面向5G的高精度下沉式時(shí)間源部署方案研究

（CWW）隨著5G網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，其三大應(yīng)用場(chǎng)景——eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）、mMTC（海量機(jī)器類通信）、uRLLC（超高可靠低時(shí)延），對(duì)基站提出了更為嚴(yán)格的時(shí)間同步要求。5G高精度時(shí)間同步需求主要體現(xiàn)在基本業(yè)務(wù)、協(xié)同業(yè)務(wù)和垂直行業(yè)應(yīng)用業(yè)務(wù)3個(gè)方面。

第一，基本業(yè)務(wù)時(shí)間同步是所有TDD制式無(wú)線系統(tǒng)的共性需求，主要是為了避免上下行時(shí)隙間干擾。5G基站在承載基本業(yè)務(wù)時(shí)，其空口間對(duì)于時(shí)間同步精度的指標(biāo)要求為±1.5μs。

第二，5G系統(tǒng)將廣泛使用的多點(diǎn)協(xié)同（CoMP）、帶內(nèi)載波聚合（CA）等協(xié)同技術(shù)，對(duì)時(shí)間同步精度的指標(biāo)要求為±130ns。

(資料圖)

第三，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模建設(shè)，無(wú)人駕駛、無(wú)人物流、智能機(jī)器人等基于5G的垂直行業(yè)應(yīng)用層出不窮，這些應(yīng)用也對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的超高精度時(shí)間同步提出了更高的指標(biāo)要求。

基于GNSS+1588v2技術(shù)的高精度同步網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

傳統(tǒng)的基站時(shí)間同步方案主要為直掛衛(wèi)星天饋線接收GNSS（GPS/北斗）衛(wèi)星信號(hào)，但由于天饋線部署難度較大，經(jīng)常伴有產(chǎn)權(quán)糾紛或者施工困難等諸多問(wèn)題，并且成本也居高不下。近些年，三大運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)逐步開始采用IEEE 1588v2技術(shù)，通過(guò)地面承載鏈路傳遞至基站，目前可以滿足基站基本業(yè)務(wù)的時(shí)間同步需求，實(shí)現(xiàn)高可靠性、天地互備的基站時(shí)間同步授時(shí)方式。

為保證精確時(shí)間傳遞，整個(gè)移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)(包括時(shí)間服務(wù)器、傳送與承載網(wǎng)元、5G基站)需要以頻率同步作為時(shí)間信號(hào)精確傳遞的基礎(chǔ)支撐，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由此形成兩個(gè)邏輯層面——頻率層和時(shí)間層。目前獲得業(yè)界認(rèn)可的同步傳遞技術(shù)是SyncE（同步以太）+1588v2，即頻率層同步采用同步以太技術(shù)，時(shí)間層同步采用1588v2分組報(bào)文。本文提出的高精度同步網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于GNSS+1588v2技術(shù)的高精度同步網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

數(shù)字同步網(wǎng)分為頻率同步網(wǎng)和時(shí)間同步網(wǎng)。其中，頻率同步網(wǎng)是全國(guó)性網(wǎng)絡(luò)，時(shí)間同步網(wǎng)是以地市為單位的本地層面網(wǎng)絡(luò)。同步網(wǎng)絡(luò)采用“天面主用、地面鏈路備用”的原則，天面采用北斗/GPS雙模接收，地面鏈路分別通過(guò)頻率同步網(wǎng)、時(shí)間同步網(wǎng)傳遞頻率和時(shí)間信號(hào)。

頻率同步網(wǎng)屬于全國(guó)性的頻率同步網(wǎng)，分為省際、省內(nèi)和本地3層。除5個(gè)基準(zhǔn)參考時(shí)鐘PRC節(jié)點(diǎn)外，省際層面在國(guó)內(nèi)31個(gè)省(區(qū)、市)按每省“一主一備”分別設(shè)置兩套區(qū)域基準(zhǔn)時(shí)鐘LPR。

1588v2時(shí)間同步網(wǎng)目前暫時(shí)局限于本地網(wǎng)層面使用，通過(guò)本地移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)為5G基站提供時(shí)間同步。采用每個(gè)本地網(wǎng)內(nèi)分別配置“一主一備”2套1588v2高精度時(shí)間同步服務(wù)器(PRTC+GM)的部署方式，每個(gè)PRTC+GM設(shè)備從空中衛(wèi)星（GPS/北斗）獲取時(shí)間和頻率，然后通過(guò)傳輸承載網(wǎng)絡(luò)傳遞給每個(gè)5G基站。

本地網(wǎng)小型化下沉式時(shí)間源部署策略

每個(gè)設(shè)備傳遞1588v2同步信號(hào)時(shí)都會(huì)引入誤差。為了滿足5G基站的基本業(yè)務(wù)時(shí)間同步精度要求±1.5us，除去時(shí)間源自身和基站空口時(shí)間誤差外，按照每個(gè)設(shè)備引入50μs誤差計(jì)算，運(yùn)營(yíng)商一般規(guī)定從核心時(shí)間源設(shè)備到基站之間的同步鏈路經(jīng)過(guò)的設(shè)備個(gè)數(shù)不能超過(guò)20個(gè)。但隨著更高時(shí)間同步精度需求的5G業(yè)務(wù)發(fā)展，傳統(tǒng)方式無(wú)法滿足新的業(yè)務(wù)要求，其解決方案是提升傳輸承載網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備的同步精度，從而達(dá)到端到端更高的精度。但提升設(shè)備的同步精度，一般都需要升級(jí)設(shè)備硬件，部署成本較高。

為了應(yīng)對(duì)更高精度的時(shí)間同步業(yè)務(wù)需求，本文提出小型化下沉式高精度時(shí)間服務(wù)器部署的技術(shù)解決方案，即在靠近基站的綜合接入點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)位置，再部署新的下沉式時(shí)間服務(wù)器。通過(guò)減少時(shí)間源與基站之間的跳數(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間同步，避免為了傳遞高精度時(shí)間同步而提高對(duì)傳輸承載設(shè)備自身時(shí)鐘精度的要求，降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本。下沉式時(shí)間源部署策略如圖2所示，只在一個(gè)匯聚接入環(huán)上引入了兩個(gè)下沉式時(shí)間源，實(shí)際部署時(shí)，可以根據(jù)每個(gè)環(huán)連接的5G基站是否需要支持更高的時(shí)間同步精度而選擇按需部署。

圖2 下沉式時(shí)間源部署策略

網(wǎng)絡(luò)中引入新的下沉式時(shí)間源后，原位于核心節(jié)點(diǎn)的本地主/備用時(shí)間服務(wù)器（核心時(shí)間源）和下沉式時(shí)間源之間的聯(lián)合工作模式原則為：5G基站及匯聚接入環(huán)設(shè)備優(yōu)先跟蹤下沉式時(shí)間源的1588v2信號(hào)，備份跟蹤核心時(shí)間源的1588v2信號(hào)，具體方案如下。

首先，連接有下沉式時(shí)間源的匯聚接入環(huán)設(shè)備優(yōu)先跟蹤下沉式主時(shí)間源的1588v2信號(hào)；當(dāng)下沉式主時(shí)間源發(fā)生故障時(shí)，切換跟蹤到下沉式備時(shí)間源的1588v2信號(hào)；當(dāng)下沉式主、備時(shí)間源都發(fā)生故障時(shí)，匯聚接入環(huán)設(shè)備切換跟蹤到核心主時(shí)間源的1588v2信號(hào)；當(dāng)核心主時(shí)間源也發(fā)生故障時(shí)，匯聚接入環(huán)設(shè)備切換跟蹤到核心備時(shí)間源的1588v2信號(hào)。

其次，核心匯聚環(huán)設(shè)備只跟蹤核心主、備時(shí)間源的1588v2信號(hào)，不能跟蹤下沉式時(shí)間源的1588v2信號(hào)。

最后，全網(wǎng)設(shè)備的同步以太部署方式維持現(xiàn)狀，匯聚接入環(huán)設(shè)備的同步以太繼續(xù)跟蹤核心側(cè)的同步以太時(shí)鐘。

該下沉式時(shí)間服務(wù)器部署方案已寫入ITU-T G.8275標(biāo)準(zhǔn)，并且在2022年11月正式發(fā)布。

本地網(wǎng)小型化下沉式時(shí)間源配置方案

基于上述原則，本文提出了Priority2+MasterOnly的下沉式1588v2時(shí)間源配置方案，具體如下。

一是保持當(dāng)前既有核心時(shí)間源配置不變，例如核心主時(shí)間源的1588v2參數(shù)Priority2配置為100，核心備時(shí)間源1588v2參數(shù)Priority2配置為120。

二是根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ITU-T G.8275.1規(guī)定的BMCA選源算法，配置下沉式主、備時(shí)間源的Priority2參數(shù)值小于核心主、備時(shí)間源的Priority2參數(shù)值，如：下沉式主時(shí)間源Priority2配置為60，下沉式備時(shí)間源Priority2配置為70，使得匯聚接入環(huán)設(shè)備優(yōu)先跟蹤下沉?xí)r間源，備份跟蹤核心時(shí)間源。下沉式時(shí)間源配置方案如圖3所示。

三是為了避免核心匯聚設(shè)備反向跟蹤下沉式時(shí)間源，還需要在相應(yīng)核心匯聚設(shè)備的端口（例如圖3中的OTN3、OTN4設(shè)備連接MER設(shè)備的端口）上配置為MasterOnly模式，即：該端口的1588v2狀態(tài)只能為Master，不能為Slave或Passive狀態(tài)。如果設(shè)備不支持MasterOnly的配置功能，也可以在對(duì)端設(shè)備的端口上（如圖3中的MER1連接OTN3的端口，以及MER2連接OTN4的端口）上配置notMaster模式，即：該端口的1588v2狀態(tài)只能為Slave或Passive，但不能為Master。

圖3 下沉式時(shí)間源配置方案

下沉式時(shí)間源實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上文提出的下沉式時(shí)間源部署策略及配置方案的實(shí)際效果，項(xiàng)目組按照?qǐng)D4的拓?fù)浯罱藢?shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境。其中，BITS為時(shí)間源設(shè)備，OTN為光傳送網(wǎng)設(shè)備，MCR/MER/MAR為智能城域網(wǎng)設(shè)備，核心主/備BITS、下沉主/備BITS均鎖定北斗衛(wèi)星。所有設(shè)備的同步以太都配置為跟蹤核心主BITS，設(shè)備的同步以太端口優(yōu)先級(jí)按照最短跳數(shù)原則配置，設(shè)備的1588v2配置模式遵從ITU-T G.8275.1標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)頻測(cè)試儀表測(cè)量設(shè)備MAR3的1588v2輸出信號(hào)。

圖4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證拓?fù)?/p>

為了驗(yàn)證下沉源部署前后對(duì)比的效果，首先配置圖4中的核心主BITS的Priority2為100，核心備BITS的Priority2為120，所有設(shè)備跟蹤核心主BITS，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)1h；然后再配置下沉主BITS的Priority2為60，以及下沉備BITS的Priority2為70，接入環(huán)所有設(shè)備均切換為跟蹤下沉主BITS，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)1h，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 下沉源部署前后網(wǎng)絡(luò)末端接入設(shè)備輸出時(shí)間精度結(jié)果

從圖5可以看出，在接入層設(shè)備跟蹤核心時(shí)間源時(shí)，1588v2時(shí)間精度為97ns~105ns；當(dāng)切換為跟蹤下沉式時(shí)間源時(shí)，精度可以提升到19ns~38ns。設(shè)備在跟蹤核心時(shí)間源和下沉式時(shí)間源之間切換時(shí)，切換規(guī)則和輸出性能指標(biāo)符合預(yù)期。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，通過(guò)下沉源部署策略及配置方案可以較好提升5G時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的精度。

5G系統(tǒng)需要納秒量級(jí)的高精度時(shí)間同步能力，本文提出了本地高精度時(shí)間同步網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、下沉式時(shí)間源部署策略及配置方案，并開展了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證測(cè)試。實(shí)測(cè)結(jié)果證明下沉式時(shí)間源部署策略及配置方案可以提升5G時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間精度，從而滿足更高精度的時(shí)間同步業(yè)務(wù)需求。

高精度時(shí)間同步網(wǎng)不僅可以為5G網(wǎng)絡(luò)商用部署提供強(qiáng)大的基礎(chǔ)支撐，同時(shí)可以為有高精度授時(shí)、導(dǎo)航和定位需求的行業(yè)級(jí)應(yīng)用及消費(fèi)級(jí)應(yīng)用提供強(qiáng)有力保障，除大大提升用戶感知外，還能增加運(yùn)營(yíng)商5G用戶的黏性。高精度授時(shí)服務(wù)必將成為一種可以為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)廣闊市場(chǎng)前景的高價(jià)值服務(wù)。

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