FDD-LTE 4G基站同步授時安全應對策略研究與試驗

［洪春金 許向東 黃毅華 盧洪濤］

1 引言

目前國際形勢復雜，中美關系緊張，并有愈演愈烈的趨勢。目前全球GPS 同步衛星服務由美國運營掌控，而目前中國絕大部分4G基站均采用美國GPS 作為授時同步源，若由于種種原因，美國切斷中國區域的GPS 同步授時服務，中國絕大部分4G基站將由于丟失同步源而全部癱瘓，4G 業務無法使用，對中國的影響極大，后果不堪設想。在中美關系每況愈下的情況下，提前考慮中國4G移動通信網絡的同步授時安全問題及相應對應策略，將是極其重要及必要的。

2 FDD-LTE 4G基站同步模式選擇

FDD-LTE 4G基站采用頻分雙工機制，4G基站小區間不需要嚴格時間同步，采用頻率同步方式即可滿足4G基站同步要求，因此在5G NR TDD基站建網前，FDDLTE 4G基站在不需要時間同步應用場景（例如COMP 等）的情況下，可以選擇如“以太同步、GPS 頻率同步”等方式。5G NR TDD基站建網后，由于涉及4G/5G 互操作，FDDLTE 4G基站要求選擇時間同步，原因分析如下。

（1）4G-FDD基站采用頻率同步，5G-TDD基站采用時間同步

如圖1 所示，因4G基站與5G基站間時鐘同步模式差異，標準5G 終端在現網4G網絡配置的LTE GAP 測量周期內(測量周期Measurement Gap Repetition Period=40 ms，測量間隔Measurement Gap Length=6 ms)大概率測不到NR 鄰區SSB 信號，從而導致4G基站到5G基站切換不成功，極大影響5G 終端在SA 組網架構下的4G 到5G 切換功能。

圖1 4G-FDD 頻率同步5G-TDD 時間同步

（2）4G-FDD基站和5G-TDD基站均采用時間同步

如圖2 所示，在4G-FDD基站和5G-TDD基站均采用時間同步的情況下，假設4G基站幀頭與5G基站幀頭對齊（站間Time Alignment 校準Error，TAE=0 ms），所以考慮到5G基站SSB Offset 設置下（通常為0，SSB在第0 個子幀），4G基站的MG offset 設置和MGL 測量間隙時長能夠滿足在MGL 時間段內能夠測量到5G SSB 信號，因此4G基站到5G基站能夠切換成功。

圖2 4G-FDD 時間同步5G-TDD 時間同步

3 4G基站丟失GPS 同步源的應對策略

通過第2 章節的理論分析，第3 章節將結合每種同步技術方案實施的應用場景、改造成本、實施難度等進行多維度比較分析，并對以下4 種替代同步技術方案進行現網試點評估或邏輯推導，得出具有實際應用參考價值的部署方案。

3.1 應對方案

（1）SyncE 同步以太方案

4G基站在GPS 同步源丟失的情況下，依賴4G基站自身晶振，基站一般能保持12～24 小時頻率同步，在此時間后，基站將無法保持嚴格頻率同步，從而導致滑碼、累積誤碼，影響基站切換，嚴重影響用戶業務體驗。通過第二章節的分析，在不考慮4/5G 互操作的場景，可以采用“SyncE 同步以太方案”，為4G-FDD基站提供頻率同步，從而保障4G網絡的正常運行。

如圖3 所示，同步以太方案的雙BITS 時鐘的時鐘源為北斗BDS 系統，通過同步以太或外時鐘口接入CX600設備，同時每臺BITS 與設備間的接口最好進行11 保護，中間網絡需要規劃好主備跟蹤路徑和時鐘跟蹤接口，并全網啟用SSM 協議。環上節點應從最短路徑跟蹤。優先級規劃建議10、20、30 類推，為后續增加時鐘源預留優先級值。4G基站一般通過ETH 口從A 設備獲取時鐘。同步以太方案需要逐跳支持，另外中間網絡需符合以下原則：從BITS 設備到基站的同步路徑節點不超過20 個，超過20 個的場景，需要將時鐘源下移。目前傳輸網的傳輸設備均支持頻率同步信號傳遞，不需要進行OTN 傳輸改造，因此該方案改造成本低，部署相對容易。

圖3 同步以太方案

（2）1588v2 時間同步方案

在考慮4/5G 互操作的場景，4G基站要求時間同步，此時可以采用1588v2 方案，但該方案涉及相關網絡設備的升級改造，包括BITS 時鐘需增加北斗星卡模塊、北斗天線模塊及時間輸出模塊，傳輸設備（主要是M-D 設備間波分設備）需升級支持PTP（1588v2）信號，因此該方案對現網影響較大，改造成本高，部署難度較大，適合在4G基站無法安裝GPS 同步天線的場景，作為有效補充。

如圖4 所示，1588v2 時間同步方案的時間源，采用雙BITS 部署1588v2 OC 模式，雙BITS 通過FE/GE 口或者1PPS ＋ToD 向核心匯聚點注入時間，同時IP RAN網絡將從時間服務器獲取的時間信號通過1588v2 協議傳送至4G基站。逐跳部署1588v2，承載網絡全網配置BC 模式，協議封裝格式一般采用L2 組播，BMC 算法支持破環。1588v2 需要保障每對光纖長度對稱性，否則進行補償。和以太同步一致，實際部署一般控制在20 跳以內。4G基站通過PTP 接口（FE/GE，1588v2 OC 模式）或（1PPS ＋ToD）&2M 外時鐘接口接收1588v2 時間同步信號。

圖4 1588v2 方案

（3）4G基站升級到支持北斗/GPS 雙模方案

2019 年9 月，中國北斗衛星授時系統正式向全球提供服務，因此通過對4G基站星卡進行升級或更換，更換或增加相應板卡以及GNSS 天線，實現對北斗的適配，從而使4G基站可以通過中國北斗授時系統實現時間同步，該方案技術成熟，但改造成本相對較高，適合某些需要重點保障的4G 站點以及有緊急任務需求和保障的場景，例如應急通信車上的4G基站。

（4）4G SyncE 同步以太方案+5G NR SSB 周期20 ms→5 ms 方案

如圖5 所示，在GPS 授時服務無法正常提供，1588v2時間同步方案無法全網部署的情況下，如果還要保證4G/5G 的互操作功能，則可以考慮4G基站采用“SyncE同步以太方案”，同時將5G NR SSB 周期從原來的20 ms 修改為5 ms，增加SSB 的發射頻率，從而保證5G 終端的4G 模塊，在LTE GAP 測量周期內能夠搜索到NR SSB，同步到NR網絡從而成功切換到5G基站。

圖5 4G 頻率同步，5G 時間同步，SSB 發送周期5 ms

如表1 所示，以某運營商5G基站上下行子幀配比為DDDSUDDSUU為例，由于該方案增加了SSB的發射頻率，因此會對5G網絡的下行性能造成一定的損失，經計算對比，5G網絡的下行性能損失約為3%，該方案適合在戰時或緊急情況下，基本保證4G、5G網絡均能正常工作的場景。

表1 NR SSB 周期20 ms →5 ms，5G網絡下行性能損失計算表

3.2 小結

通過對“方案1”和“方案2”在某運營商進行試點評估，“方案3”和“方案4”邏輯推導等方式，并結合同步授時精度、4/5G 互操作功能、改造成本、實施難度、應用場景等維度進行綜合闡述分析，得出如表2 所示，具有實際應用參考價值的結論。

表2 試驗評估及邏輯推導結果

4 FDD-LTE 4G基站同步授時方案創新思考

雖然中國北斗授時系統已在2019 年正式啟用，但由于歷史原因，目前某運營商FDD-LTE 4G基站絕大部分僅支持GPS 衛星授時，如果對全網4G基站改造為支持BDS/GPS 雙模授時服務，改造成本高，不經濟也不現實。因此可以研發一種參考中國北斗系統同步產生GPS 信號授時的轉換裝置，通過該轉換裝置，可以產生與中國北斗信號嚴格同步的GPS 信號，并向下集中授時，支持“一拖多”，可以對機房中多個4G BBU 進行集中授時。如圖6、圖7 所示。

圖6 改造前后系統對比示意

圖7 北斗轉GPS 信號發生器原理

該系統滿足BBU 的GPS 同步信號輸入要求，并且頻率精度和時間精度均能滿足基站要求，僅需增加北斗同步GPS 信號發生器，而無需對現有4G基站和網絡進行任何改動，可以實現改造最小化，以較低成本解決4G基站無GPS 同步授時的問題。此方案尤其適合某些重點區域的4G 站點或者應急通信車的4G 站點，若國際形勢非常危險，在迫不得已的情況下，甚至可以考慮在整張4G網絡全部部署該裝置，以確保4G網絡可以正常運行，4/5G 互操作正常，5G網絡性能無損失。

5 結束語

通過對4G基站丟失GPS 同步授時的4 種技術方案進行多維度分析，經現網試點評估驗證或推導分析進行綜合闡述論證，得出具有實際意義的結論。同時，在中國北斗授時系統已正式啟用的情況下，創新性的提出可行性高的解決方案，具有很大應用空間。眾所周知，網絡信息戰已然是現代戰爭的重要一環，從國家網絡戰略安全層面考慮，提前考慮及制定4G網絡同步授時應對方案，借助中國自研的北斗授時系統，加快“參考中國北斗系統同步產生GPS 信號授時的轉換裝置”的研發及應用，防范于未然，將可以使中國能夠更加從容應對4G 移動網絡可能受到的安全攻擊問題。