将5G网络与定时设计和管理同步需要满足的时序要求

介绍最佳网络运行的定时要求

随着网络从使用基于频分双工（FDD）的通信链路发展到时分双工（TDD），不仅需要频率同步，还需要精确的相位和时间同步。为了在 5G 网络中提供准确的频率、相位和时间，TDD 网络中使用的设备结合使用全球导航卫星系统 （GNSS）、同步以太网 （SyncE） 和 IEEE-1588 精确时间协议 （PTP）。

在这篇由两部分组成的博客文章中，我们将回顾用于同步 5G 网络的时序设计和管理基础设施。第一部分将讨论正确网络操作需要满足的时序要求。第二部分将介绍用于满足这些要求的设计技术。

全新 5G RAN 架构

在第三代合作伙伴计划 （3GPP） 第 3 版中引入的新型 15G 无线接入网络 （RAN） 架构将基带单元 （BBU） 和远程射频头 （RRH） 拆分为集中单元 （CU）、分布式单元 （DU） 和无线电单元 （RU）。运营商可以在整个网络中实现效率和成本节约，因为这种新的RAN架构创建了一个分解和虚拟化的网络。

分解带来了连接DU和RU的增强型公共无线电接口（eCPRI）。与以前用于连接BBU和RRH的CPRI链路相比，eCPRI具有几个独特的优势。由于 eCPRI 是基于数据包的，因此现在利用 PTP 和同步 与 RU 同步。

同样，开放 RAN（O-RAN） 运动也根据 3GPP 建议对硬件和接口进行了标准化。O-RAN联盟概述了在前传网络中提供定时功能的四种可能性。在所有四个中，RU 从 DU 或附近的主参考时钟 （PRTC） 获取时序。尽管有四种授时方法，但通过O-RAN网络建立授时分配所需的基本功能仍然基于SyncE，IEEE-1588和GNSS。

计时标准

为了确保每个网络组件满足特定的频率、相位和时间要求，已经建立了几个定时建议，保证了正确的端到端网络运行。根据3GPP的定义，TDD蜂窝网络中时间同步的基本同步服务要求设置为基站之间的3 μsec。国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）根据3GPP要求提出了一系列建议，定义了公共点和最终应用之间的绝对最大时间误差（max|TE|），转换为±1.5微秒。

GNSS成为通过PRTC在TDD网络中获取时间的主要选择。一种策略是将全球导航卫星系统接收器放在无线电站点;这需要清晰的天空视线才能可靠运行。因此，位于室内或阻挡清晰视线的位置的无线电不能使用本地 GNSS 源。GNSS 也容易受到视线中断的影响，包括天气事件和欺骗或干扰的针对性攻击。由于计划中的5G NR站点总数，运营商难以处理安装和维护GNSS源的成本。

由于除了采用GNSS的可靠性和成本问题外，还需要更准确的PRTC，因此创建了增强型主时钟（ePRTC）的定义。ePRTC 可以通过 GNSS 或连接到 UTC 的其他网络标准时间源启动时间。获得时间后，ePRTC使用铯或更好的原子参考振荡器来维持网络的稳定，可靠和高度准确的时间参考。利用自主原子定时参考可提供一定程度的中断保护，并支持长达 14 天的稳定保持。ePRTC的时间精度为±30 nsec到UTC。这是对先前PRTC指定的±100 nsec精度的显着增强。精度的提高达到了5G NR的困难网络要求。我们提供最先进的解决方案，这些解决方案部署在世界各地，以满足这些精确的计时要求。

确保网络正确传输时间的其他关键元素包括电信边界时钟（T-BC）和目标时钟（T-TSC）。T-BC 通常位于交换机或路由器中，负责监督从上游链路恢复时间并将其传递到下游链路。T-BC/T-TSC 内部的以太网设备时钟 （EEC） 或 SyncE 提供稳定准确的频率参考，可溯源至主参考时钟 （PRC/PRS），频率精度为 0.01 pbb。将 SyncE 与 PTP 结合使用可为精度和成本改进提供各种好处。SyncE基准比本地振荡器更精确，可以驱动PTP引擎;这允许 PTP 引擎过滤更多的数据包延迟变化 （PDV），从而提高一般相位精度。

基本时间精度要求

在TDD网络操作中，时间精度的端到端网络限制为±1.5微秒（详见G.8271）。根据该值，我们制定一个定时预算，该预算指定了每个网元所必需的性能，从而满足端到端限制。时钟设备规范在 G.8273.2 中定义，将时间误差分为恒定时间和动态时间误差。恒定时间错误 （cTE） 表示由于网络中固有的延迟而产生的错误。无法过滤这些错误;它们随着时间在网络中循环而累积。动态时间误差（dTE）是由高频或低频噪声引起的误差。对网络参考时钟进行适当过滤可以减少这些误差。

图1.为了达到延迟规范，网络必须提供 ±1.5 微秒的时序限制，其中总数扩展到网络元素。

±1.5 μsec 基本网络限制分布在网元之间。图 1 显示了 4G 网络的每个网元的容许时间误差预算。带有 T-GM 的 PRTC 被限制为 ±100 纳秒的误差，并且每个 T-BC 被赋予最大值|TE|根据班级级别。表 1 标注了最大值|TE|为每个时钟类给出。

Class	max|TE|	cTE
A	100 nsec	50 nsec
B	70 nsec	20 nsec
C	30 nsec	10 nsec
D	For further study	For further stud

表 1.G.8372.2 T-BC 和 T-TSC 时钟设备时间误差限制。

此外，根据班级级别为每个 T-BC 指定了一个 cTE 限制。网络链路不对称和最终应用也给出了max|TE|值。最多支持 10 个跳 A 类 T-BC 或 20 个跳 B 类 T-BC 的网络足以满足基本网络限制。

高级时间精度要求

1.5 μsec的基本端到端要求对于4G和5G网络是相同的。然而，一些无线电技术，包括协调多点、载波聚合或大规模MIMO，对时间误差施加了更严格的限制。

图2.5G 网络中的 T-BC 根据类级别具有绝对最大时间误差 （max|TE|）。

图2说明了相对时间误差的概念，它解释了可追溯到无线电集群最后一个公共点的终端应用的时间误差。NR 部署所需的高级时间精度要求将集群中允许的相对时间对齐误差 （TAE） 降低到 130 nsec 或 ±65 nsec maxTE。

除了新的ePRTC之外，表1还列出了国际电信联盟电信标准化部门（ITU-T）为支持这些更严格的限制而概述的新类别的电信边界时钟（T-BC）和目标时钟（T-TSC）。G.8372.2 C 类和初出茅庐的 D 类要求更严格地限制了每个元素可以创建的可接受 TE。每个 C 类和 D 类元素都必须遵循 G.8262.1 中定义的增强型以太网设备时钟 （eEEC） 标准。

审核编辑：郭婷