5G 基站納秒級時間同步技術分析

高 衡，王 顯，鄭碩超

（三維通信股份有限公司，浙江 杭州 310053）

0 引 言

在5G 網絡中，為實現基站之間非常精確的時間同步，使它們能夠在協調通信和數據傳輸方面高效合作，就需要采用納秒級時間同步技術。這種技術的主要內容是定期調整基站時鐘，以彌補由于信號傳播、設備時鐘漂移等因素引起的時間差異，從而確保基站之間納秒級別的時鐘同步，使它們能夠協調發送和接收數據包，準確傳遞數據。

1 5G 基站納米級時間同步技術的實現協議

為實現5G 基站納米級時間同步技術，采用多種協議和技術，其中包括全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）、精確時間協議（Precision Time Protocol，PTP）及同步以太網（SyncE）等。首先，GNSS 是一種利用衛星提供的信號來進行全球范圍導航和定位的系統，如全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、GLONASS、Galileo 等。5G 基站通過接收來自多顆衛星的定時信號，使用GNSS 實現全球性的高精度時間同步。GNSS 提供全球統一的時間基準，為基站提供可靠的時間信息，尤其在開放環境中，其覆蓋范圍廣，適用性強。其次，PTP 是一種用于實現精確時間同步的網絡協議，通常用于局域網（Local Area Network，LAN）[1]。5G 基站使用PTP協議在局域網內部實現微秒級別的時間同步，通過精確的時鐘同步，提高數據傳輸的協調性。應用PTP 協議，可以在局域網環境中實現高度準確的時間同步，適用于對時序要求嚴格的5G 應用場景。最后，SyncE 是一種以太網時鐘同步協議，為以太網網絡提供精確的時鐘同步。在5G 基站中，采用SyncE 協議確保在以太網網絡中實現基站之間微秒級別的時間同步。SyncE 適用于以太網環境，為5G 基站之間提供時鐘同步，進一步優化了網絡性能。總之，這些協議的綜合應用使得5G 基站能夠在納米級別實現時間同步，GNSS 提供全球性的時間基準，而PTP 和SyncE為局域網和以太網提供了更精確的時間同步，確保基站在不同范圍內都能夠高效、協同工作，為高速、低延遲的數據傳輸提供了堅實的基礎。

2 5G 基站納米級時間同步的關鍵技術

2.1 信號傳輸技術

2.1.1 全球導航星定時

在5G 基站納米級時間同步信號傳輸技術中，全球導航衛星的定時功能是至關重要的一環。這項技術涉及利用全球衛星導航系統（GPS、GLONASS、Galileo 等）提供的定時信號，以確保基站之間的高精度時間同步。GPS 與GLONASS 的對比如表1 所示，能夠了解其具體的技術。

表1 GPS 與GLONASS 的對比

通過分析全球導航系統，可以找出最優的定時和授時服務。5G 基站使用全球衛星導航系統的信號，這些系統由一系列衛星組成，通過向地面發送定時信號來提供全球范圍的導航和定位服務。基站需要將來自衛星系統的定時信號轉化為納米級別的時間同步，要求基站具備高度精密的時鐘同步技術，以確保信號的準確傳輸和接收。為保持信號的精度，基站使用先進的信號傳輸技術，通過適應性調整以應對信號傳輸中的所有變化[2]。

2.1.2 同步衛星雙向定時

在5G 基站納米級時間同步信號傳輸技術中，同步衛星雙向定時技術是確保基站與衛星之間實現精準時間同步的關鍵，衛星雙向定時如圖1 所示。首先，基站與同步衛星建立雙向通信鏈路，確保數據傳輸的可靠性，這是實現雙向定時的前提。同步衛星定期發送時間同步信號給基站，該信號包含衛星當前的時間信息，經過計算和精確調整后確保其準確性。當基站接收到來自衛星的定時信號后，就要使用專門設計的接收設備和算法來解碼與處理信號。其次，基站校正接收到的定時信號，考慮信號在傳播中可能遇到的延遲，包括空中傳播速度和大氣傳播延遲等因素[3]。作為雙向通信的一部分，基站向衛星發送反饋信息，包括基站當前的時鐘狀態、時鐘漂移等數據，為衛星進行相應調整提供必要的信息。最后，衛星根據基站反饋信息實時調整定時信號的發送，確保衛星能夠適應基站之間可能存在的時延差異，從而實現更精確的時間同步。為進一步優化基站的時間同步，衛星可能會發送輔助的定時信號，幫助基站更精確地校準其本地時鐘。同步衛星雙向定時技術在5G 基站納米級時間同步中的意義在于可以實現雙向的時間信息傳遞，使基站和衛星之間能夠共同調整地優化時間同步。

圖1 衛星雙向定時

2.1.3 地面傳輸定時

在地面傳輸定時中，基站需要與同步衛星建立穩定的通信鏈路，主要是建立地面站的設施、基站天線系統等。建立可靠的通信鏈路是確保雙向通信的前提。地面傳輸技術始于接收來自同步衛星的信號，接收設備需要高靈敏度，能夠準確捕捉衛星發送的定時信號。接收后，信號進行解碼，將模擬信號轉換為數字形式。接收到的信號用于同步基站的本地時鐘，包括校準基站的時鐘，以匹配衛星的時間標準，確保基站時鐘與衛星時鐘保持同步是實現精準時間同步的關鍵步驟。在處理接收到的信號時，主要是分析其中包含的時間信息。信號傳輸可能受不同因素的影響而引入時延，系統需要進行相應的補償。例如，可以使用補償算法，考慮信號在傳播中的速度和其他因素，將基站的時鐘與整個網絡同步，確保基站在網絡中的時間標準一致，這是5G網絡中各個基站協同工作的基礎，能夠為用戶提供高質量的通信服務。地面傳輸定時技術需要持續監測和調整，以適應網絡條件的變化，周期性的校準和實時的監測確保系統能夠在不同環境下保持高精度的時間同步。通過準確的時鐘同步、時延校正及持續的監測調整，為5G 網絡提供可靠的時間基準，并支持高效的通信服務。

2.2 信號測量技術

在5G 基站納米級時間同步的關鍵技術中，信號測量技術是重要的組成部分，主要是用于測量和分析定時信號，確保在納米級別實現精準的時間同步。信號測量的過程主要有以下幾個步驟。

首先，定時信號的發射，可以是來自同步衛星的信號，通過地面傳輸系統傳送到基站，且該信號需要具有高精度和穩定性。基站的接收設備可能包括天線系統、接收機等，需要具備高靈敏度和低誤差率，以確保準確接收定時信號。接收設備主要負責接收從同步衛星發射過來的信號，然后將接收到的信號進行解碼和處理。例如，將模擬信號轉換為數字信號，解析信號中包含的時間信息，并進行初步的校正，解碼和處理的準確性對于后續的測量非常關鍵[4]。

其次，利用測量設備對信號進行精確的測量，通常涉及測定信號的到達時間。測量的精確性直接影響整個時間同步系統的性能。由于信號在傳播中可能經歷時延，測量結果需要進行相應的校正，可能涉及信號在空中傳播的速度、大氣傳播延遲等因素。時延校正能夠確保測量結果與實際時間一致。測量后的數據會直接反饋給同步衛星或其他系統組件，反饋信息可能包括信號到達時間、測量誤差等。反饋的數據用于調整整個系統，以提高時間同步的準確性。

最后，信號測量是一個動態的過程，需要持續優化和校準，可以通過周期性的校準過程、實時的測量數據分析等方式實現，確保系統在不同條件下都能保持高精度的時間同步。信號測量技術在5G 基站納米級時間同步中的重要性在于對定時信號的準確測量和分析，確保信號的精準度和穩定性，為整個時間同步系統的可靠性和性能奠定基礎。信號測量過程中的每個步驟對于實現納米級別的時間同步目標至關重要。

2.3 信號調節技術

信號調節技術涉及對測量數據的詳細分析，主要包括信號到達時間、測量誤差、信號強度等。這些數據有助于識別需要調整的信號特性，主要包括時延、頻率偏移等，了解這些特性是進行有效信號調節的先決條件。選擇適當的信號調節算法，并根據測量數據的分析結果調整信號，不同的算法可能用于不同的調節場景，如時延調節、頻率調節等。例如，可以基于選擇的調節算法，實時調節信號，包括調整信號的傳輸時刻、頻率及幅度等參數，以確保與同步衛星的時間同步[5]。同時，要引入反饋機制，使系統能夠監測調節后的信號性能。反饋信息包括調節后的信號特性、誤差情況等，有助于實時優化調節算法，提高調節的精確性。檢測系統的穩定性，確保調節后的信號不會引入不穩定性或造成其他的性能問題，可能需要考慮系統的動態變化和外部干擾因素。信號調節是一個動態過程，需要定期進行周期性的調節和優化，可以通過定期的系統性能監測、數據分析和調節來實現，以適應不斷變化的網絡條件。信號調節技術能夠實現對定時信號的實時調整，以適應動態網絡條件，通過選擇合適的調節算法和引入反饋機制，確保了系統能夠在不斷變化的環境中維持高精度的時間同步，提高了整個系統的可靠性和性能。

3 結 論

分析5G 基站內納秒級時間同步技術，可以讓時間同步更加精準，并優化頻譜的使用，提高網絡的效率。在分析5G 基站納秒級時間同步技術時，主要是從信號傳輸、測量及調節等方面入手。納秒級時間同步技術在5G 網絡中至關重要，為先進的通信和應用場景提供必要的支持。