Microchip Technology

資深應(yīng)用工程師主管

Jim Olsen

編者按：作者之前也寫過一篇5G技術(shù)領(lǐng)域文章《5G改變網(wǎng)絡(luò)授時(shí)架構(gòu)》，其中詳細(xì)介紹了如何以精確時(shí)間協(xié)議（PTP）為主要架構(gòu)實(shí)現(xiàn)5G前傳授時(shí)應(yīng)用。下面介紹虛擬主參考時(shí)鐘（vPRTC），它是5G網(wǎng)絡(luò)、傳輸技術(shù)和架構(gòu)的另一個(gè)關(guān)鍵要素。

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在蜂窩移動(dòng)運(yùn)營商和長期演進(jìn)（LTE）專用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的推廣力度不斷加大。5G新空口（NR）采用時(shí)分雙工技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)要求所有新空口部署相對于基于協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的授時(shí)源保持相位對齊，并確保精度在+/-1.5 μs范圍內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商需要了解在5G授時(shí)架構(gòu)中使用精確時(shí)間協(xié)議（PTP）進(jìn)行基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)所需的時(shí)間誤差抑制技術(shù)和虛擬主參考時(shí)鐘（vPRTC）的概念，這對于其制定合理的基礎(chǔ)設(shè)施決策至關(guān)重要。

5G前傳應(yīng)用中使用PTP實(shí)現(xiàn)的基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)架構(gòu)需要時(shí)間誤差分配工程，以確保授時(shí)要求得到支持，因?yàn)槭跁r(shí)是基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分。

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)接收機(jī)正確追蹤衛(wèi)星時(shí)，在蜂窩基站上部署全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）（例如GPS、Galileo和北斗）接收機(jī)允許進(jìn)行時(shí)隙傳輸分配，從而防止相鄰或接近頻率的無線電相互干擾。在覆蓋范圍重疊的無線電集群中，如果GNSS接收機(jī)發(fā)生故障或停止正確追蹤，則將導(dǎo)致連接到GNSS接收機(jī)的無線電與相鄰的無線電相互干擾，因?yàn)槭跁r(shí)降級或積累了相位誤差。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)降級會(huì)突然發(fā)生。

為了避免干擾問題，一旦授時(shí)開始降級，就需要立即停止使用無線電或關(guān)閉受授時(shí)降級影響的服務(wù)。為了減少這類故障情形，可以部署基于網(wǎng)絡(luò)的PTP授時(shí)服務(wù)，在這種服務(wù)中，集群中的無線電與集成了GNSS接收機(jī)的PTP主時(shí)鐘（grandmaster）同步。如果PTP主時(shí)鐘中的GNSS發(fā)生故障或出現(xiàn)追蹤問題，同步到主時(shí)鐘的無線電將相對于相鄰無線電保持相位對齊，并且不會(huì)出現(xiàn)干擾問題?？梢栽赑TP主時(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主時(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GNSS故障情形中提供無線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(wèi)星星座設(shè)計(jì)安全而良好的視距。

下圖說明了基于以太網(wǎng)光學(xué)前傳技術(shù)實(shí)現(xiàn)的PTP到5G無線電集群的分布。使用PTP提供基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)服務(wù)的業(yè)務(wù)和技術(shù)案例正迅速發(fā)展。

圖1.此圖顯示了具有主時(shí)鐘功能的GNSS授時(shí)接收機(jī)，它是前傳架構(gòu)中的分布式授時(shí)架構(gòu)的一個(gè)示例。授時(shí)通過以太網(wǎng)公共無線電接口（eCPRI）鏈路從主時(shí)鐘傳送到無線電。

隨著授時(shí)及傳輸技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，它們?yōu)榍皞鲬?yīng)用的5G授時(shí)架構(gòu)提供了增強(qiáng)功能和替代方案。本文引入虛擬主參考時(shí)鐘（vPRTC）的概念，對這些概念進(jìn)行了探究，并詳細(xì)說明了相關(guān)授時(shí)和傳輸技術(shù)及架構(gòu)的一些優(yōu)勢。

上圖所示架構(gòu)為基于網(wǎng)絡(luò)的PTP授時(shí)服務(wù)，這項(xiàng)服務(wù)利用了分布式GNSS授時(shí)接收機(jī)。與對PTP數(shù)據(jù)流的全路徑支持相關(guān)的技術(shù)進(jìn)步在交換機(jī)和其他設(shè)備中引入了新型邊界時(shí)鐘。此類時(shí)鐘可減小這些設(shè)備在使用PTP進(jìn)行授時(shí)的路徑中產(chǎn)生的時(shí)間誤差。現(xiàn)在可以滿足5G應(yīng)用的嚴(yán)格授時(shí)要求，如1.5 μs或260 ns，而無需在5G無線電中的PTP客戶端附近使用GNSS授時(shí)接收機(jī)/PTP主時(shí)鐘功能。

將基于網(wǎng)絡(luò)的PTP授時(shí)架構(gòu)用于5G授時(shí)應(yīng)用等高精度應(yīng)用時(shí)，務(wù)必要確保消除或減少盡可能多的授時(shí)誤差來源，因?yàn)槊恳患{秒的時(shí)間誤差都有很大影響。與授時(shí)誤差抑制相關(guān)的方法以兩個(gè)概念為中心，這兩個(gè)概念是時(shí)間誤差預(yù)算分配工程的一部分。

第一個(gè)概念側(cè)重于GNSS時(shí)間源，它由GNSS授時(shí)接收機(jī)和PTP主時(shí)鐘功能組成。電信應(yīng)用中用于授時(shí)的GNSS授時(shí)接收機(jī)稱為主參考時(shí)鐘（PRTC）。PRTC技術(shù)分為三類，取決于GNSS在追蹤和提取GNSS衛(wèi)星星座的時(shí)間時(shí)保持相對于UTC的時(shí)間精度大小。PRTC A類要求PRTC A處于UTC的+/-100 ns范圍內(nèi)。UTC是正確追蹤時(shí)為GNSS衛(wèi)星星座提取的時(shí)間參考。PRTC B類要求PRTC B在正確追蹤時(shí)處于UTC的+/-40 ns范圍內(nèi)。增強(qiáng)型PRTC（ePRTC）類要求ePRTC在正確追蹤時(shí)處于UTC的+/-30 ns范圍內(nèi)。ePRTC還具有與GNSS漏洞相關(guān)的額外要求，該要求增加了保持規(guī)范，即如果GNSS接收失敗或受到影響，ePRTC將保持在UTC的100 ns范圍內(nèi)至少兩周。這是通過將銫原子鐘參考與GNSS授時(shí)接收機(jī)功能部署在同一位置來實(shí)現(xiàn)的。ePRTC具有可學(xué)習(xí)銫原子鐘讀數(shù)和GNSS UTC參考之間偏移的學(xué)習(xí)算法。如果參考不可用，這些算法可以補(bǔ)償銫原子鐘的偏移，并延長UTC可追蹤時(shí)間的保持期限。

第二個(gè)概念側(cè)重于傳輸網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，稱為全路徑支持。在全路徑支持模型中，PTP時(shí)間戳不會(huì)通過基于GNSS的PRTC質(zhì)量主時(shí)鐘和無線電單元（RU）中最終應(yīng)用PTP客戶端之間路徑上的交換機(jī)和路由器。PTP時(shí)間戳流在交換機(jī)入口點(diǎn)終止，并通過主時(shí)鐘功能在交換機(jī)出口點(diǎn)再生。這一過程稱為邊界時(shí)鐘（BC）功能，其目的是通過測量和補(bǔ)償由交換機(jī)的交換結(jié)構(gòu)引入的時(shí)間戳可變延遲來減小開關(guān)元件的時(shí)間誤差。隨著時(shí)間的推移，交換機(jī)內(nèi)使用的BC技術(shù)不斷發(fā)展，從而允許在使用PTP實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)服務(wù)時(shí)減小授時(shí)誤差。BC技術(shù)首次引入時(shí)采用單一分類，此分類定義了包含BC功能的交換機(jī)所允許的最大時(shí)間誤差。對于允許更低最大時(shí)間誤差的交換機(jī)，現(xiàn)在有多個(gè)BC分類，這些分類允許在網(wǎng)絡(luò)中更遠(yuǎn)的距離處部署基于GNSS的主時(shí)鐘功能，并且從RU中的PTP客戶端經(jīng)過更多交換躍點(diǎn)。邊界時(shí)鐘功能可恢復(fù)來自PTP輸入的授時(shí)，屬于ITU標(biāo)準(zhǔn)G.8273.2中定義的電信時(shí)間次級/客戶端時(shí)鐘（T-TSC）范疇。邊界時(shí)鐘分類和T-TSC時(shí)間誤差功能以最大允許恒定時(shí)間誤差（cTE）為界，cTE是用單一數(shù)字表示的時(shí)間誤差平均值，可與精度規(guī)范相比較。請記住，BC技術(shù)允許減小交換設(shè)備的授時(shí)誤差，但不允許減小由于引入任何額外基于網(wǎng)絡(luò)的不對稱性而導(dǎo)致的時(shí)間誤差。

下表描述了基于ITU標(biāo)準(zhǔn)的邊界時(shí)鐘/T-TSC分類和相關(guān)的cTE邊界。

圖2.這張表確定了各種邊界時(shí)鐘分類及其相關(guān)的時(shí)間誤差分配預(yù)算要求。

主參考時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘功能的技術(shù)進(jìn)步允許使用PTP實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)服務(wù)，以將授時(shí)服務(wù)的范圍從GNSS時(shí)間源擴(kuò)展到終端RU應(yīng)用（適用于距離和交換躍點(diǎn)數(shù)），并保持超高精度以允許替代分布式GNSS授時(shí)架構(gòu)，在GNSS架構(gòu)中，GNSS時(shí)間源可以位于更靠近網(wǎng)絡(luò)核心的中心位置。這一概念稱為虛擬主參考時(shí)鐘（vPRTC），可以通過以太網(wǎng)/數(shù)據(jù)包交換或密集波分復(fù)用（DWDM）光傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

vPRTC架構(gòu)由三個(gè)部分組成。第一部分是具有PTP主時(shí)鐘功能的GNSS時(shí)間源，此時(shí)間源可達(dá)到PRTC B（+/-40 ns）或ePRTC（+/-30 ns）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。對于GNSS漏洞問題和保持性能，建議ePRTC增加銫原子鐘并與GNSS授時(shí)接收機(jī)部署在同一位置，以提高GNSS接收機(jī)相對于UTC的授時(shí)精度，同時(shí)提供延長保持時(shí)間的能力，即在GNSS信號中斷時(shí)，可以保持小于100 ns（相對于UTC）至少兩周。第二部分是網(wǎng)絡(luò)本身以及GNSS時(shí)間源和終端RU PTP應(yīng)用之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)。vPRTC的此傳輸段必須提供具有C類或D類邊界時(shí)鐘分類功能的全路徑支持，以便實(shí)現(xiàn)正確的時(shí)間誤差分配和抑制。vPRTC的第三個(gè)部分是網(wǎng)絡(luò)邊緣接入位置，其中PTP時(shí)間戳流會(huì)傳送到終端RU PTP授時(shí)應(yīng)用。此位置必須恢復(fù)和重新生成PTP授時(shí)流，從而創(chuàng)建vPRTC功能并滿足小于100 ns（相對于UTC）的PRTC A規(guī)范要求。隨后，此PTP授時(shí)流通過前傳網(wǎng)絡(luò)段傳送到終端RU PTP授時(shí)應(yīng)用。

圖3給出了C類邊界時(shí)鐘全路徑支持傳輸網(wǎng)絡(luò)中的vPRTC概念。

圖3.此圖給出了使用C類邊界時(shí)鐘時(shí)間誤差分配工程配置為虛擬主參考時(shí)鐘（vPRTC）的分組網(wǎng)絡(luò)。

總結(jié)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，支持在更遠(yuǎn)距離和更長的網(wǎng)絡(luò)元素鏈上實(shí)現(xiàn)高精度授時(shí)，從而使運(yùn)營商可以選擇在從邊緣到網(wǎng)絡(luò)核心的不同位置為5G授時(shí)架構(gòu)引入基于GNSS的時(shí)間源。vPRTC架構(gòu)在彈性和冗余方面擁有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。vPRTC可以采用東西向配置，其中有兩個(gè)位置來部署GNSS時(shí)間源和最高級時(shí)鐘功能，從而實(shí)現(xiàn)ePRTC或PRTC冗余。此外，這種配置還支持環(huán)網(wǎng)或Liner環(huán)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的雙向PTP授時(shí)流，當(dāng)這種架構(gòu)中發(fā)生光纖切斷時(shí)，允許從相反方向授時(shí)和通信，從而提高架構(gòu)的彈性和冗余度。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，分布式GNSS PTP授時(shí)架構(gòu)和集中式vPRTC PTP架構(gòu)將成為全球運(yùn)營商和5G LTE專用網(wǎng)絡(luò)的可行商業(yè)和技術(shù)選擇。運(yùn)營商必須意識到，在底層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇捎玫那闆r下，務(wù)必要考慮到設(shè)計(jì)的嚴(yán)密性，以便構(gòu)建最穩(wěn)健且最可靠的授時(shí)架構(gòu)。