5G同步分析及應(yīng)對(duì)措施探討＊

潘 峰 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部工程師

繆新育 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部工程師

李曙方 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)絡(luò)研究部工程師

陳 凱 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所無(wú)線與移動(dòng)研究部工程師

1 引言

無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步要求較高，在3G/4G時(shí)代，對(duì)時(shí)間同步的需求一般在3μs量級(jí)。隨著5G系統(tǒng)的出現(xiàn)和應(yīng)用，對(duì)時(shí)間同步提出了更高的要求，5G同步技術(shù)的研究也已成為業(yè)界焦點(diǎn)。然而，對(duì)于5G具體的同步需求，業(yè)界一直存在一些爭(zhēng)議，有人認(rèn)為5G時(shí)間同步精度要求與3G/4G是一個(gè)量級(jí)的，也有人認(rèn)為5G時(shí)間同步要求會(huì)遠(yuǎn)高于3G/4G，達(dá)到100ns量級(jí)甚至更高。本文通過(guò)分析5G同步需求，提出5G同步應(yīng)對(duì)措施，希望為5G同步需求爭(zhēng)論及解決提供參考。

2 TDD制式無(wú)線系統(tǒng)時(shí)間同步需求

根據(jù)3GPP25836-410，對(duì)于TDD制式的無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)（如TDDLTE），要求小區(qū)之間時(shí)間同步的主要原因是為了充分利用系統(tǒng)容量。有幾個(gè)重要因素對(duì)系統(tǒng)容量有影響，主要包括：

（1）時(shí)隙間干擾：沒(méi)有幀同步，可能存在從上行鏈路（Uplink，UL）時(shí)隙到下行鏈路（Downlink，DL）時(shí)隙的泄漏，由于用戶單元（UserEquipment，UE）之間的潛在近距離和近距離效應(yīng)，這對(duì)于UE尤其關(guān)鍵.

（2）相鄰小區(qū)監(jiān)測(cè)：在TDD模式下，要求在相鄰小區(qū)的某些時(shí)隙的某些部分執(zhí)行某些測(cè)量。在沒(méi)有小區(qū)同步的情況下，UE在執(zhí)行測(cè)量之前必須自身進(jìn)行同步。

（3）小區(qū)切換：為了在小區(qū)接收端對(duì)齊所有來(lái)自UE的接收信號(hào)，TDD模式一般使用定時(shí)提前（Timing Advance，TA）技術(shù)。在切換之后，UE必須基于TA值盡可能平滑地在新的小區(qū)中開始進(jìn)行傳輸。如果TDD小區(qū)之間彼此同步，則可以大大優(yōu)化切換性能。

根據(jù)上述因素，可能存在時(shí)間誤差對(duì)時(shí)隙間干擾的影響、時(shí)間誤差對(duì)切換TA調(diào)整的影響以及小區(qū)TA調(diào)整對(duì)UE接收和跟蹤性能的影響，基于這些影響因素，為了盡量減少對(duì)系統(tǒng)性能的影響，3GPP規(guī)定同步精度要求為3μs，該同步精度定義為具有重疊覆蓋區(qū)域的任何一對(duì)小區(qū)之間的幀開始時(shí)間的最大偏差。

實(shí)際上，時(shí)間同步精度與保護(hù)周期（GP）、基站收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間、UE收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間、小區(qū)覆蓋半徑等多方面因素相關(guān)，在時(shí)間同步精度、基站收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間、UE收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間等確定的情況下，保護(hù)周期（GP）與小區(qū)覆蓋半徑有關(guān)，GP越大，覆蓋距離也越大，但是由于GP是不傳輸數(shù)據(jù)的，GP越大，浪費(fèi)的空口資源也就越多，因此，需要在GP與覆蓋范圍尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。

3 5G同步需求分析

5G系統(tǒng)作為一種采用TDD制式的無(wú)線通信系統(tǒng)，其基本時(shí)間同步應(yīng)至少滿足第二節(jié)的要求。除此之外，還應(yīng)特別關(guān)注5G系統(tǒng)廣泛采用的網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)協(xié)同技術(shù)以及其支撐的各種新業(yè)務(wù)對(duì)高精度時(shí)間同步的需求。

3.1 5G基本同步需求

根據(jù)第二節(jié)的描述，為了確定時(shí)間同步精度，需要考慮保護(hù)周期（GP）、基站同步誤差、基站收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間、UE收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間、小區(qū)覆蓋半徑等多方面因素。上述因素之間需要滿足下述約束關(guān)系：TSync＜（TGP-2×Tprop，BS1-BS2-TBSon-off-TBSoff-on）/2。其中，TSync是基站之間的同步偏差，TGP是保護(hù)間隔時(shí)間，Tprop，BS1-BS2是基站之間由距離引入的傳輸時(shí)延，TBSon-off是基站從“開”到“關(guān)”的轉(zhuǎn)換延遲，TBSoff-on是基站從“關(guān)”到“開”的轉(zhuǎn)換延遲。

保護(hù)間隔時(shí)間TGP與子載波間隔相關(guān)。作為5G系統(tǒng)采用的新一代無(wú)線系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一OFDM，相對(duì)于TD-LTE采用固定的OFDM參數(shù)配置（15kHz固定子載波間隔），5G系統(tǒng)引入了可擴(kuò)展的OFDM間隔參數(shù)配置，即其子載波間隔可靈活擴(kuò)展（15kHz、30kHz、60kHz或120kHz），從而實(shí)現(xiàn)支持更豐富的頻譜帶和部署方式。表1給出不同頻段的子載波間隔配置以及相關(guān)的時(shí)間精度影響因素。相比于15kHz的子載波間隔，30kHz和60kHz子載波間隔的理論最大基站間距離大大縮小。對(duì)于低于6GHz的頻段，為了與15kHz子載波間隔保持相同的最大基站間距離，3GPP對(duì)30kHz和60kHz子載波間隔，GP配置多個(gè)符號(hào)數(shù)，使TGP時(shí)間相同，從而基站之間的同步偏差TSync仍維持使用3μs，與4G系統(tǒng)保持一致；對(duì)于高于6GHz的頻段，在TGP明顯變小的情況下，通過(guò)增加基站設(shè)站數(shù)量、減小基站間距離的方式，使基站之間的同步偏差TSync仍為3μs。

3.2 5G協(xié)同業(yè)務(wù)同步需求

在5G系統(tǒng)中，多點(diǎn)協(xié)作CoMP（CoordinatedMultiple Points）、載波聚合CA（CarrierAggregation）等站間協(xié)同技術(shù)將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。站間協(xié)同是指到同一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)可以通過(guò)不同基站的RRU收發(fā)，使用戶可以在交疊覆蓋區(qū)合并多個(gè)信號(hào)，從而有效提高業(yè)務(wù)增益、提升用戶體驗(yàn)。多信號(hào)間的時(shí)延差須滿足一定要求，否則無(wú)法合并，時(shí)延差主要由站間同步偏差和站間傳播時(shí)延組成，可以推導(dǎo)出協(xié)同業(yè)務(wù)對(duì)站間同步的要求。根據(jù)3GPPTS36.922協(xié)議描述，空口協(xié)同要求為TD1（距離差導(dǎo)致的傳輸延時(shí)差）+TD2（多徑傳播導(dǎo)致的時(shí)延差）+TD3（同步定時(shí)偏差）=TotalTD≤CP。其中，TD1為空口到用戶不同距離產(chǎn)生的時(shí)間差，TD2為多徑傳播導(dǎo)致的時(shí)延差，TD3為同步定時(shí)偏差，Total TD為用戶接收到來(lái)自不同基站信號(hào)的時(shí)間總差。為了避免不同路徑符號(hào)間的干擾，符號(hào)和符號(hào)之間通過(guò)CP（循環(huán)前綴）隔離，不同RRU到UE的信號(hào)延時(shí)差異要小于CP的長(zhǎng)度。

表1 不同頻段的子載波間隔配置及與相關(guān)精度影響因素關(guān)系

根據(jù)3GPP38104-f20，不同類型的增強(qiáng)協(xié)同技術(shù)同步要求如表2所示。

表2 5G不同類型的增強(qiáng)協(xié)同技術(shù)同步要求

不同協(xié)同技術(shù)發(fā)生的業(yè)務(wù)場(chǎng)景存在較大差異，表3分別給出5G協(xié)同業(yè)務(wù)未來(lái)可能存在的同步需求、部署場(chǎng)景分析以及5G同步應(yīng)用場(chǎng)景說(shuō)明。

綜上，在5G無(wú)線增強(qiáng)及協(xié)同業(yè)務(wù)時(shí)間同步需求方面，MIMO、發(fā)射分集要求相對(duì)時(shí)間偏差為65ns，基本上發(fā)生在單個(gè)RRU內(nèi)部，無(wú)需網(wǎng)同步；帶內(nèi)連續(xù)載波聚合（CA）要求相對(duì)時(shí)間偏差260ns，一般發(fā)生在單個(gè)RRU內(nèi)部，無(wú)需網(wǎng)同步，可能發(fā)生在一個(gè)基站的不同RRU之間，需要前傳解決相對(duì)同步問(wèn)題；帶間CA或帶內(nèi)非連續(xù)CA，要求相對(duì)時(shí)間偏差3μs，主要發(fā)生在一個(gè)基站的不同RRU之間，需要前傳進(jìn)行解決。

表3 5G同步應(yīng)用場(chǎng)景說(shuō)明

3.3 基站定位服務(wù)等新業(yè)務(wù)同步需求

5G網(wǎng)絡(luò)在承載車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型業(yè)務(wù)時(shí)，可能需要提供基于到達(dá)時(shí)間法（Time ofArrival，TOA）或到達(dá)時(shí)間差法（Time Difference of Arrival，TDOA）的基站定位業(yè)務(wù)。根據(jù)TOA或TDOA技術(shù)原理，時(shí)間同步精度與定位精度要求直接相關(guān)。例如，要滿足3m的定位精度，要求基站間的空口信號(hào)同步誤差為10ns；要滿足米級(jí)的定位精度，要求基站間的空口信號(hào)同步誤差為3ns。上述同步精度需要網(wǎng)同步實(shí)現(xiàn)，可結(jié)合其他相關(guān)定位技術(shù)。

4 5G同步應(yīng)對(duì)措施

4.1 5G同步需要注意的若干問(wèn)題

首先，5GNR基站在失步后會(huì)比TDDLTE更易受到干擾。一般來(lái)說(shuō)，在實(shí)際進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，對(duì)于小區(qū)覆蓋半徑、保護(hù)間隔GP的符號(hào)數(shù)量配置等，會(huì)留一定余量，這些余量體現(xiàn)在空口時(shí)間同步上，就是空口對(duì)定時(shí)失步的容忍能力。雖然5GNR和TDDLTE定的指標(biāo)都是相同的（±1.5μs），但實(shí)際的偏差容忍值是不一樣的，因?yàn)?GNR支持多個(gè)子載波的配置，子載波帶寬越大，符號(hào)越短。對(duì)于不同子載波，5GNR的保護(hù)間隔一般小于TDD LTE，所以同步誤差容限也是小于TDD LTE的。

其次，5GNR基站在失步后可能會(huì)引起更大的干擾放大比例。對(duì)于TDDLTE實(shí)際網(wǎng)絡(luò)故障統(tǒng)計(jì)表明，在基站分布較密的城區(qū)，在基站由于衛(wèi)星接收機(jī)故障引起的干擾放大比例一般在30左右，最大可達(dá)50個(gè)以上，而對(duì)于基站分布較少的郊區(qū)，干擾放大比例一般在10個(gè)左右甚至在個(gè)位數(shù)。相對(duì)于TDD LTE來(lái)說(shuō)，5GNR基站部署密度要大得多，因此在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，5GNR基站在失步后可能會(huì)引起更大的干擾放大比例。

最后，單純依賴衛(wèi)星授時(shí)解決同步問(wèn)題會(huì)帶來(lái)較大的安全可靠性隱患。目前，在各運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)部署的3G和4G無(wú)線通信系統(tǒng)中，包括cdma2000、4GTDD、TDDLTE等，絕大部分在基站加裝衛(wèi)星接收機(jī)，而且主要以GPS為主，以滿足其基站系統(tǒng)的同步需求。然而，目前在使用衛(wèi)星授時(shí)時(shí)，不得不重視其安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。一方面，衛(wèi)星定位系統(tǒng)的安全性始終是人們所關(guān)注的問(wèn)題。GPS由于是受美國(guó)軍方控制的非自主衛(wèi)星定位系統(tǒng)，安全性無(wú)法保證，而即使采用自主的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，也無(wú)法完全避免可能存在的干擾或攻擊，事實(shí)上，GPS/北斗的干擾失效越來(lái)越多，包括鄰近同頻信號(hào)發(fā)射的無(wú)意識(shí)干擾，以及非法逃避監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)性信號(hào)屏蔽等人為干擾；另一方面，由于一般都在戶外安裝，衛(wèi)星定位系統(tǒng)的授時(shí)應(yīng)用性能易受環(huán)境因素影響，而且相關(guān)設(shè)備故障率較高。因此，有必要研究高精度時(shí)間同步地面組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)天地互備，提升5G同步的可靠性和安全性。

4.2 5G同步應(yīng)對(duì)思路

進(jìn)行高精度時(shí)間同步地面組網(wǎng)，滿足5G同步需求，主要需要解決兩個(gè)方面問(wèn)題，一是高精度同步關(guān)鍵技術(shù)突破，另一個(gè)就是高精度同步組網(wǎng)架構(gòu)和組網(wǎng)策略。

在高精度同步關(guān)鍵技術(shù)方面，為了實(shí)現(xiàn)端到端高精度同步，需要解決若干關(guān)鍵技術(shù)，包括高精度源頭技術(shù)、高精度承載技術(shù)、高精度接口技術(shù)等。在高精度源頭技術(shù)方面，最重要的是要實(shí)現(xiàn)高精度源頭設(shè)備。目前時(shí)間源頭設(shè)備一般配置有衛(wèi)星接收機(jī)，其時(shí)間輸出精度主要取決于衛(wèi)星接收系統(tǒng)、本地鐘源、鎖相環(huán)和分發(fā)接口等多個(gè)要素，其中衛(wèi)星接收部分對(duì)精度的影響最大，所以關(guān)鍵問(wèn)題是利用雙頻、共視等方法提升衛(wèi)星接收精度，使用雙頻信號(hào)降低大氣層的誤差，通過(guò)時(shí)鐘算法優(yōu)化改進(jìn)信號(hào)輸出等；對(duì)于高精度承載技術(shù)，最主要的目的是要提高每個(gè)承載設(shè)備節(jié)點(diǎn)時(shí)間處理精度，采用高精度打戳技術(shù)、高精度采樣技術(shù)和高精度內(nèi)部分發(fā)技術(shù)，盡量降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)引入的固定誤差（cTE）和動(dòng)態(tài)誤差（dTE）；對(duì)于高精度接口技術(shù)，要求盡量采用高精度時(shí)間接口進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送和接收，比如不建議采用時(shí)間誤差不確定性較大的1PPS+ToDRS422接口，而是采用1PPSTTL接口進(jìn)行時(shí)間的測(cè)量，采用高精度PTP以太網(wǎng)接口進(jìn)行時(shí)間信號(hào)的局間和局內(nèi)互聯(lián)。

在高精度同步組網(wǎng)架構(gòu)和組網(wǎng)策略方面，原則上根據(jù)5G承載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展策略來(lái)確定高精度同步網(wǎng)的組網(wǎng)架構(gòu)和組網(wǎng)策略。對(duì)于利用現(xiàn)有承載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行5G部署的，可以考慮利舊現(xiàn)有1.5μs同步網(wǎng)開通5G基本業(yè)務(wù)，若要支持時(shí)間同步要求更高的協(xié)同業(yè)務(wù)，可考慮在局部區(qū)域下沉部署小型化高精度同步設(shè)備，通過(guò)跳數(shù)控制滿足協(xié)同業(yè)務(wù)的高精度同步需求；對(duì)于采用新建承載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行5G部署的，可以考慮按照端到端300ns量級(jí)一次到位進(jìn)行高精度時(shí)間同步地面組網(wǎng)。在實(shí)際組網(wǎng)時(shí)，一方面，要盡量遵循扁平化思路，將時(shí)間源頭做一定程度的下沉（比如設(shè)置在DU和CU交匯點(diǎn)），以降低定時(shí)鏈路長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)端到端性能控制，另一方面，要盡量采用能夠有效減少時(shí)間誤差的鏈路或接口技術(shù)，比如采用單纖雙向技術(shù)進(jìn)行同步信號(hào)的傳送，采用高精度PTP以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行同步信號(hào)的局間和局內(nèi)互聯(lián)等。

5 結(jié)束語(yǔ)

在基本同步需求方面，5GNR與TDDLTE保持一致，即基站空口間3μs的時(shí)間同步誤差，主要是為了避免時(shí)隙干擾，實(shí)現(xiàn)小區(qū)平滑切換。除了基本同步需求外，由于5GNR將會(huì)廣泛應(yīng)用CoMP、MIMO、CA等增強(qiáng)技術(shù)，根據(jù)不同場(chǎng)景，相應(yīng)的同步需求包括65ns/130ns/260ns/3μs等級(jí)別，其中，絕大多數(shù)百納秒量級(jí)的時(shí)間同步要求發(fā)生在同一個(gè)RRU內(nèi)的2個(gè)載波，無(wú)需網(wǎng)同步；少量百納秒量級(jí)（主要是260ns）的時(shí)間同步要求發(fā)生在同一基站的不同RRU，需基于前傳網(wǎng)通過(guò)高精度網(wǎng)同步實(shí)現(xiàn)。另外，當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)支撐車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型業(yè)務(wù)應(yīng)用時(shí)，可能需要10ns量級(jí)甚至更高的同步要求，以提供高精度的基站定位服務(wù)。在解決5G同步時(shí)，為了確保網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性，不建議完全依賴衛(wèi)星授時(shí)提供同步，建議適時(shí)采用地面組網(wǎng)方式提供高精度地面服務(wù)，實(shí)現(xiàn)天地互備。實(shí)現(xiàn)100ns量級(jí)的高精度同步地面組網(wǎng)，涉及若干關(guān)鍵技術(shù)突破和組網(wǎng)架構(gòu)創(chuàng)新，還需業(yè)界進(jìn)一步深入研究和探討。