5G 時間部署方案探討

詹鵬飛，朱家胡

（中國移動通信集團廣東有限公司中山分公司，廣東 中山 528403）

0 引 言

根據(jù)國際電信聯(lián)盟電信標準分局（Internatial Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector，ITU-T）的建議，5G 應(yīng)用會朝3 個場景發(fā)展。首先是增強移動帶寬（enhance Mobile Broadband，eMBB）業(yè)務(wù)，提供高速率、低時延數(shù)據(jù)連接，如超高清視頻和虛擬現(xiàn)實業(yè)務(wù)應(yīng)用；其次是高可靠低時延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，URRLC）業(yè)務(wù)，主要提供低時延、高可靠性連接，包括車聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療等；最后是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（Massive MachineType Communication，mMTC），主要用于滿足大量低速率終端的連接，如智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測。5G 網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)指標在各維度上都有顯著的提升，其中峰值帶寬提升20 倍，用戶體驗速度提升10 倍，時延降低10 倍。新型的業(yè)務(wù)和技術(shù)指標要求電信運營商提供一張高質(zhì)量、大帶寬、高吞吐量的承載網(wǎng)。很多國內(nèi)外的研究學者們開展了一系列關(guān)于5G 方案的研究，包括核心網(wǎng)的部署、前傳承載網(wǎng)部署、毫米波部署、無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署等，但是對于5G 網(wǎng)絡(luò)時間同步解決方案的研究還較少[1-3]。

5G 網(wǎng)絡(luò)的主流頻段，無論是3.5G 的C 波段還是毫米波，都將采用時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）工作模式，需要進行時間同步。根據(jù)目前的研究，5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)對時間的精度要求和4G網(wǎng)絡(luò)相同，需要±1.5 μs 的時間精度；而5G 無線技術(shù)中基站間的載波聚合協(xié)同，以及4G、5G 基站間的主從基站雙連接協(xié)同等，需要±350 ns 的時間精度。可見，5G的協(xié)同業(yè)務(wù)的時間同步精度要求比4G 高[4-7]。

1 頻率、相位和時間同步

1.1 頻率同步

頻率同步指不同的信號在相同的間隔內(nèi)有相同的脈沖個數(shù)，但脈沖出現(xiàn)的順序以及每個的脈沖的開始和結(jié)束時間不要求一致。頻率同步示意圖，如圖1所示。

圖1 頻率同步示意圖

1.2 相位同步

相位同步指兩個信號除了具有相同的頻率，同時每個脈沖的開始時間和結(jié)束時間也相同，但是沒有要求每個脈沖出現(xiàn)的順序一致。相位同步示意圖，如圖2 所示。

圖2 相位同步示意圖

1.3 時間同步

時間同步指兩個信號具有相同的頻率和相位，以及脈沖出現(xiàn)順序也相同。如圖3 所示，信號1 和信號2 都是按照脈沖1、2、3、4 順序出現(xiàn)的，同時信號1 和信號2 的頻率相同，信號1 的脈沖1、2、3、4 和信號2 的脈沖1、2、3、4 開始時間和結(jié)束時間完全相同。

圖3 時間同步示意圖

1.4 時鐘網(wǎng)絡(luò)同步方案

網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）承載網(wǎng)絡(luò)支持同步技術(shù)主要有同步以太網(wǎng)（Synchronous Ethernet，SyncE）、網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）和精確時間同步協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）1588v2 技術(shù)。SyncE 同步以太網(wǎng)技術(shù)只支持頻率同步，不支持時間同步，適用于只需要頻率同步的無線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。NTP 支持時間同步，但精度為毫秒級別，達不到無線系統(tǒng)的精度要求。PTP 1588v2 同時支持頻率同步和時間同步，精度達到亞微秒級，能夠滿足各種無線網(wǎng)絡(luò)的要求。不同技術(shù)時鐘特性對比，如表1 所示。

表1 不同技術(shù)時鐘特性對比

2 傳統(tǒng)時間同步方案

傳統(tǒng)2G 網(wǎng)絡(luò)的時鐘解決方案，如圖4 所示。該方法通過隨站部署全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）接收器的方式，使得每個基站直接從GPS 衛(wèi)星接收時鐘同步信號。時鐘信號的傳遞無須經(jīng)過有線承載網(wǎng)絡(luò)。這種方案的部署存在5 點不足：（1）安裝選址困難，尤其是室分站點的GPS 選址受阻大；（2）維護方面難，失效故障率高，時鐘信號故障需要上站進行維護；（3）饋線敷設(shè)困難，尤其是室分站點的饋線敷設(shè)難度大；（4）成本高，因每個基站都需要配備GPS 接收器，其材料及施工成本高；（5）安全隱患性大，GPS 信號時鐘源受制于國外，緊急情況下整個網(wǎng)絡(luò)可能由于時鐘信號被關(guān)閉而癱瘓。

圖4 傳統(tǒng)GPS 同步方案

1588v2 同步方案，如圖5 所示。該方案時間源采用部署在核心層的后臺智能傳送服務(wù)（Background Intelligent Transfer Service，BITS），承載網(wǎng)逐級傳遞同步信息到每個站點。該方案存在的2 點不足：（1）承載網(wǎng)需整網(wǎng)開通，而當前使用的承載網(wǎng)收發(fā)路徑并非理想對稱，需進行測量補償，故開通工作量較大；（2）時間信號傳遞路徑長、損耗大，時鐘信號不夠精準。但是，該方案可通過適當優(yōu)化同步網(wǎng)部署策略等，滿足5G 網(wǎng)絡(luò)的高精度時間同步需求。

圖5 方案1588v2 同步方案概圖

3 1588v2 原理及提升同步精度的方法

1588v2 是一種精確時間同步協(xié)議，通過通信網(wǎng)絡(luò)主從設(shè)備間的消息傳遞，計算時間和頻率偏移，將各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上獨立運行的時鐘同步到相同的精度和準確度。1588v2 的主要特性：（1）高精度；（2）采用透明時鐘防止級聯(lián)拓撲中的誤差累計；（3）采用時鐘源優(yōu)先級的設(shè)置和時鐘質(zhì)量的對比，起到故障容限的作用。

1588v2 通過3 個步驟實現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時間同步：步驟1，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過最佳主時鐘（Best Master Clock，BMC）算法建立時鐘主從關(guān)系，選取每個節(jié)點的最優(yōu)時鐘和協(xié)商端口的狀態(tài)等；步驟2，完成主節(jié)點和從節(jié)點的頻率同步；步驟3，實現(xiàn)主節(jié)點和從節(jié)點的時間同步。

1588v2 應(yīng)用場景下的承載網(wǎng)可以通過對部署策略等進行適當優(yōu)化來提升時間同步精度，主要方案有3 個：（1）從時間源頭上提升，升級高精度的時間源；（2）進行時間源下移，縮短傳輸路徑；（3）增強承載設(shè)備的同步精度能力。提升高精度時間同步的方案，如圖6 所示。

圖6 提升高精度時間同步的方案

4 部署方案及對比分析

為方便5G 基站接入及節(jié)約建設(shè)成本，1588v2 時間承載網(wǎng)利用運營商當前的傳輸承載網(wǎng)，承載設(shè)備不做專門升級更換。根據(jù)1588v2 時間源和承載路徑的不同，5G 基站可以采用5 種不同部署方案。

方案1：5G 基站通過單GPS 同步時間，無須接入1588v2。該方案需要逐站隨站進行GPS 接收器部署。

方案2：5G 基站以GPS 為主用時間源，同時通過傳輸接入1588v2 作為備用時間。1588v2 時間源通過承載網(wǎng)核心層接入。本方案分2 個階段實現(xiàn)：階段1 基站隨站部署GPS，實現(xiàn)快速接入5G 信號；階段2 是在承載網(wǎng)條件成熟后，整網(wǎng)開通1588v2 時間同步網(wǎng)。

方案3：5G 基站傳輸接入1588v2 時間信號，在核心層部署單大樓綜合定時系統(tǒng)（Building Integrated Timing System，BITS）時鐘源，無備份時鐘。本方案在承載網(wǎng)核心層接入1588v2 時鐘源，時鐘信號通過承載網(wǎng)逐級傳遞下發(fā)到基站，作為基站側(cè)唯一的時鐘源。

方案4：5G 基站傳輸接入1588v2 時間信號，在接入層部署B(yǎng)ITS 時鐘源，無備份時鐘。匯聚接入邊緣側(cè)部署小容量的BITS 時鐘源，通過承載網(wǎng)接入層的1588v2 傳遞同步信號下發(fā)到基站，作為基站側(cè)的唯一的時鐘源。

方案5：5G 基站傳輸接入主備1588v2 時間信號，分別在核心層和在接入層部署B(yǎng)ITS 時鐘源。本方案分2 個階段實現(xiàn)：階段1 在匯聚層邊界快速部署小容量BITS，打通接入層1588v2 時鐘鏈路，快速開通無線基站側(cè)業(yè)務(wù)；階段2 待承載網(wǎng)和核心側(cè)BITS條件成熟后，整網(wǎng)開通1588v2。

從時間同步網(wǎng)的時間精度損耗、網(wǎng)絡(luò)安全性及可靠性、部署周期、故障定位以及建設(shè)成本等多個維度對比5 種部署方案的優(yōu)缺點，如表2 所示。

表2 5 種方案的對比

由表2 可知，這5 種方案均有各自的優(yōu)勢與不足，各地運營商在部署5G 時間時，需根據(jù)當前BITS、承載網(wǎng)及5G 建設(shè)進度要求等，選擇合適的部署方案，靈活開展5G 時間的部署。

5 結(jié) 論

對于目前的承載時鐘部署，為適應(yīng)5G 業(yè)務(wù)需求，建議從3 方面考慮1588v2 同步網(wǎng)部署：第一，必要性方面，受限于GPS 方案中的安裝選址難、對外安全等問題，建議分階段逐步推進1588v2 的全網(wǎng)開展，同時使用5G 業(yè)務(wù)承載網(wǎng)建立時間同步網(wǎng)，有效降低GPS 接收器成本和運營成本；第二，靈活性方面，在地鐵、隧道特殊場景下，GPS 饋線敷設(shè)困難，可通過1588v2 解決，而對于高精度時間同步要求的5G 協(xié)同業(yè)務(wù)場景，需建設(shè)高精度BITS 時鐘源并進行下沉；第三，部署規(guī)劃方面，為滿足高精度時鐘需要，可先針對處于下層的設(shè)備進行升級和BITS 部署，分階段逐步開通解決，待條件成熟后，再往上層鋪開升級和部署。