5G基站高精度地面授時鏈路構建方法及驗證

吳 宇

(中國移動通信集團江蘇有限公司 規(guī)劃技術部，南京 210029)

0 引 言

第四代移動通信(The 4th Generation Mobile Communication,4G)基站的地面授時已在現(xiàn)網(wǎng)得到規(guī)模應用，精度要求在±1 500 ns水平。第五代移動通信(The 5th Generation Mobile Communication,5G)基站是否需要地面授時，目前仍存在一定爭議，其中5G基站需要的地面授時精度是否大幅超過4G基站，是爭議的關鍵。本文認為，面向5G基站構建高精度地面授時鏈路是必要的，也是可行的。綜合考慮需求和實現(xiàn)成本，5G地面授時精度向ns級演進是未來發(fā)展的必然方向，但不宜追求短期內一步到位，應分為兩個階段來達到。第一階段目標是端到端授時精度從±1 500 ns提升到±300 ns(5倍于現(xiàn)有4G地面授時精度水平)，實現(xiàn)5G基站地面授時鏈路的全覆蓋和地基組網(wǎng)框架搭建，為此需在授時鏈路各環(huán)節(jié)均引入新的構建方法，本文展示了現(xiàn)網(wǎng)部署驗證這些方法的實例數(shù)據(jù)；第二階段目標是在第一階段工作的基礎上，通過技術升級將授時精度提升至ns量級，實現(xiàn)對天基(衛(wèi)星)授時精度的全面超越。本文主要討論第一階段相關的構建方法及其驗證。

1 構建目標

5G地面授時鏈路的構建目標包含以下4個方面：天地互補、加快基站小區(qū)切換、為新業(yè)務做能力儲備和為前傳網(wǎng)同步打基礎。

1.1 天地互補

天基授時和地面授時形成互補關系，有利于提高授時的整體可靠性。5G的新空口(New Radio, NR)與4G的時分復用長期演進空口(Long-Term Evolution Time-Division Duplex, TDD-LTE)的基本同步指標相同，但同步誤差容限小于TDD-LTE，5G基站失步后會比TDD-LTE更易受到干擾且可能引起更大的干擾放大比例[1]，因此授時可靠性對5G的影響將大于4G，為基站提供空中為主、地面為備的兩路授時信號是得到業(yè)界較多認同的方案[2]。天基(衛(wèi)星)授時的優(yōu)點是無需地面組網(wǎng)且授時均為一跳完成(結構簡單)，缺點是需要大量部署獨立衛(wèi)星接收天饋線、短穩(wěn)相對較差和經常出現(xiàn)性能降質現(xiàn)象[3]；而地基(光纖)授時的技術特點正好與天基形成性能互補。此外，在樓宇室內、隧道內或高樓林立區(qū)域時，衛(wèi)星信號接收弱，地面授時可以在此類場景很好地輔助并有利于加速5G建站進程，這一點已經在4G建站過程中得到了驗證。

1.2 加快基站小區(qū)切換

5G基站采用TDD制式，如果切換前的無線小區(qū)(Source Cell)和切換后的無線小區(qū)(Target Cell)之間彼此精確同步，則用戶終端(User Equipment, UE)只需測量自身至Source Cell和Target Cell之間的路徑時延差，即可直接得到切換后的定時提前值[4](Timing Advance, TA)，從而平滑地在新的無線小區(qū)中盡快開始傳輸數(shù)據(jù)，優(yōu)化切換性能[1]。

1.3 為新業(yè)務做能力儲備

5G垂直行業(yè)市場應用的重要性甚于個人市場，未來將圍繞基站定位功能開發(fā)精確定位服務類新業(yè)務?；径ㄎ还δ苤饕罁?jù)UE到基站的到達時間(Time of Arrival, TOA)測量或差分(Time Difference of Arrival, TDOA)測量來實現(xiàn)，5G基站的高精度地面授時是提供此類新業(yè)務的網(wǎng)絡能力基礎條件之一，近期可實現(xiàn)不依賴衛(wèi)星的百米級定位精度，未來可將高精度授時或米級精確定位作為一種增值服務產品向外部市場提供[2]。

1.4 為前傳網(wǎng)同步打基礎

根據(jù)第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)規(guī)范TS 38.104，帶內連續(xù)載波聚合(Intra-band Contiguous Carrier Aggregation, Inband CA)可能會發(fā)生在同一個基站的各有源天線單元(Active Antenna Unit, AAU)之間，兩個AAU之間的時間對齊誤差(Time Alignment Error, TAE)應<260 ns，對應的網(wǎng)同步精度要求是±130 ns[5]，此時需要前傳來提供網(wǎng)同步。根據(jù)通用無線接口規(guī)范(Common Public Radio Interface, eCPRI)，各AAU和分布單元(Distributed Unit, DU)均應連接至同一個時間參考源[6]，若網(wǎng)同步由傳輸網(wǎng)來提供，則為滿足上述TAE指標，依據(jù)eCPRI傳輸承載需求規(guī)范，傳輸網(wǎng)的用戶側接口(User Network Interfac, UNI)即AAU與傳輸設備互聯(lián)接口處的相對時間誤差(Time Error, TE)應<200 ns[7]，對應的網(wǎng)同步精度要求是±100 ns。當前，傳輸網(wǎng)暫時難以滿足該指標要求(成本過高)，但考慮前傳位于網(wǎng)絡邊緣，如果現(xiàn)階段先提升集中單元(Central Unit, CU)/ DU處的時間同步精度，就為前傳網(wǎng)提供了穩(wěn)定的參考源，未來精度繼續(xù)提升之后無需再重新組織同步網(wǎng)改造，即可一并解決前傳網(wǎng)同步問題。

2 指標分配和技術方案

為了實現(xiàn)上述構建目標，本文提出以下指標分配和技術方案。

2.1 授時鏈路指標分配

5G基站地面授時鏈路中的各基本元素仍與現(xiàn)網(wǎng)4G相同，包括時間源、精確時間協(xié)議(Precision Time Protocol, PTP)，例如：IEEE 1588V2的光纖傳遞、末端協(xié)議解析和應用等，各段指標分配方案如圖1所示。

圖1 5G基站地面授時鏈路邏輯結構及指標分配示意圖

以端到端±300 ns精度為總體目標，則各環(huán)節(jié)指標均需較大幅度地提升，與現(xiàn)網(wǎng)4G基站地面授時鏈路指標分配情況進行比較，如表1所示。

表1 與現(xiàn)網(wǎng)指標比較表

2.2 指標難點和技術方案

指標實現(xiàn)的難點和相應技術解決方案分析如表2所示。

表2 指標實現(xiàn)難點和技術方案

2.3 衛(wèi)星雙頻接收或衛(wèi)星共視技術

地球大氣中的電離層干擾是目前衛(wèi)星接收機最大的誤差來源，其對授時精度的影響約在25～100 ns范圍。電離層對衛(wèi)星信號傳播的影響主要取決于層內電子密度分布，可用總電子含量(Total Electron Content, TEC)來概要表征，TEC存在較大幅度的隨機擾動，難以在末端進行模型化的定值補償。但信號通過電離層時的額外延遲與信號頻率的平方成反比，因此可利用該特性(信號延遲與頻率的相關性)對同一個衛(wèi)星在兩個不同頻率上發(fā)射的相同信號進行觀測，實時反演TEC，從而推算較為精確的電離層延遲[9-10]。

依據(jù)上述衛(wèi)星雙頻接收基本原理，工程上采用雙頻接收機同時接收解算兩個不同頻點的載波信號，配合算法調優(yōu)即可有效補償電離層延遲，從而將衛(wèi)星接收機的輸出精度提升至±30 ns。雙頻接收機的單機成本目前雖然大幅高于普通單頻接收機，但它對全網(wǎng)授時精度的提升是基礎性的，整體效益突出，應成為后續(xù)新建授時中心的首選。

再進一步的精度提升就需引入基于衛(wèi)星共視的共鐘比對技術，基本原理是兩地接收機同時觀測同一顆衛(wèi)星，將該衛(wèi)星作為遠程時間比對的中間媒介，周期性解算測量結果后，得到本地鐘與遠程原子鐘之間的時間偏差參數(shù)，再用此參數(shù)對本地鐘進行駕馭，可提高本地鐘的輸出精度至±10 ns水平[11-12]。搭建衛(wèi)星共視觀測環(huán)境需要配置亞 ns級高精度時間間隔計數(shù)器(直接影響遠程復現(xiàn)精度)[13]，還需長期購買和周期性接收國家級守時服務單位的數(shù)據(jù)服務，對站內線纜長度精確測量及補償?shù)囊笠草^高，部署復雜度和成本高于雙頻接收，因此工程實踐宜謹慎。

2.4 單跳PTP處理精度提升

存量的基站PTN傳輸設備主要面向±1 500 ns授時精度設計，單跳PTP處理精度約在±30 ns，需要進行多個環(huán)節(jié)的軟硬件優(yōu)化才能有效提升精度。對于投產時間超過兩年的PTN設備，就涉及到大量板卡硬件甚至機框的更換。而新型SPN傳輸設備的開發(fā)環(huán)節(jié)中已完成了上述大部分優(yōu)化工作，單跳協(xié)議處理精度已提升至±5 ns以內，因此建議結合SPN系統(tǒng)的新建部署進度，優(yōu)選SPN系統(tǒng)來承載PTP。

精度提升思路主要圍繞打時間戳誤差、設備內部傳遞時延誤差、芯片收發(fā)誤差和頻率穩(wěn)定度誤差等方面來進行優(yōu)化。同時，對于配置了新型靈活以太網(wǎng)(Flexible Ethernet, FlexE)線路接口的PTN或SPN設備，還需支持通過FlexE開銷幀進行PTP報文的轉換、插入、傳遞和提取[14]。精度提升工作具體包括打戳位置下移靠近物理接口、動態(tài)測量和補償內部信號分發(fā)時延、采用恒溫晶振減少基準頻率漂移、抑制報文交換板卡的時間抖動等，目前新型商用設備已可穩(wěn)定地達到單跳±3 ns協(xié)議處理精度。

2.5 授時組網(wǎng)架構優(yōu)化

擴展現(xiàn)有省-地市兩級授時架構，將時間源服務器下沉至新增的區(qū)縣授時中心，形成省-地市-區(qū)縣3級授時架構，從而縮短偏遠基站至授時中心的距離。限制傳輸系統(tǒng)各層次環(huán)路上的節(jié)點數(shù)量(環(huán)路的大小)，減少授時鏈路傳遞總跳數(shù)，建議城域網(wǎng)接入層<8跳，匯聚層<6跳，核心層<4跳。

2.6 單纖雙向線路接口

通過采用單纖雙向傳輸線路接口來承載PTP可減少地面光纖網(wǎng)絡中鏈路收發(fā)路徑長度差異所導致的PTP解算誤差。建議城域網(wǎng)接入層采用單纖雙向10 GE/50 GE組環(huán)，匯聚層和核心層獨立組建GE同步環(huán)，長距傳輸采用波分復用系統(tǒng)單纖雙向光監(jiān)控信道(Optical Supervisory Channel, OSC)傳遞。

需特別指出，采用單纖雙向技術并不能保證精確的收發(fā)對稱，其包括兩個影響因素，一是不同中心波長的光信號存在傳播時延差異，二是激光器發(fā)光波長在溫控允許范圍內的漂移。以收發(fā)波長分別為1 310/1 550 nm為例，這兩個因素引入的收發(fā)路徑時延差分別約為3.0和0.3 ns / km，距離較長時該誤差仍不可忽視。建議工程部署應優(yōu)選波長數(shù)值差異較小的成對波長，例如1 310/1 490 nm(用于GE接口)、1 270/1 330 nm(用于GE/10 GE接口)、1 490/1 510 nm(用于波分OSC接口)和1 295/1 309 nm(用于50 GE接口)等，設備考慮支持自動計算補償上述時延差。建議后續(xù)面向更高精度的應用，宜采用同波長單纖雙向光模塊(例如內置光環(huán)行器實現(xiàn)同波長雙向通信)，專門用于承載PTP。

2.7 PTP協(xié)議遠端延伸

由5G基站設備自行完成末端PTP解算，需要無線基站支持PTP并開啟協(xié)議接收和解算功能(5G基站設備均已支持)，可避免末端電纜(傳輸設備至基站設備之間的1PPS+ToD外接口線纜)長度測量不準確導致的時延補償誤差。這樣，PTP傳遞過程就一直延伸到基站設備內部，而不是終結在傳輸接入設備上，改善了在基站內部的局內傳遞精度。

3 授時鏈路構建方法

基于上述技術方案，整體構建方法如下。

3.1 組建授時中心

在一個省范圍內，組建3個等級的授時中心，設置原則如表3所示。

表3 授時中心設置原則

上述授時中心選擇的機房需具備可靠性和利于穩(wěn)定收星的條件，包括雙路由光纜進出、機房周邊衛(wèi)星接收路徑無遮擋等，機房內應配置雙模(北斗/全球定位系統(tǒng))雙頻衛(wèi)星接收機和雙銣鐘基準參考源。同等級的主備授時中心之間，不設置授時分發(fā)關系[8]。上級中心可向下級主備中心同時進行授時分發(fā)，建議一般不做越級授時分發(fā)。

這里還需對設置主/備授時中心的必要性進行說明。當本級主中心出現(xiàn)衛(wèi)星接收故障時(包括衛(wèi)星接收機故障、輸出設備和輸出線路故障)，下游設備會優(yōu)先切換到跟蹤同級備中心，由于統(tǒng)計主/備中心僅位置有差異，對下游設備來說授時信號優(yōu)先級、跟蹤路徑和鏈路傳遞跳數(shù)的變動都很小。若僅設置單一主授時中心，則本級主中心故障時，下游設備會切換到跟蹤再上一級授時中心，此時優(yōu)先級、路徑和跳數(shù)都產生大幅跳變。顯然設置主/備中心對提高下游跟蹤的穩(wěn)定性更為有利。

3.2 明確跟蹤關系和授時分發(fā)路徑

正常狀態(tài)下，省內3級授時中心之間的跟蹤關系和授時分發(fā)路徑如圖2所示。

圖2 省內3級授時中心跟蹤關系和分發(fā)路徑示意圖

由圖可知，增設第3級區(qū)縣授時中心，主要作用是縮短末端偏遠基站的授時鏈路跳數(shù)。正常情況下，各級授時中心均以衛(wèi)星信號為跟蹤源頭，經本地計算輸出。整體的構建方案充分結合了天基、地面波分 / 分組傳輸系統(tǒng)和外部 / 內部接口的優(yōu)點，以求盡可能達到工程部署的各方面要求。但該構建方法仍存在以下兩個問題需要解決。

3.3 PTP傳遞跳數(shù)超限問題及其解決方案

省—地市—區(qū)縣授時中心之間的地面PTP傳遞是經由波分系統(tǒng)的OSC進行的，雖然已采用單纖雙向OSC，但每個光終端復用站(Optical Terminal Multiplexer, OTM)和光線路放大器站(Optical Line Amplifier, OLA)均需要對OSC通道數(shù)據(jù)包進行解析和重新封包操作，目的是獲取對端監(jiān)控信息和加載本站監(jiān)控信息，而PTP包是占用了監(jiān)控信道帶寬一并傳送的，所以PTP報文在各OLA站仍被逐跳解析[15]，每一跳都會增加時間誤差，如圖3所示。

圖3 波分系統(tǒng)OSC承載PTP的處理過程示意圖

在長途波分傳輸系統(tǒng)中，通常每60～80 km需要設置一個OLA站(少數(shù)跨段可超過100 km)，因此需要消耗掉大量PTP傳遞跳數(shù)。以350～400 km的典型長途波分傳輸為例，約需設置兩個OTM站和4個OLA站，涉及6跳PTP處理。

考慮端到端限值僅20跳，這樣的傳遞消耗容易導致兩種超限，一是波分環(huán)路上的長路徑傳遞跳數(shù)超限，二是授時跟蹤從主用路徑切換到備用路徑之后的傳遞跳數(shù)超限。由此，也就易于理解圖2中的地市/區(qū)縣中心均以天基信號為主用跟蹤方向的原因。

對于第1種超限，解決方案是通過系統(tǒng)規(guī)劃盡量使用長途波分系統(tǒng)環(huán)路上的短路徑OSC來承載PTP，避免使用長路徑。東部省份通?？梢哉业降厥兄潦≈行牡?00 km以下短路徑，若無法滿足，則說明該地市的現(xiàn)有光纜線路路由未能充分利用高速、高鐵等通道，應盡快規(guī)劃建設新的直達線路。

第2種超限的場景是衛(wèi)星信號大范圍降質或出現(xiàn)區(qū)域性強干擾，則部分地市主/備中心和區(qū)縣主/備中心可能同時丟失衛(wèi)星信號，下游設備只能選擇跟蹤再上一級的授時中心，此時授時鏈路中包含了較多的長途OLA站，傳遞跳數(shù)明顯增加且無法通過比對衛(wèi)星授時信號來改善精度，如圖4所示。

圖4 第二種超限場景下的傳遞跳數(shù)示意圖

對于第2種超限，近期解決方案是對設備處理的優(yōu)化，采用本文3.4節(jié)的思路對波分系統(tǒng)的PTP處理板卡進行升級，并通過固定板卡適配槽位(使設備內部的協(xié)議包轉發(fā)時延固定下來以便于精確補償)，將單跳處理精度提高到±3 ns水平。該方案無法解決跳數(shù)超限，但可顯著控制精度指標劣化程度，且對系統(tǒng)無改動，僅更新板卡，易于實現(xiàn)。

對于第2種超限的遠期解決方案是引入新的波分系統(tǒng)PTP傳遞技術，將OSC中的PTP包與普通監(jiān)控數(shù)據(jù)包分離，其中普通監(jiān)控數(shù)據(jù)包仍采用原有的方式逐站處理，而PTP包在各OLA站僅作再生并以固定時延轉發(fā)到下游，大幅降低長途波分系統(tǒng)中引入的PTP傳遞跳數(shù)。具體做法是從OSC中分離出一部分獨立頻譜專門用于PTP傳遞[16]，該做法可獲得很高的傳遞精度，但該方案對系統(tǒng)改動較大，需要新增專用板卡及定制濾波器和光模塊，實現(xiàn)有一定難度。還可選擇對主光通道中的波長信號進行小信號調頂，疊加一路低速率信息專門用于傳遞PTP，只要控制調頂深度<15%，對波分系統(tǒng)性能的影響就很小[17]。

3.4 全網(wǎng)單一溯源依賴性問題及其解決方案

按照圖2的構建方法，全網(wǎng)依然存在對衛(wèi)星時間源的單一溯源依賴，若發(fā)生全省范圍衛(wèi)星雙模接收長期失效的故障(如太陽風暴或強電磁干擾)，因缺少地面?zhèn)溆酶呔葧r間源，整個省網(wǎng)將進入保持狀態(tài)，該問題有待圖4中的國家骨干光纖時間網(wǎng)授時節(jié)點的建成才能徹底得到解決。但是，不依賴衛(wèi)星的國家骨干光纖時間網(wǎng)需要實現(xiàn)光纖時頻信號的超遠距離傳遞，摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)的噪聲積累仍會影響傳遞精度，改進方案的驗證應用還需要時間[18]。

單一溯源依賴問題對5G基站授時需求本身的影響可控，但對精確定位等增值服務的影響較大。在全網(wǎng)保持狀態(tài)下，只要3級授時跟蹤關系正常，同一區(qū)域內的5G基站均能溯源至省授時中心時鐘。在該時鐘的頻率保持時間段內(48～72 h)，基站的絕對時間精度雖已較大幅度地偏離基準值(數(shù)μs)，不同基站之間的相對時間偏差仍可保持在百ns量級[19]，因此本文的構建方法仍能為5G基站提供2～3天區(qū)域授時保底服務，等待衛(wèi)星接收恢復。

4 驗證測試實例

4.1 驗證部署實例

為驗證構建方法的可行性和性能，在蘇州5G網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內，選擇SPN傳輸系統(tǒng)的部署實施工作，并進行了實地驗證測試，測試環(huán)境涉及8個SPN網(wǎng)元、3個5G基站、兩套時間源服務器、雙頻/共視接收機和時間間隔計數(shù)器等，如圖5所示。

圖5 驗證部署實例組網(wǎng)結構示意圖

在圖5的組網(wǎng)中，共視接收機的輸出直接跟蹤遠程標準源(中國計量科學研究院守時實驗室原子鐘)，并被用作本地測試的高精度參考源，配合使用高精度時間間隔計數(shù)器進行時間誤差判讀，測試操作前對接收饋線/接口線纜長度等易產生誤差的因素均進行了精準測量和補償。

4.2 實測數(shù)據(jù)和結論

實測數(shù)據(jù)和結論如表4所示。

表4 實測結果數(shù)據(jù)表

上表中的測試數(shù)據(jù)對應的儀表記錄如圖6所示。

圖6 實測結果儀表記錄

通過實際部署驗證了端到端授時鏈路構建方法的可行性，能夠為5G基站提供穩(wěn)定可靠的高精度地面授時信號。測試數(shù)據(jù)表明，改用雙頻接收機確實提升了時間源服務器輸出精度，鏈路傳遞精度符合預期，主備時間源倒換對授時精度影響較小。

5 結束語

本文詳解了5G基站高精度地面授時鏈路構建需求，分析提出了目標、方法、關鍵技術和解決方案，亦探討了傳遞跳數(shù)超限和不依賴衛(wèi)星組網(wǎng)等關鍵問題和需求，最后通過部署實例及實測結果全面驗證了方案的可操作性。高精度地面授時鏈路將成為5G網(wǎng)絡中重要的組成部分，支撐后續(xù)5G網(wǎng)絡商用運營，并為未來對外提供授時服務做好準備。