架構(gòu)中的分布式GPS授時(shí)架構(gòu)的一個(gè)示例授時(shí)通過CPRI鏈路從BBU傳送到無線電。

第2階段：GPS源基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)服務(wù)，無線電集群聚集點(diǎn)中的PTP最高級(jí)時(shí)鐘，適合CPRI授時(shí)應(yīng)用

在此應(yīng)用中，BBU遠(yuǎn)離RH。BBU通常在被稱為集中式RAN（cRAN）的集線器位置（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(jī)，其中GPS信號(hào)從天線直接傳輸?shù)郊稍贐BU中的接收機(jī)，或者，GPS接收機(jī)可以與PTP最高級(jí)時(shí)鐘結(jié)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(jī)中恢復(fù)了授時(shí)，它就會(huì)通過CPRI鏈路將授時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程無線電頭端（RRH）。3G和4G服務(wù)架構(gòu)中的CPRI鏈路的距離限值約為17 KM。請(qǐng)參考下面的圖B。

圖B. 此圖描繪了PTP最高級(jí)PTP作為無線電集群的基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)源，它通過CPRI鏈路將時(shí)間從BBU中的PTP從站傳輸?shù)綗o線電集群

第3階段：GPS源基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)服務(wù)，無線電集群聚集點(diǎn)中的PTP最高級(jí)時(shí)鐘，適合以太網(wǎng)授時(shí)應(yīng)用

與4G相比，5G將需要無線電密集化以及額外的低頻和高頻，這兩者都依賴更精心設(shè)計(jì)的授時(shí)，以避免增加無線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(zhuǎn)移到無線電內(nèi)的通過以太網(wǎng)的PTP方式后，它們都可以虛擬化。這將推動(dòng)授時(shí)架構(gòu)發(fā)生巨大變化：GPS將必須移動(dòng)到無線電集群的聚合點(diǎn)，而PTP將在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中無處不在。這類架構(gòu)將需要在網(wǎng)絡(luò)中更深入地部署穩(wěn)健而彈性的GPS和更多PTP，以便為5G無線電單元（RU）提供授時(shí)，并為GPS時(shí)鐘提供系統(tǒng)備份和保護(hù)。

毫無疑問，5G服務(wù)將越來越依賴對(duì)PTP的設(shè)計(jì)，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)。隨著開放式RAN架構(gòu)不斷發(fā)展并被5G部署所采用，5G無線電中將不再使用PTP授時(shí)流，且不再要求DU成為5G無線電的最高級(jí)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(jí)時(shí)鐘，它使用PTP協(xié)議直接向5G無線電中的PTP從站傳輸時(shí)間

總結(jié)

5G引入了一些重大變化，這些變化幾乎涵蓋了移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的各個(gè)方面，包括所使用的RF頻率、無線電I/Q數(shù)據(jù)的傳輸、傳輸架構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)的同步方式。在3G和4G系統(tǒng)中對(duì)GPS的依賴正轉(zhuǎn)向PTP，其原因包括存在新的安全性和可靠性問題，需要在沒有衛(wèi)星系統(tǒng)視距的情況下極為嚴(yán)格保證的5G無線電授時(shí)，以及運(yùn)營商傾向于保證關(guān)鍵授時(shí)服務(wù)的相位對(duì)齊和控制。

更具確定性和更嚴(yán)格的授時(shí)能夠?yàn)橛肋h(yuǎn)在線且無處不在的寬帶服務(wù)提供支持，而這將成為5G網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)志。