自無線通信技術投入使用以來，網(wǎng)絡授時一直是為無線服務提供支持的關鍵組成部分。授時要求通常被稱為“絕對”測量，這意味著授時必須可追溯到已知的源。對于相位/時間應用，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)星星座用于時間。GPS主要為導航設計，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源同步，并且能夠再現(xiàn)該授時精度。

 

借助精心設計的GPS授時接收機技術，GPS用戶可以從GPS衛(wèi)星上的同步原子鐘中恢復極其精確的授時。這種協(xié)調(diào)的授時允許相鄰的接收機與相同的時間參考對齊。GPS系統(tǒng)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、負責全球范圍計時的國際標準組織國際計量局（BIPM）一起進行連續(xù)的測量，以確保與世界其他地區(qū)協(xié)調(diào)一致的時間。這種協(xié)調(diào)的世界時間或“絕對”時間被稱為“協(xié)調(diào)世界時”，更常用的說法是UTC。由美國國防部開發(fā)和維護的GPS則是第一個部署的定位、導航和授時（PNT）衛(wèi)星星座，而現(xiàn)在全球范圍內(nèi)已部署了多個用于PNT的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）技術。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）。

 

隨著無線技術從2G一路成功更新?lián)Q代到5G，網(wǎng)絡授時架構一直在并行發(fā)展。2/3G分布式RAN使用了集成在宏蜂窩基站內(nèi)的GPS授時接收機，5G網(wǎng)絡則正朝著更加集中和/或中心加權的模型發(fā)展，其中GPS是一種用于授時分配的基于網(wǎng)絡的時鐘源。

 

授時架構的發(fā)展分為三個不同的階段。在第1階段中，針對頻率網(wǎng)絡設計了物理或數(shù)據(jù)包層級的授時，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鏈路。第3階段將時序分組協(xié)議直接擴展到無線電單元中，而不必依賴專用的授時，同時減少了DRAN基站對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器的功能，這些功能將不需要包含在授時路徑中。

 

有一個重要的技術考慮是，將分布式GPS授時架構移植到基于網(wǎng)絡的授時架構（基于精確時間協(xié)議（PTP）——IEEE 1588通過以太網(wǎng)授時協(xié)議的電信版本）的推動因素。前者完全依賴GNSS接收機，而后者則引入了GNSS接收機和PTP最高級時鐘技術相結合的概念。在無線通信中，與授時有關的最普遍問題是同信道無線電干擾。當GPS接收機正確追蹤衛(wèi)星時，在蜂窩基站上部署GPS接收機允許進行適當?shù)臅r隙傳輸分配，從而防止以相鄰或接近的頻率運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接收機的無線電與相鄰的無線電互相干擾，因為授時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（無線電設計目標之一是通過使用規(guī)格較低的組件來降低成本），因此授時降級發(fā)生得非常迅速。

 

為了避免干擾問題，一旦授時開始降級，就需要立即停止使用無線電或關閉受授時降級影響的服務。為了減少這種類型的故障情形，可以部署基于網(wǎng)絡的PTP授時服務，在此服務中，集群中的無線電與集成了GPS接收機的PTP最高級時鐘同步。如果PTP最高級時鐘中的GPS發(fā)生故障或出現(xiàn)追蹤問題，同步到最高級時鐘的無線電將相對于相鄰無線電保持相位對齊，并且不會出現(xiàn)干擾問題。可以在PTP最高級時鐘中部署高品質振蕩器，以在較長時間內(nèi)保持與UTC的時間對齊，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可追蹤時間。PTP最高級時鐘基于網(wǎng)絡的授時服務方法非常靈活，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齊的額外好處，同時將GNSS部署到集中式存在點，可在其中為衛(wèi)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授時接收機，適合CPRI授時應用

在此應用中，授時源是集成到BBU中的GPS接收機，該接收機通常與無線電頭端（RH）位于同一蜂窩基站的底部。BBU從GPS接收機中恢復授時，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。

第2階段：GPS源基于網(wǎng)絡的授時服務，無線電集群聚集點中的PTP最高級時鐘，適合CPRI授時應用

 

在此應用中，BBU遠離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）處“匯集”。時間源可以是位于cRAN HUB的GPS接收機，其中GPS信號從天線直接傳輸?shù)郊稍贐BU中的接收機，或者，GPS接收機可以與PTP最高級時鐘結合，在這種情況下，PTP授時服務傳送給BBU中的PTP從站。一旦BBU從PTP流或GPS接收機中恢復了授時，它就會通過CPRI鏈路將授時傳輸?shù)竭h程無線電頭端（RRH）。3G和4G服務架構中的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作為無線電集群的基于網(wǎng)絡的授時源，它通過CPRI鏈路將時間從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)絡的授時服務，無線電集群聚集點中的PTP最高級時鐘，適合以太網(wǎng)授時應用

 

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計的授時，以避免增加無線電之間的同信道干擾。同時，BBU被分解為兩個組件功能，即分布式單元和集中式單元，在將基于CPRI的授時方式轉移到無線電內(nèi)的通過以太網(wǎng)的PTP方式后，它們都可以虛擬化。這將推動授時架構發(fā)生巨大變化：GPS將必須移動到無線電集群的聚合點，而PTP將在整個網(wǎng)絡中無處不在。這類架構將需要在網(wǎng)絡中更深入地部署穩(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，并為GPS時鐘提供系統(tǒng)備份和保護。

 

毫無疑問，5G服務將越來越依賴對PTP的設計，這樣才能確保在整個網(wǎng)絡中提供彈性和確定性的授時。隨著開放式RAN架構不斷發(fā)展并被5G部署所采用，5G無線電中將不再使用PTP授時流，且不再要求DU成為5G無線電的最高級時鐘授時鏈的一部分。具體如下圖C所示。

 

圖C. 此圖描繪了一個PTP最高級時鐘，它使用PTP協(xié)議直接向5G無線電中的PTP從站傳輸時間

 

總結

5G引入了一些重大變化，這些變化幾乎涵蓋了移動無線網(wǎng)絡架構的各個方面，包括所使用的RF頻率、無線電I/Q數(shù)據(jù)的傳輸、傳輸架構以及網(wǎng)絡的同步方式。在3G和4G系統(tǒng)中對GPS的依賴正轉向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格保證的5G無線電授時，以及運營商傾向于保證關鍵授時服務的相位對齊和控制。

更具確定性和更嚴格的授時能夠為永遠在線且無處不在的寬帶服務提供支持，而這將成為5G網(wǎng)絡的標志。

（來源：編譯自EDN， 作者：Jim Olsen，資深技術顧問，Microchip Technology Inc.）