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发布日期: 2021年9月23日

时间与时钟同步:为什么它对5G网络至关重要

什么是网络时钟同步?为什么它对5G网络至关重要?关于这些问题,业内已经讨论得热火朝天。实际上,时间与时钟同步这两个概念在无线领域并不新鲜。前几代网络(即2G、3G和4G)都需要一定程度的时间与时钟同步,以便在宏基站和用户设备之间正确切换。然而,不同于前几代网络,5G对无线网络提出了更严格的性能要求,并要求无线接入网(RAN)内各个网元之间的时间精准度能够达到纳秒级。

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为什么在5G领域里时间与时钟同步至关重要?

业内开始部署越来越多的射频设备和小基站以提供适当的覆盖范围和性能,而它们必须彼此保持同步,并与周围的所有宏基站、用户设备和RAN网元使用相同的参考时间。此外,还需要精准的时间来支持一些技术,如上行链路和下行链路使用相同频率的时分双工(TDD),以及可以将波束定向传输到多个用户和物联网设备(如传感器、机器、机器人和联网汽车)的波束赋形。伴随5G而来的还有其它的先进技术,如动态频谱共享(DSS)、载波聚合和大规模MIMO——它们都需要精准的时间才能正常工作。

这些技术给网络同步带来了前几代网络中不曾有过的复杂因素。例如,TDD技术使用一个专用的频带在下行链路和上行链路上传输信号。由于每个方向都必须在特定时段内传输信号,因此用户设备和射频设备在频率和相位上保持同步对于确保下行链路和上行链路不相互干扰非常关键。部署更多的小基站也可能会造成重大的时间问题。如果它们不在相同的参考时间上,就可能会相互干扰并影响射频性能。如果一个基站路由器出现时间问题,可能会影响到许多射频设备。反过来,时间问题可能会导致切换失败、传输的数据损坏、吞吐量降低和语音质量降低,最终影响5G网络的性能。

Figure 1. Advanced technologies bring complexities to 5G network synchronization.

图1:先进的技术给5G网络时钟同步带来复杂因素。

什么时候需要验证时间精准度?

让我们看几个场景:

在部署和开通5G射频设备与小基站的阶段,运营商需要从一开始就确保时间准确可靠,从而保证网络支持未来的扩展。在整个维护和排障阶段,运营商需要消除尽可能多的变量,并快速确定造成问题的根本原因。如果疑似出现时间问题或正在调查射频性能问题,第一步需要确保时间非常精准,然后再继续测试其它网元。

网络时钟同步有哪些要求?需要注意哪些问题?

有几种方法可以确保每个网元在频率和相位上保持同步。第一种方案是在每个小基站都安装一台GNSS接收器,直到最近,这都是一些地方(如美国)的首选方法。第二种方案是采用1588 PTP(精准时间协议),自推出5G以来这种方法越来越受青睐。1588 PTP的基本原理是使用IP/以太网交换/路由功能,在网络内将非常精准的时间信息分发给每个需要同步的网元。

时间误差(TE)是用于测量时钟不确定度的关键指标之一。它指被测时钟的时间T(t)与高质量参考时钟所给时间Tref(t)之间的差值。如果被测时钟的时间早于参考时钟,会测量出正的TE值。如果被测时钟的时间晚于参考时钟,会测量出负的TE值。提高时间精准度的目标是让测量出的TE值尽可能接近0。

Figure 2. Variation of TE over time.

图2:TE的变化情况。

1588 PTP协议专门设计用于提供最高的时间精准度。1588 PTP的工作方式是让主时钟与PTP客户端交换同步数据包。这些同步数据包包括时间戳,用于计算和校正主时钟与客户端之间的时间。首先,主时钟向客户端发送一条带有时间戳(t1)的同步消息。然后,客户端接收该消息并生成第二个时间戳(t2)。接下来,客户端发送一条延迟请求消息并创建另一个时间戳(t3)。主时钟回复一个延迟响应,并发送最终的时间戳(t4)。在交换完这些数据包时,客户端拥有所有的时间戳,从而可以计算出延迟并根据主时钟的时间来调整时间误差。该校正机制连续运行,并每秒多次校正客户端上的时间。

另一种用于网络同步的方法是同步以太网(SyncE),这是一个ITU-T标准,便于通过以太网的物理层将频率信息从一个节点传输到另一个节点,并可溯源到参考时钟——就像在SONET中传递时间信息一样。随着5G网络的部署,SyncE可以支持许多需要精准频率同步的应用,并可与1588 PTP结合使用。

验证网络的时间与时钟同步可能是一项具有挑战性的任务,因为在努力找出可能导致时间问题的根本原因时,需要考虑多个变量。除此之外,如果某个小基站路由器上出现时间问题,则可能会影响到许多射频设备,从而使问题的解决变得更加复杂。

有一些因素可能会增加网络中的时间误差,或导致1588协议无法正常工作,例如设备故障、配置问题、路由器重新路由以及中断和保护倒换。

Figure 3. Examples of variables that can cause timing issues.

图3:可能导致时间问题的变量示例。

如何在5G网络中测试时间与时钟同步

在部署新的5G小基站和射频设备或排除相关故障时,有一些测试工具可以快速轻松地评估SyncE和1588 PTP服务是否处于工作状态,验证整个网络的时钟质量和同步频率,并通过测量基站和主时钟之间的时间误差来确认时间精准度。

传统上,时间误差的测试解决方案依赖昂贵且敏感的铷振荡器,需要对其进行3小时以上的“预热”和“训练”,才能获得最高的精准度。因此,技术人员需要在一个基站花费近半天的时间来验证时间的精准度,这使得该过程效率低下。

EXFO推出了一种不同的方法,可加快整个测试过程。EXFO的解决方案集成了专门为5G设计的下一代、多星座、高精准度GNSS接收器,可以在不到20分钟内实现纳秒级精准度。这比业内任何其它时间测试解决方案都快90%。此外,该解决方案还包括一个Stratum 3E恒温晶体振荡器(OCXO),用于在GNSS接收器被障碍物遮挡的情况下继续提供测量功能。它只需这么短的准备时间便可以获得非常高的精准度,从而改变了在现场测量时间误差的游戏规则。

另一个关键功能是直接通过光纤接口测量时间误差。EXFO的测试解决方案充当PTP客户端,与边界时钟交换PTP消息和时间戳。该解决方案有一个非常显著的优势,那就是在被测设备和测试仪表之间可以使用任意长度的测试光纤。因此,用户可以将测试仪表从基站路由器处挪开,使用更长的光纤将其安放在无遮挡物的最佳位置。如果基站路由器位于C-RAN汇聚节点内,甚至可以直接在连接射频设备的光纤接口上测量射频基站的时间误差。这提供了最简单、最有效的方法,从一开始就验证时间是否正确以及是否满足严格的5G时间要求。

结束语

如上所述,5G需要更严格的频率和相位同步,以支持更严格的时间精准度要求和先进技术。我们目前正处于5G部署的早期阶段,所部署的大部分都是非独立组网(NSA)架构,而这种架构依赖现有的4G LTE基础设施。但随着5G部署向独立组网(SA)架构过渡——更重要的是,需要扩大规模,部署更多的射频设备和基站以服务更多的连接用户——时间时问题的影响将远远大于前几代网络。精准的时间与时钟同步对于成功地部署5G网络至关重要。

网络同步是一个值得深入探讨的话题,我们在这里只讨论了几个关键概念。要更详细地了解该话题,可以立即观看网络研讨会:为什么在5G网络中时间与时钟同步至关重要 。

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