4G基站時鐘信號獲取改造方案探討

武 飛，潘 濤

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 4G基站同步信號方案現狀及存在問題

4G承載采用了全IP化的網絡架構，相比3G時期的MSTP方式極大地提高了傳輸效率，但同時也失去了可靠的時鐘信號來源。因此，LTE系統的正常運行需有一個同步架構實現時間和頻率的同步。根據3GPP標準的要求，頻率準確度達到0.05×10-6、時間準確度在2.5 μs內時，才能保證網絡最高效[1]。

目前運營商4G基站主要以GPS作為時鐘源，在每個基站站點處安裝GPS信號接收裝置。若GPS失效，由于無第二時鐘信號源，因此4G基站將無法正常工作，造成非常嚴重的后果。

為進一步保障業務的安全性，確保GPS失效時網絡的正常運行，需要對基站時鐘信號獲取模式進行升級優化。

2 解決思路及方案

需引入備用同步源，并提供可靠的時鐘同步信號傳輸通道，保證高精度時鐘信號可從同步源穩定傳送到4G基站。目前同步源有兩種選擇，分別為北斗衛星系統和運營商時鐘同步系統。

中國北斗衛星導航系統是中國自行研制的全球衛星導航系統，經過近20年的發展已成為繼GPS、GLONASS之后的第3個成熟的衛星導航系統，是聯合國衛星導航委員會已認定的供應商。目前北斗相關產品已廣泛應用于交通運輸、海洋漁業以及水文監測等多個領域，系統的可靠性、準確性已得到充分驗證。將其作為4G基站的備用同步輸入，可有效保障GPS失效時4G基站可獲取精確的時鐘信號，進而保證網絡正常運行。

運營商時鐘同步系統目前主要滿足語音核心網（TDM網元）和OTN/SDH網（基于VC的組網型專線）頻率同步需求，由骨干（PRC+LPR）+本地BITS設備構成。PRC為最高等級的地面主基準時鐘，由銫原子鐘+BITS組成，銫鐘頻率精度一般優于0.01ppb（10-12）。LPR由衛星系統+內置銣鐘的BITS組成，銣鐘頻率精度一般優于1ppb（10-8）[2]。PRC一般在區域中心城市設置，LPR一般在省會設置。此外，在各本地網設置本地2級鐘。同步網設備以GPS和北斗信號主用同步源，通過省際和省內SDH系統進行地面頻率同步傳遞，用于GPS故障時下級時鐘設備跟蹤上級時鐘設備。

由以上介紹可知，北斗和運營商時鐘同步系統均為可靠的時鐘源，由此有兩種可供選擇的解決方案。方案一是所有4G基站均加裝北斗模塊，將北斗信號作為備用同步輸入。方案二是組建運營商時鐘同步系統至4G基站的同步信號地面傳輸鏈路，將地面同步信號作為備用同步輸入。

3 方案對比及推薦

方案一需在每個4G基站安裝北斗模塊，并對現有基站設備和鏈接線纜進行改造。經測算，單站費用約需14 112元。而方案二主要建設現有同步系統至4G基站的時鐘信號傳輸鏈路，成本較低。

目前可靠的時鐘信號傳送方式有兩種，一種為采用基于TDM技術的SDH系統進行傳送，另一種為采用1588 V2協議在IP系統中傳送[3]。SDH是嚴格同步的，在保證整個網絡穩定可靠、誤碼少的同時，也具備傳送高精度時鐘同步信號的能力。

IEEE1588協議基本構思是通過硬件和軟件將網絡設備（客戶機）的內時鐘與主控機的主時鐘實現同步，提供同步建立時間小于10 μs的運用[4]。目前協議已發展到V2版本，提高了同步的精度，引入了透明時鐘TC模式并新增端口間延時測量機制等，通過非對稱校正減少了大型網絡拓撲中的積聚錯誤[5]。各運營商的4G基站承載系統均支持1588 V2協議，可直接用于傳送時鐘信號[6]。

考慮到現網4G基站數量龐大，采用方案一全部改造的成本將非常高，而且改造操作復雜、工作量大、施工周期長，基本不具可行性。方案二可直接利舊現有時鐘同步系統和傳輸網，改造成本低、周期短，是較為理想的選擇。

4 推薦方案介紹

為保障4G基站在GPS失效時仍可正常獲取時鐘信號，本方案將本地BITS設備與STN/IPRAN-ER對接，隨業務流傳遞SyncE+PTP（1588 V2）信息，向基站提供“時間+頻率”同步信號[7]。方案二實現原理如圖1所示。

2002年至今，中國汽車產業從井噴式發展開始，近18年的高速增長期，產銷規模早已超越美國躍居世界第一。根據中汽協數據，2017年我國新車產銷量分別為2901.5萬輛和2887.9萬輛。經銷商做為一個獨立的市場主體，為汽車產業發展做出十分重要的貢獻，自身業態也日趨成熟。近兩年來，隨著我國經濟結構調整和供給側改革的推進，汽車產業步入低速增長期，行業競爭日趨激烈，也迫使汽車經銷商尋求加速轉型升級。依托大數據的精準營銷，日漸成為汽車經銷商可以借力的重要創新轉型渠道。

圖1 方案二實現原理

時間和頻率同步信息在城域ER注入，在STN/IPRAN網絡內隨業務流帶內傳遞，每臺B、A設備通過BMC算法優選時間同步主master，通過SyncE逐跳鎖定頻率同步信息[8]。為保證信號精度，要求傳遞路徑上的光纖對稱，否則可能產生較大誤差[9]。

5 可能存在的問題及解決策略

5.1 現網部分時鐘設備老舊，存在功能缺失

地面時鐘設備一般由衛星接收機、銣鐘以及BITS組成。在衛星系統可用時，接收衛星系統的授時信號；在衛星系統故障時，內部銣鐘開始工作，頻率精度為10ppb（10-8）。部分現網的時鐘設備只配置了GPS衛星接收機，當GPS故障時需依靠內部銣鐘提供頻率信號。由于銣鐘精度較低，只能短期滿足4G基站同步要求，長期使用仍會出現信號損傷的情況。

此外，還有部分時鐘設備不支持SyncE+PTP（1588 v2）信息輸出，也就無法通過現有的IP承載網將同步信號傳送到基站端。

對于上述問題，需對現有時鐘設備進行改造更新。對于不支持接受北斗信號的設備，應加裝北斗模塊，保證BITS設備能同時接收到GPS和北斗的衛星信號，當GPS信號失效時可快速切換至北斗信號。對于不支持SyncE+PTP（1588 V2）信息輸出的設備，應擴容相關板卡，使設備具備相應能力。對于部分不支持加裝北斗模塊或不支持升級1588V2信號輸出功能的老舊設備，應采用新設備進行替換。

5.2 部分采用波分承載的IP鏈路不支持1588 V2信號傳送

對來自BITS設備的時鐘信號需利用IP傳輸系統傳送到基站端，當傳輸距離較短時采用裸纖方式組網，距離較長時（如縣城至所屬地市的鏈路）往往會通過波分系統承載。由于現網大部分波分設備建設時間早，不支持1588 V2時間同步傳送功能，因此在使用由波分系統承載的IP傳輸系統鏈路傳遞時鐘信號時，若采用BIT透傳方式，處理過程中傳輸網設備進行光電處理會引起抖動。當抖動超過一定范圍，可能引起失鎖，進而致使傳輸失敗[10]。一般來說，當承載網存在大于±5 μs的抖動時，會出現失鎖現象。

為解決此問題，需對不滿足要求的波分系統進行改造。對于支持1588 V2時鐘信號傳輸但未配置相關板卡的波分設備，可直接擴容時鐘板卡解決；對于不支持1588 V2時鐘信號傳輸的設備，需采用旁掛時鐘專用光子架的方式來實現。不管采用上述哪種改造方式，都需要保證時鐘透傳站點連續不能超過4個，否則會影響時鐘時間傳輸質量。在有條件的情況下，需增加時鐘處理單元。

波分設備與上游其他設備或BITS對接可以通過物理層接口的外部時鐘（CLK）和外部時間接口（TOD），也可以通過以太接口（SyncE）時鐘和PTP時間獲取外部時鐘時間，設備間對接可采用以下幾種方式。

（1）通過CLK+TOD兩個RJ45端口和BITS互聯，一個傳遞頻率信號，另一個傳遞時間信號，適用于現網大部分設備。

（2）通過GE光口互聯，可以是外時鐘GE，也可以是支持時間同步功能的業務端口(適用于有電層業務板卡的子架)。

（3）和IPRAN同機房時，可以是BITS連到IPRAN，然后IPRAN通過隨路時鐘送給波分設備(建議BITS直接連接波分光層子架，減少下游的累計跳數)。

波分設備的光電子架間的跟蹤一般需要通過物理層外部時鐘、外部時間跟蹤，下游設備通過OSC通道進行時鐘時間的跟蹤。下游設備與波分設備之間也可以通過物理層接口的外部時鐘（CLK）和外部時間接口（TOD）或以太接口（SyncE）時鐘和PTP時間獲取外部時鐘時間。波分設備外接時鐘總體如圖2所示。

圖2 波分設備外接時鐘

6 結 論

鑒于當前的國際形勢，對4G基站時鐘信號獲取方式進行升級改造，做到防患于未然，是非常有必要的。利舊現有時鐘同步系統、新建地面同步鏈路進行改造的方案具有建設成本低、施工周期短等優點，建設單位在選擇改造方案時可重點參考。