Microchip Technology

資深應(yīng)用工程師主管

Jim Olsen

編者按：作者之前也寫過一篇5G技術(shù)領(lǐng)域文章《5G改變網(wǎng)絡(luò)授時架構(gòu)》，其中詳細介紹了如何以精確時間協(xié)議（PTP）為主要架構(gòu)實現(xiàn)5G前傳授時應(yīng)用。下面介紹虛擬主參考時鐘（vPRTC），它是5G網(wǎng)絡(luò)、傳輸技術(shù)和架構(gòu)的另一個關(guān)鍵要素。

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在蜂窩移動運營商和長期演進（LTE）專用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的推廣力度不斷加大。5G新空口（NR）采用時分雙工技術(shù)，這項技術(shù)要求所有新空口部署相對于基于協(xié)調(diào)世界時（UTC）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的授時源保持相位對齊，并確保精度在+/-1.5 μs范圍內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)運營商需要了解在5G授時架構(gòu)中使用精確時間協(xié)議（PTP）進行基于網(wǎng)絡(luò)的授時所需的時間誤差抑制技術(shù)和虛擬主參考時鐘（vPRTC）的概念，這對于其制定合理的基礎(chǔ)設(shè)施決策至關(guān)重要。

5G前傳應(yīng)用中使用PTP實現(xiàn)的基于網(wǎng)絡(luò)的授時架構(gòu)需要時間誤差分配工程，以確保授時要求得到支持，因為授時是基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分。

在無線通信中，與授時有關(guān)的最普遍問題是同信道無線電干擾。當(dāng)接收機正確追蹤衛(wèi)星時，在蜂窩基站上部署全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）（例如GPS、Galileo和北斗）接收機允許進行時隙傳輸分配，從而防止相鄰或接近頻率的無線電相互干擾。在覆蓋范圍重疊的無線電集群中，如果GNSS接收機發(fā)生故障或停止正確追蹤，則將導(dǎo)致連接到GNSS接收機的無線電與相鄰的無線電相互干擾，因為授時降級或積累了相位誤差。由于無線電使用低成本、低性能的振蕩器（無線電設(shè)計目標之一是通過使用規(guī)格較低的組件來降低成本），因此授時降級會突然發(fā)生。

為了避免干擾問題，一旦授時開始降級，就需要立即停止使用無線電或關(guān)閉受授時降級影響的服務(wù)。為了減少這類故障情形，可以部署基于網(wǎng)絡(luò)的PTP授時服務(wù)，在這種服務(wù)中，集群中的無線電與集成了GNSS接收機的PTP主時鐘（grandmaster）同步。如果PTP主時鐘中的GNSS發(fā)生故障或出現(xiàn)追蹤問題，同步到主時鐘的無線電將相對于相鄰無線電保持相位對齊，并且不會出現(xiàn)干擾問題?？梢栽赑TP主時鐘中部署高品質(zhì)振蕩器，以在較長時間內(nèi)保持與UTC的時間對齊，并且架構(gòu)中可以包含基于PTP的備用方案，以幫助在故障情形下維持UTC可追蹤時間。PTP主時鐘基于網(wǎng)絡(luò)的授時服務(wù)方法非常靈活，且具有成本效益。它可在GNSS故障情形中提供無線電集群相位對齊的額外好處，同時將GNSS部署到集中式存在點，可在其中為衛(wèi)星星座設(shè)計安全而良好的視距。

下圖說明了基于以太網(wǎng)光學(xué)前傳技術(shù)實現(xiàn)的PTP到5G無線電集群的分布。使用PTP提供基于網(wǎng)絡(luò)的授時服務(wù)的業(yè)務(wù)和技術(shù)案例正迅速發(fā)展。

圖1.此圖顯示了具有主時鐘功能的GNSS授時接收機，它是前傳架構(gòu)中的分布式授時架構(gòu)的一個示例。授時通過以太網(wǎng)公共無線電接口（eCPRI）鏈路從主時鐘傳送到無線電。

隨著授時及傳輸技術(shù)的發(fā)展和進步，它們?yōu)榍皞鲬?yīng)用的5G授時架構(gòu)提供了增強功能和替代方案。本文引入虛擬主參考時鐘（vPRTC）的概念，對這些概念進行了探究，并詳細說明了相關(guān)授時和傳輸技術(shù)及架構(gòu)的一些優(yōu)勢。

上圖所示架構(gòu)為基于網(wǎng)絡(luò)的PTP授時服務(wù)，這項服務(wù)利用了分布式GNSS授時接收機。與對PTP數(shù)據(jù)流的全路徑支持相關(guān)的技術(shù)進步在交換機和其他設(shè)備中引入了新型邊界時鐘。此類時鐘可減小這些設(shè)備在使用PTP進行授時的路徑中產(chǎn)生的時間誤差?，F(xiàn)在可以滿足5G應(yīng)用的嚴格授時要求，如1.5 μs或260 ns，而無需在5G無線電中的PTP客戶端附近使用GNSS授時接收機/PTP主時鐘功能。

將基于網(wǎng)絡(luò)的PTP授時架構(gòu)用于5G授時應(yīng)用等高精度應(yīng)用時，務(wù)必要確保消除或減少盡可能多的授時誤差來源，因為每一納秒的時間誤差都有很大影響。與授時誤差抑制相關(guān)的方法以兩個概念為中心，這兩個概念是時間誤差預(yù)算分配工程的一部分。

第一個概念側(cè)重于GNSS時間源，它由GNSS授時接收機和PTP主時鐘功能組成。電信應(yīng)用中用于授時的GNSS授時接收機稱為主參考時鐘（PRTC）。PRTC技術(shù)分為三類，取決于GNSS在追蹤和提取GNSS衛(wèi)星星座的時間時保持相對于UTC的時間精度大小。PRTC A類要求PRTC A處于UTC的+/-100 ns范圍內(nèi)。UTC是正確追蹤時為GNSS衛(wèi)星星座提取的時間參考。PRTC B類要求PRTC B在正確追蹤時處于UTC的+/-40 ns范圍內(nèi)。增強型PRTC（ePRTC）類要求ePRTC在正確追蹤時處于UTC的+/-30 ns范圍內(nèi)。ePRTC還具有與GNSS漏洞相關(guān)的額外要求，該要求增加了保持規(guī)范，即如果GNSS接收失敗或受到影響，ePRTC將保持在UTC的100 ns范圍內(nèi)至少兩周。這是通過將銫原子鐘參考與GNSS授時接收機功能部署在同一位置來實現(xiàn)的。ePRTC具有可學(xué)習(xí)銫原子鐘讀數(shù)和GNSS UTC參考之間偏移的學(xué)習(xí)算法。如果參考不可用，這些算法可以補償銫原子鐘的偏移，并延長UTC可追蹤時間的保持期限。

第二個概念側(cè)重于傳輸網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，稱為全路徑支持。在全路徑支持模型中，PTP時間戳不會通過基于GNSS的PRTC質(zhì)量主時鐘和無線電單元（RU）中最終應(yīng)用PTP客戶端之間路徑上的交換機和路由器。PTP時間戳流在交換機入口點終止，并通過主時鐘功能在交換機出口點再生。這一過程稱為邊界時鐘（BC）功能，其目的是通過測量和補償由交換機的交換結(jié)構(gòu)引入的時間戳可變延遲來減小開關(guān)元件的時間誤差。隨著時間的推移，交換機內(nèi)使用的BC技術(shù)不斷發(fā)展，從而允許在使用PTP實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的授時服務(wù)時減小授時誤差。BC技術(shù)首次引入時采用單一分類，此分類定義了包含BC功能的交換機所允許的最大時間誤差。對于允許更低最大時間誤差的交換機，現(xiàn)在有多個BC分類，這些分類允許在網(wǎng)絡(luò)中更遠的距離處部署基于GNSS的主時鐘功能，并且從RU中的PTP客戶端經(jīng)過更多交換躍點。邊界時鐘功能可恢復(fù)來自PTP輸入的授時，屬于ITU標準G.8273.2中定義的電信時間次級/客戶端時鐘（T-TSC）范疇。邊界時鐘分類和T-TSC時間誤差功能以最大允許恒定時間誤差（cTE）為界，cTE是用單一數(shù)字表示的時間誤差平均值，可與精度規(guī)范相比較。請記住，BC技術(shù)允許減小交換設(shè)備的授時誤差，但不允許減小由于引入任何額外基于網(wǎng)絡(luò)的不對稱性而導(dǎo)致的時間誤差。

下表描述了基于ITU標準的邊界時鐘/T-TSC分類和相關(guān)的cTE邊界。

圖2.這張表確定了各種邊界時鐘分類及其相關(guān)的時間誤差分配預(yù)算要求。

主參考時鐘和邊界時鐘功能的技術(shù)進步允許使用PTP實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的授時服務(wù)，以將授時服務(wù)的范圍從GNSS時間源擴展到終端RU應(yīng)用（適用于距離和交換躍點數(shù)），并保持超高精度以允許替代分布式GNSS授時架構(gòu)，在GNSS架構(gòu)中，GNSS時間源可以位于更靠近網(wǎng)絡(luò)核心的中心位置。這一概念稱為虛擬主參考時鐘（vPRTC），可以通過以太網(wǎng)/數(shù)據(jù)包交換或密集波分復(fù)用（DWDM）光傳輸網(wǎng)絡(luò)進行工程設(shè)計。

vPRTC架構(gòu)由三個部分組成。第一部分是具有PTP主時鐘功能的GNSS時間源，此時間源可達到PRTC B（+/-40 ns）或ePRTC（+/-30 ns）質(zhì)量標準。對于GNSS漏洞問題和保持性能，建議ePRTC增加銫原子鐘并與GNSS授時接收機部署在同一位置，以提高GNSS接收機相對于UTC的授時精度，同時提供延長保持時間的能力，即在GNSS信號中斷時，可以保持小于100 ns（相對于UTC）至少兩周。第二部分是網(wǎng)絡(luò)本身以及GNSS時間源和終端RU PTP應(yīng)用之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)。vPRTC的此傳輸段必須提供具有C類或D類邊界時鐘分類功能的全路徑支持，以便實現(xiàn)正確的時間誤差分配和抑制。vPRTC的第三個部分是網(wǎng)絡(luò)邊緣接入位置，其中PTP時間戳流會傳送到終端RU PTP授時應(yīng)用。此位置必須恢復(fù)和重新生成PTP授時流，從而創(chuàng)建vPRTC功能并滿足小于100 ns（相對于UTC）的PRTC A規(guī)范要求。隨后，此PTP授時流通過前傳網(wǎng)絡(luò)段傳送到終端RU PTP授時應(yīng)用。

圖3給出了C類邊界時鐘全路徑支持傳輸網(wǎng)絡(luò)中的vPRTC概念。

圖3.此圖給出了使用C類邊界時鐘時間誤差分配工程配置為虛擬主參考時鐘（vPRTC）的分組網(wǎng)絡(luò)。

總結(jié)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步，支持在更遠距離和更長的網(wǎng)絡(luò)元素鏈上實現(xiàn)高精度授時，從而使運營商可以選擇在從邊緣到網(wǎng)絡(luò)核心的不同位置為5G授時架構(gòu)引入基于GNSS的時間源。vPRTC架構(gòu)在彈性和冗余方面擁有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。vPRTC可以采用東西向配置，其中有兩個位置來部署GNSS時間源和最高級時鐘功能，從而實現(xiàn)ePRTC或PRTC冗余。此外，這種配置還支持環(huán)網(wǎng)或Liner環(huán)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的雙向PTP授時流，當(dāng)這種架構(gòu)中發(fā)生光纖切斷時，允許從相反方向授時和通信，從而提高架構(gòu)的彈性和冗余度。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，分布式GNSS PTP授時架構(gòu)和集中式vPRTC PTP架構(gòu)將成為全球運營商和5G LTE專用網(wǎng)絡(luò)的可行商業(yè)和技術(shù)選擇。運營商必須意識到，在底層網(wǎng)絡(luò)拓撲可用的情況下，務(wù)必要考慮到設(shè)計的嚴密性，以便構(gòu)建最穩(wěn)健且最可靠的授時架構(gòu)。