5G网络如不能保证基站间严格的时间同步将对大量的行业带来影响

2019年被视为5G商用元年，5G网络将直接影响5G商用进程，随着5G商用的加速，业界对5G承载的关注越来越高。为推动我国5G承载关键技术和发展创新，全力支撑5G商用进程，5月16日，由工业信息化部指导、中国通信协会主办，受到中国信息通信研究院、中国移动、中国电信、中国联通、中国铁塔大力支持的2019世界电信和信息社会日大会“5G承载技术标准与产业研讨会”在北京新世纪日航饭店召开。

中国联通网络技术研究院光传输与承载技术研究室主任张贺发表了《5G网络的时间和频率同步》主题演讲，从5G的频率和时间同步的需求出发，尤其是时间同步的要求，进行了解读。主要从技术原理、目前实验室以及线网的试点应用等方面，对5G的时间同步要求给出了一个整体的概念。同时试验验证证明目前阶段1588V2和北斗都能达到跟GPS类似的同步性能的要求。而对于更高精度的时间要求，张贺提出应该更关注新型技术，比如双频的接收和共视法提高更高精度的技术发展。

他表示，无线技术的发展对同步尤其是时间同步提出了更高的要求，5G网络如不能保证基站间严格的时间同步，将对其所承载的大量的行业应用带来较大影响，降低用户感知。

以下为演讲全文

今天主要是基于这两个考量：一是结合北斗的应用情况，二是想把1588技术在应用市场里推起来。主要讲以下几个方面，一是同步需求指标要求及分析。相对于ITO，5G提出超高清以后，在标准层面也做了很多工作，我会把标准的更新做一个梳理。后面是我们做的技术实现方案、部署应用，最后是总结。

这一张是基站指标要求和分析的图。左上角是频率的要求。无论无线的哪种制式，2G、3G、4G、5G对频率要求都是一样的。目前做视频这块的技术保持频率同步基本都没有什么问题，都是很简单的。关键是现在5G主要是对时间同步的要求比4G有所提升，主要是看时间同步这一块。左下角的图是有一个定义的，最下面端到端的TAE是定义空口的时间偏差的，是指两个AU之间的时间偏差。但是这个时间偏差，因为现在没有手段去测，因为它是空口的，很难去测，测起来很困难，所以我们就把它折成基站自身输出的UTC，测出它的绝对时间偏差叫TE，TE和TAE之间有一个换算。4G要求3微秒，3微妙相当于UTC是正负1.5，一个向左偏，一个向右偏，最大的偏差不超过3微妙就行。知道TE和TAE的定义，再看右边表格的要求。65NR是特殊的场景，我们分几个点，把距离精确算好，补偿算好，满足自动化机械的运营是没有问题的，和传输承载率不大。包括130在内的连续窄波，影响也不大。我们最终考虑的就是260纳秒的指标需求和3微秒。在5G的初级阶段，跟4G的要求是一样的，也是3微秒，关键是260，260也是一个理论推算的结果。

表里有KZ1和KZ2，有一个190和200，190是华为提的频率要求，指的是链路上两个RE之间的UA段，等于给RE两个各35。200是诺基亚提的，链路上是200，分给两个UE、RE就是30。华为提出来在RE里会内嵌1588，会等等复杂度，所以每一个是35。诺基亚是前面有一个承载末端，我不用再去做恢复的工作，减轻一点，所以30就行了。将来超高精度我们就考虑260，初期我们用3微秒就行。

刚才提到空口不太好测，下面有一个Calnex，他们有一个表，目前可以测3G和4G空口的时间偏差，这个表还在英国的工厂，没有到国内来。它现在还不太支持5G，还有待验证。以上说的是指标的分析。

第二，eCPRI接口的同步功能，有三个功能模块分别控制管理面和同步面，是很重要的一块。它虽然是一个逻辑的连接，但是对eCPRI来讲，它是从CPRI发展过来，  已经考虑到了同步的传递。同步信息可以不采用eCPRI的专用协议传送，eCPRI是自己的传递协议。中间是eCPRI和1588的关系，还有一个新的功能，eCPRI可以用1588里的报文来进行单项测量。TCV1和TCV2是由厂家做的补偿值，每个厂家处理的不一样，由每个厂家给一个参考值作为补偿值，通过公式计算就可以得到单项实延。

ITU对标准有一个更新完善，有几个层面。首先是源头层面，从时间源层面从TRT层面提高它的精度。我们现在布的核心网的时间服务器指标都是正负100纳秒的，现在到了40纳秒。8272今年1月份已经颁布了，从源上面就把精度提升了。PRTC与市场需求有关系，但是ePRTC利用起来有一定的困难。对于1588来讲，使用模式就是OTBC和TC。5纳秒是指将来在260纳秒的时候，端到端的时候，20条给它5纳秒，每一个中间承载网联是5纳秒。我们要通过仪表来观测到原始的信号是什么样。我们测的设备本身已经经过了滤波处理，虽然指标原来是100、70，这些都是1000秒的测试指标，但实际上设备厂商都做过滤波处理了。

另外一个改革是BC已经增加了接口，从GE一直到100GE接口都已经进行了规范，而且2019年1月份已经颁布了。200G和400G接口要求必须支持同步以太的功能。下一步在2019年9月或者明年初会有一个网络限值的指标要求。2兆的输出接口，10兆也好，1秒钟比特率能够达到2兆，现在用1588报文去恢复，1秒钟16个包，低速率包去恢复频率肯定没有物理层的高。2个同步节点设备SSU1和2之间不能超过20个节点，跟原来SDH完全一模一样，包括它的指标要求都是4.6PPM。

1588技术原理都很清楚，以太网从10兆到100兆提升以后发现定时能力不足就做了NTP，我们电脑里的时间都是用NTP里取的。2008年做了点的版本，目前在推新的版本。从时间节点来看，无外乎就是卫星错时，要么就是地面。中间是1588协议的原理。通过4个时间戳来算时间。打戳的精度对1588报文提升是很有效的。从右上角的图可以看到有ABC三个点，这三个点都可以打时间戳，越靠近光纤出口打戳内部的时间肯定会滤出掉了。

在一个很平稳的桌子上去写字，肯定怎么写都会写得很好，但是如果这个桌子在振动、在晃动，你想写字很困难。这说明物理层频率对时间恢复有支撑作用，有很稳定的频率的时候，时间恢复会很好。右下角有一个示意图，当我的时间源消失了以后，没了，我用不同等级的钟去守这个时间，我的内钟的频率越高、精度越高，撑的时间就越长。还是表明物理层对时间恢复的支撑作用是很大的。

这是一个时间架构。1588  2002年就出来了，到现在已经2019年了，时间很长了，主要是基站要求时间同步，GPS可能有一定的风险，包括它的故障率，成本很高。所以才驱动了1588用起来。用的时候它主要是在本地应用，所以中国联通没有把它做三级架构。右边是中国联通在重庆做的一个应用的案例，经过23跳，中间有OTN和IPRAN，前年测了一下，23跳基本上能够达到300纳秒以内的精度。右下角测的是时间信号，下边是频率的信号，可以看到信号还是很稳定的。用1588这种方式给4G、5G的初期基站1.5微秒，完全可以满足。

这是本地网络的架构和重庆的应用案例的测试。

5G来了以后，也分了三种业务，一个是基本业务，就是刚才提到的三微秒那个需求。还有协同业务和新业务，需求有的会更高。中国联通现在的方案应该是属于一种过渡的方案，因为在4G时代的时候我们已经把核心的时间服务器都买过了，4G的网络还会在，通过核心接入逐条传下去，满足5G初期的1.5微秒还是没有什么问题的。未来如果有窄波聚合的需求，聚合不是主网的聚合，而是局部区域的，针对局部区域可以用小型时间服务器下沉，更接近于5G基站。下沉1跳、2跳就到了，这样来提供精度。现在新的双频接收技术，通过卫星的两个频点去接收，这样来算对流层更精确一些，恢复的时间更精准一些。共视法目前有厂商在做设备，精度还是很高的，可以达到亚纳秒级，但是应用还有一些问题。共视的仪表听说也有厂家刚刚推出来，会在这个月底的展会上展出。慢慢地也会走进同步的前沿阵地。将来服务器达到30，中间5纳秒，端到端260，去做一个统一的同步的传递。如果将来能做到单端到端，我们还是有机会去做的。但是现在4G还存在，所以下沉也是一种方式。

这是北斗，联通在雄安发布了一个5G+北斗以及智研院成立的发布仪式。北斗也是国家战略层面的东西 ，后续我们再去提同步的时候，提GNSS的时候，还是以提BTS为主。北斗三代发的卫星数量基本覆盖全球是没有问题的，后续我们想把北斗推起来，但是北斗基站的性能到底怎么样，我们去年8月份在武汉也对华为的LTE的基站，跟踪北斗的性能做了一个长期的测试。右下角这个图是先跟北斗，然后一个多小时之后切到GPS，从图的效果一看大家也能清楚，蓝的是频率，10兆赫兹的，中间的是BTS，可以看到北斗的性能比GPS略微好一些。

左边是LTE基站跟踪北斗40小时，上面是GPS的，下面蓝色是跟踪北斗的，可以看到性能还是很稳定的。右边125小时全部跟踪北斗。上面红的是时间，下面10兆赫兹是频率，也是比较稳定的。从武汉4G基站跟北斗的测试来看不亚于GPS，甚至还优于GPS，但是这还需要长期考量，因为GPS毕竟这么长时间了。中国联通后来一直在跟踪基站的测试，但一直没有取数据。

这个是5G的基站，雄安当时布了一些5G的基站，中国联通也是想配合5月10号的发布会，也做了一些华为的5G基站跟踪北斗的测试情况。右下角上面是时间，下面是频率，56个小时，可以看到也是很稳定。时间信号基本上它的均值平均在负的100纳秒左右。将来130的指标也能满足，但是单纯的用于卫星可能还会存在一些问题。左下角是保持，把GPS和北斗全拔掉，用基站来保持，保持的时间大概5万秒。当它保持的时候，只有6分钟就会突破130纳秒。到1微秒的时候，大概能够维持14个小时左右。将来如果全靠卫星的话，可能卫星一天撑不了就会出问题。CA用起来以后，6分钟就保证不了精度要求了。

后来中国联通挂了一个13天的，13天的时候，中间出现了一次跳变，跳变引起了3天的数据异常。我在下面的图上画了两个红圆圈，因为本身基站的频率变化了，由于频率变化引起了时间信号输出的变化。而且这个变化很大，基本上达到秒级了。后来我们又对基站的版本进行了升级，升级以后把时钟的输入类型修改了，在29号下午4点左右又恢复了正常。这也能看到实际上频率稳不稳，对时间的影响还是很大的。

这是5G跟1588，4个小时，跟1588的时候，平均值基本在负20度纳秒左右，但是只测了4个小时，只是一跳。因为雄安的承载网络还不具备1588的功能，但是可以看到1588跟一跳的时候可以保证20纳秒，时间信号蜂窝值在负140到负60区间。5G、北斗1588GPS性能还是可以符合指标要求的，13天那个出现一个跳变，后来分析基站本身的内振有问题，要求厂家更换相应的时钟处理板卡。

随着无线技术的发展，同步肯定是越来越重要的。从最初我们只是要求频率同步，现在要求项目上更精准，这是一个趋势。如果不能保证这种严格的同步，可能会对行业应用带来很大的影响，因为现在还没有真正去试，影响到底怎么样还没有数据，比如车联网、智能驾驶。单纯依赖GPS存在潜在的政治安全风险，同时针对5G超高精度的时间同步需求，当卫星失效时，基站的守时性能并不乐观，需考虑基于地面链路传递的1588V2技术，还有一些新的技术我们也要跟踪。一个是北斗，另外一个是1588要真正用起来。担心的是网络出现故障的时候不知道怎么定位，但目前来看基本上问题不大，所以还得把这件事情推动起来，用起来，以满足将来5G的需求。