5G同步組網(wǎng)架構及關鍵技術目錄引言P15G同步需求P25G高精度時間同步組網(wǎng)模型P5引言P15G同步需求P25G高精度時間同步組網(wǎng)模型P55G高精度同步關鍵技術P8總結與展望P14主要貢獻單位P15PAGEPAGE1322引言5G牌照已經(jīng)發(fā)放，5G商用蓄勢待發(fā)。5G網(wǎng)絡正處于標準完善和產(chǎn)業(yè)化培育應用的關鍵時期，5G同步網(wǎng)作為必不可少的基礎支撐網(wǎng)絡，急需在技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面盡快推動，有力支撐5G商用。5G同步用于支撐5G網(wǎng)絡和業(yè)務，包括頻率同步和時間同步，頻率同步相對于現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)并無明顯變化，而時間同步則要求更加嚴格，本白皮書重點研究了5G時間同步組網(wǎng)架構和關鍵技術。本白皮書在分析5G系統(tǒng)時間同步需求的基礎上，結合應用場景、安全可靠性、成本等多方面因素，剖析基于高精度時間同步地面組網(wǎng)解決5G系統(tǒng)同步的必要性，并提出高精度同步通用組網(wǎng)模型，重點研究了高精度源頭、高精度同步傳輸、高精度同步監(jiān)測等關鍵技術。本白皮書將為我國后續(xù)5G同步技術方案選擇及組網(wǎng)策略制定、國際國內標準推動、同步網(wǎng)平滑演進等提供重要指引。5G同步需求 5G基本同步需求與4G相同基本時間同步是所有時分復用（TDD）制式無線通信系統(tǒng)的共性要求，其對基站空口時間偏差進行嚴格限定，主要是為了避免上下行時隙干擾。在TDD制式無線通信系統(tǒng)實際部署時，基站間同步偏差、保護周期（GP）、基站收發(fā)轉換時間、小區(qū)覆蓋半徑等多方面因素相互制約，應滿足如下關系：……………公式（1）是基站從“開”到“關”的轉換延遲，是基站從“關”到“開”的轉換延遲，Tprop，BS1-BS2是基站間距離引入的傳輸時延根據(jù)公式（1），各種影響因素相互關系如表1所示。表1各種影響因素相互關系根據(jù)表1，對于目前普遍采用的6G以下頻段，4GTDD系統(tǒng)采用固定子載波間隔15kHz，GP配置單符號，保護周期時間為71.4μs，在一定覆蓋范圍內，要求基站間時間偏差應小于3μs。5G系統(tǒng)根據(jù)子載波間隔可靈活擴展的特點（即NR的子載波間隔可設為15(2^m)kHz，m∈{-2,0,1,...,5}），通過在GP中靈活配置多個符號的方式，使得基站間時間偏差要求仍應小于3μs，與4GTDD基本時間同步需求相同。5G協(xié)同增強提出100ns量級高精度需求站間協(xié)同增強是指到同一個用戶的數(shù)據(jù)可以通過不同基站的有源天線單元（AAU）收發(fā)，使用戶可以在交疊覆蓋區(qū)合并多個信號，從而有效提升業(yè)務帶寬。多信號間的時延差須滿足一定要求，否則無法合并。根據(jù)3GPPTS36.922協(xié)議描述，站間協(xié)同要求滿足如下關系：TD1+TD2+TD3=TotalTDCP 公式（2）其中，TD1為不同AAU空口到用戶終端（UE）因不同距離產(chǎn)生的時延差，TD2為多徑傳播導致的時延差，TD3為不同AAU空口之間的時間偏差，TotalTD為不同AAU信號到達UE側的時間總差值，CP為防止符號間干擾的循環(huán)前綴。根據(jù)公式（2），為順利實現(xiàn)協(xié)同功能，不同AAU空口信號到達UE的總時差應小于CP的長度。根據(jù)3GPPR4-1802142CR38104-f00，不同類型的協(xié)同增強同步要求如表2所示，其中，多入多出（MIMO）和發(fā)射分集技術的時間偏差要求為65ns，對于帶內連續(xù)載波聚合（CA），低頻基站（Sub6G）時間偏差要求為260ns，高頻基站（Above6G）時間偏差要求為130ns，帶內非連續(xù)CA和帶間CA的時間偏差要求均為3μs。表3給出了5G協(xié)同增強技術應用場景說明。其中，MIMO、發(fā)射分集、帶內連續(xù)CA主要發(fā)生在AAU內部，很小可能發(fā)生在同一基站的不同AAU之間，而帶間或帶內非連續(xù)CA則正好相反，主要發(fā)生在同一基站的不同AAU之間，很少發(fā)生在AAU內部，另外，各種協(xié)同增強均基本上不發(fā)生在不同基站的AAU之間。表25G不同類型的協(xié)同增強同步要求 表35G協(xié)同增強應用場景說明4455綜上，為了提升覆蓋效率和服務體驗，多天線MIMO、多點協(xié)調、載波聚合等協(xié)同增強技術將在5G系統(tǒng)中得到更廣泛的應用。為了確保協(xié)同有效，來自不同協(xié)同點信號的時間差不能超過循環(huán)前綴CP，從而對協(xié)同點之間的時間偏差提出了100ns量級甚至更高的苛刻要求。部分新業(yè)務需要更高精度同步5G網(wǎng)絡支撐的多種新業(yè)務可能具備高精度同步需求，包括高精度定位業(yè)務、高速移動業(yè)務覆蓋、業(yè)務時延精確測量、各種垂直行業(yè)應用（如物聯(lián)網(wǎng)，車聯(lián)網(wǎng)，智能制造）等。典型的基站定位服務，主要基于到達時間（TOA）或到達時間差（TDOA）技術，時間同步精度與定位精度要求直接相關。例如，要滿足3m的定位精度，要求基站間的空口信號同步偏差為10ns；要滿足m級的定位精度，要求基站間的空口信號同步偏差為3ns。5G基站部署密度大，基于基站提供定位服務具有天然優(yōu)勢，特別是在衛(wèi)星信號覆蓋盲區(qū)，該優(yōu)勢更加凸顯。隨著高精度定位服務需求爆炸式增長，作為定位服務提供的重要手段，基于5G系統(tǒng)基站定位極具潛力，可與其它定位技術相結合，滿足m級及以上的定位需求。 5G高精度時間同步組網(wǎng)模型5G高精度同步地面組網(wǎng)是大勢所趨長期以來，運營商主要采用在基站加裝衛(wèi)星接收機的方式滿足無線移動通信系統(tǒng)的同步需求。在4G時代，部分運營商通過地面同步組網(wǎng)方式解決無線基站的同步問題，但一般作為備用，或者用于解決衛(wèi)星信號難以覆蓋區(qū)域的基站同步，如地鐵、地下車庫、部分城區(qū)高樓等。相對于4G系統(tǒng)，5G系統(tǒng)具有如下新的同步需求特點：同步需求精度更高。根據(jù)第2部分分析，5G系統(tǒng)既有μs量級的基本業(yè)務同步需求，也有100ns級的協(xié)同增強技術同步需求，還有其它新業(yè)務的更高精度同步需求，基站直接通過普通衛(wèi)星接收機單站授時難以完全滿足要求；同步應用場景更加復雜。5G不斷推進，室內基站占比增大，將會存在大量無法獲取衛(wèi)星信號的5G基站部署場景；同步的安全可靠性要求更加嚴格。同步是確保5G系統(tǒng)安全可靠運行的前提，鑒于5G及其所支撐業(yè)務的重要性，相應對同步的安全可靠性也提出更高的要求?？紤]到衛(wèi)星信號受到無意或有意干擾導致失效的情況越來越多，衛(wèi)星信號被攻擊（如偽衛(wèi)星欺騙）的案例時有發(fā)生，5G同步完全依賴于衛(wèi)星授時將會帶來極大安全隱患；成本方面更加敏感。5G基站部署規(guī)模大，若每個基站均加裝衛(wèi)星接收機，設備投資和運維成本巨大，而通過承載網(wǎng)絡帶內方式實現(xiàn)地面高精度同步組網(wǎng)，建設與運維成本相對較低。鑒于上述分析，為滿足5G系統(tǒng)的同步需求，解決衛(wèi)星覆蓋盲點問題，提升安全可靠性，節(jié)約建設和運維成本，研究建設自主可控、安全可靠的高精度時間同步網(wǎng)是大勢所趨、非常必要。需要說明的是，建設高精度地面時間同步網(wǎng)，并不會一步到位完全替代基站衛(wèi)星授時方案，兩者是天地互備的關系，將會長期共存、相互補充。66775G高精度同步通用組網(wǎng)模型國內CCSA，國外ITU-T、3GPP、CPRI、IEEE以及ORAN等多個標準化和行業(yè)組織正針對5G同步解決方案開展研究。目前來看，相對于光纖授時、網(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP）等技術，基于高精度時間協(xié)議（PTP）組網(wǎng)是5G高精度時間同步的最主要實現(xiàn)方案?；赑TP的5G高精度時間同步通用組網(wǎng)模型如圖1所示。圖15G高精度時間同步通用組網(wǎng)模型作為源頭設備的高精度時間服務器（PRTC/ePRTC）可采用衛(wèi)星授時關鍵技術（見第4部分第1節(jié)），在衛(wèi)星不可用的情況下，可通過地面獲取超高精度時間同步信號（如通過光纖授時溯源至國家守時單位），從而確保5G時間同步網(wǎng)自主可控。PRTC/ePRTC通常同時實現(xiàn)祖時鐘（GM）功能，因此圖1參考點A一般位于設備內部，在這種情況下無需對其性能要求進行規(guī)范。高精度時間服務器的性能指標應滿足ITU-TG.8272.1標準的要求，即時間精度應優(yōu)于±30ns。圖1參考點B和C之間屬于5G時間同步網(wǎng)的核心部分，可采用高精度同步傳輸技術（見第4部分第2節(jié)）實現(xiàn)高精度同步承載，屬于由多個電信用邊界時鐘（T-BC）組成的同步鏈。需要強調的是，單個節(jié)點的時間同步性能和網(wǎng)絡規(guī)模（時間同步鏈的跳數(shù)）是B與C之間承載部分同步指標的兩個重要制約參數(shù)。為了提升端到端同步性能，擴大組網(wǎng)規(guī)模，要求傳輸設備單節(jié)點時間同步精度應優(yōu)于一定的限值（例如，ITU-TG.8273.2規(guī)定類型C和類型D的T-BC的時間誤差在10ns量級甚至更小）。圖1中參考點C或D屬于5G時間同步網(wǎng)與無線末端設備（如5G基站）連接點，可考慮采用高精度同步接口（如帶內10GE/25GE光）進行對接，降低局內互聯(lián)引入的時間誤差。在5G組網(wǎng)中，通過對5G網(wǎng)絡無線接入網(wǎng)（RAN）側功能的重新劃分，以及基于以太網(wǎng)的eCPRI接口在前傳中的使用，圖1中從時鐘（Slave）可能和末端應用（例如AAU）集成在同一設備中，因此參考點D有可能位于無線設備內部。5G同步需求一般是以無線空口（圖1參考點E）間的相對時間偏差來衡量，而同步網(wǎng)一般通過實現(xiàn)相對于協(xié)調世界時（UTC）的絕對時間精度來滿足無線側的相對時間精度要求。例如，為了滿足兩個AAU的無線空口參考點E之間的相對時間偏差（如3μs），要求每個AAU無線空口輸出相對于UTC的絕對時間偏差滿足一定的限值即可（如±1.5μs）。88995G高精度同步關鍵技術 高精度同步源頭技術高精度同步源頭的實現(xiàn)與衛(wèi)星授時技術密不可分。衛(wèi)星授時的精度取決于衛(wèi)星系統(tǒng)、大氣層、接收系統(tǒng)、本地鐘源、鎖相環(huán)和分發(fā)接口等多個要素，其中衛(wèi)星接收部分對精度的影響比重最大，提升衛(wèi)星接收部分的精度成為5G時間服務器精度提升的關鍵。衛(wèi)星單頻單向授時精度受限衛(wèi)星單頻授時是目前傳統(tǒng)的也是應用最廣泛的衛(wèi)星授時技術，一般采用單向授時。衛(wèi)星接收機在進行單向授時時，存在位置坐標（x，y，z）以及時間t共4個未知參數(shù)，因此需要接收4顆或4顆以上的衛(wèi)星才能實現(xiàn)授時。衛(wèi)星授時主要由偽距測量實現(xiàn)，通過適當?shù)姆椒p弱或者消除偽距測量中誤差的影響是提升衛(wèi)星授時精度的關鍵。衛(wèi)星單向授時存在三類誤差來源：一類是和衛(wèi)星有關的誤差，包括星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、多普勒頻移及相對論效應等；第二類是與信號傳播有關的誤差，如對流層延遲誤差、電離層延遲誤差和多路徑效應等；第三類是和接收機本身相關的誤差，比如接收機測量噪聲、用戶機設備零值等。受限于上述三類誤差，單頻接收機單向授時的理論授時精度只能達到約100ns。衛(wèi)星單頻單向授時技術成熟，成本較低，可獨立部署應用，但無法解決性能監(jiān)測問題，精度無法滿足高精度源頭設備（如ePRTC）的要求。衛(wèi)星雙頻技術顯著提升授時精度為提升授時精度，在衛(wèi)星授時方面可采用雙頻接收技術，相對于單頻接收機而言，雙頻接收機可同時接收單個衛(wèi)星系統(tǒng)的兩個頻點載波信號（如GPS的L1、L2，或者北斗的B1、B2），通過一定算法可有效消除電離層對電磁波信號延遲的影響，從而提升衛(wèi)星授時精度。在具體算法方面，業(yè)界常見的修正電離層延遲的算法主要包括雙頻碼觀測量修正法和雙頻載波觀測量修正法，也可同時使用上述四個觀測量進行求解和修正。衛(wèi)星雙頻技術的授時精度可以達到±30ns左右。衛(wèi)星雙頻技術能夠滿足高精度源頭設備性能要求，可以獨立部署應用，可作為高精度時間服務器實現(xiàn)技術。相對傳統(tǒng)單頻衛(wèi)星技術來說，雙頻衛(wèi)星技術成本較高，建議在產(chǎn)業(yè)化方面加大推動力度，擴大商用規(guī)模，降低成本。衛(wèi)星共視技術可實現(xiàn)遠距離高精度溯源衛(wèi)星共視法是目前遠距離時鐘比對的主要方法之一，也是國際原子時合作的主要技術手段之一。衛(wèi)星共視法是在單向授時的基礎上，主從兩個站分別同時測量本地時鐘與導航系統(tǒng)時間的時差，然后兩個站交換測量數(shù)據(jù)，時差相減獲取兩站本地時間的時差，通過從站時間調整，實現(xiàn)從站溯源至主站。共視法基本原理如圖2所示。圖2共視法基本原理衛(wèi)星共視法本質上是一種偽距差分技術，對衛(wèi)星到基準站和用戶的單向授時誤差進行差分，獲得優(yōu)于單向授時方法的精度。目前業(yè)界衛(wèi)星共視法比對精度可達±10ns左右。衛(wèi)星共視技術比較成熟，性能較好，但無法獨立部署應用，需主從站配合使用，并配置數(shù)據(jù)通道進行數(shù)據(jù)交互。不建議基于衛(wèi)星共視技術實現(xiàn)高精度同步源頭，可將其用于網(wǎng)絡性能集中監(jiān)測和高精度同步測量。高精度同步傳輸實現(xiàn)技術優(yōu)化1588v2實現(xiàn)高精度同步傳輸1588v2技術是目前最成熟的高精度時間同步傳輸技術，在4G時代引入到電信領域，現(xiàn)已在國內大量部署。目前支持1588v2功能的傳輸設備，單節(jié)點時間同步精度為±30ns，在遠距離多跳傳輸時，端PAGE10PAGE10PAGEPAGE11到端性能難以滿足高精度同步需求。為提升單節(jié)點精度，宜從以下幾方面對現(xiàn)有1588v2進行優(yōu)化：打戳位置盡量靠近物理接口，減少光模塊內部的半靜態(tài)延時誤差和動態(tài)延時誤差。信號流經(jīng)過光模塊，進入接口芯片后，建議在打戳事件經(jīng)過物理媒介附屬（PMA）層時執(zhí)行打戳動作。提升打戳分辨率，降低采樣誤差。打戳時的采樣誤差是影響打戳精度的重要因素，例如，采用125M時鐘打戳，誤差至少是正負1個時鐘周期，即打戳的分辨率只有8ns。因此，需要提升打戳時鐘的頻率，或者采用其他方法提升打戳分辨率。改進同步算法，提升系統(tǒng)實時時鐘（RTC）精度，特別是優(yōu)化系統(tǒng)RTC的時間調整粒度，可以顯著降低時間同步的動態(tài)抖動誤差。加強模塊間協(xié)作，提升系統(tǒng)內部RTC之間的同步精度。系統(tǒng)內部存在多個RTC，這些RTC之間的精確同步，是影響設備級時間同步精度的重要因素，例如，時鐘板RTC和業(yè)務板RTC之間的同步，涉及到設備內部時間信號分發(fā)延時的精確測量。選取優(yōu)質晶振，提升本地時鐘的穩(wěn)定度。本地時鐘（通常采用溫補晶振或者恒溫晶振）是設備進行各種同步操作的基礎。提升本地時鐘的頻率穩(wěn)定度，有助于提升時間同步和頻率同步的動態(tài)性能，并在各種故障情況下獲得更好的保持性能。鑒于1588v2技術在電信網(wǎng)中應用規(guī)模大、成熟度高、互聯(lián)互通性好，建議在現(xiàn)有配置基礎上通過優(yōu)化實現(xiàn)細節(jié)提升精度，這樣有利于5G高精度時間同步網(wǎng)絡的快速部署和成熟商用?？紤]到1588v2技術在實際應用中易受光纖不對稱性影響，建議5G時間同步網(wǎng)在條件具備時盡量采用單纖雙向方式進行1588v2的部署應用。另外，針對1588v2開通和運維，建議引入智能時鐘，增強同步網(wǎng)絡安全可靠性，提高運維管理效率。白兔子技術嘗試支持高精度同步傳輸白兔子（WR）技術于2008年由歐洲核子研究組織（CERN）提出，設計初衷是實現(xiàn)亞納秒的分布式時鐘同步和具有確定性延時的數(shù)據(jù)傳輸，用于加速器的同步控制。WR技術以標準千兆以太網(wǎng)為基礎，使用物理層同步以太網(wǎng)（SyncE）技術實現(xiàn)時鐘頻率，使用1588v2（PTP）實現(xiàn)時間同步，使用全數(shù)字雙混頻鑒相器（DDMTD）將時間戳同步精度提高到亞納秒。針對光纖鏈路的非對稱性問題，WR使用單纖雙向技術進行解決，通常采用波分復用（WDM）技術實現(xiàn)全雙工通信，主節(jié)點發(fā)出的光波長為1490mm，從節(jié)點發(fā)出的光波長為1310mm，根據(jù)不同波長的光在光纖中的折射率不同，可以計算并補償由此引入的延時不對稱性。WR使用鑒相器精確測量數(shù)據(jù)恢復時鐘與本地時鐘的相差并對時間戳進行校正，從而使基于1588v2的時鐘同步技術能夠實現(xiàn)亞納秒級精度。此外，從節(jié)點端的鑒相器與濾波控制電路以及壓控振蕩器構成了一個鎖相環(huán)電路，實現(xiàn)從節(jié)點時鐘的相位鎖定和相位調整功能。WR實現(xiàn)了一定區(qū)域內、多節(jié)點、亞納秒精度的高精度同步信號分發(fā)。但考慮應用場景、協(xié)議擴展性、硬件支持能力、穩(wěn)定性、成本等多方面因素，WR目前不適合通信網(wǎng)絡的使用。在新的1588標準草案（IEEE1588-2019draft）中，引入WR技術的一些概念，包括物理層相位同步、采用DDMTD技術等，并增加了針對高精度應用的PTPProfile，可實現(xiàn)ns級高精度同步?？傮w來看，無論是WR技術，還是新版本1588標準，均屬于全新的高精度傳輸實現(xiàn)方案，相對于1588v2優(yōu)化方案，實現(xiàn)難度大，目前暫時不作為高精度精度同步傳輸技術。高精度同步監(jiān)測技術外置方式實現(xiàn)同步性能絕對監(jiān)測外置方式可實現(xiàn)同步性能絕對監(jiān)測，包括兩種方式：外置探針方式和衛(wèi)星共視方式。外置探針方式：在5G同步網(wǎng)中按需部署外置探針裝置，探針裝置通過全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）獲得絕對時間基準，對網(wǎng)絡末端設備同步輸出信號進行監(jiān)測，再將監(jiān)測結果發(fā)送至中心網(wǎng)管以實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡同步性能的實時監(jiān)測。實現(xiàn)方式可以分為主動式和被動式，其中主動式為探針設備自身作為精確時間同步協(xié)議PTP時鐘，通過PTP協(xié)議與被監(jiān)測設備進行同步交互；而在被動監(jiān)測方式下，探針設備不參與網(wǎng)絡同步交互，采用鏡像方式獲取所監(jiān)測節(jié)點的同步交互信息，實現(xiàn)同步性能監(jiān)測。需要說明的是，基站配置的衛(wèi)星授時接收機也可實現(xiàn)外置探針的功能，通過自動測量衛(wèi)星信號與地面信號的時間偏差，完成網(wǎng)絡同步性能監(jiān)測，并可對線路非對稱進行自動補償。衛(wèi)星共視方式：在網(wǎng)絡適當位置部署共視主站和共視從站，根據(jù)4部分第1.3節(jié)衛(wèi)星共視技術工作原理，以共視接收作為媒介，通過交換數(shù)據(jù)，得到共視從站（即被監(jiān)測點）與共視主站（即遠端參考基準，如溯源至UTC的絕對基準）之間的比對結果，實現(xiàn)對被監(jiān)測點性能的絕對監(jiān)測。一般來說，共視網(wǎng)絡中共視從站部署于網(wǎng)絡下游位置，靠近網(wǎng)絡末端，當然，也可以通過人工規(guī)劃，在網(wǎng)絡多個點部署共視從站，從而實現(xiàn)可以覆蓋全網(wǎng)的性能監(jiān)測能力。內置方式支持同步性能相對監(jiān)測通過內置功能進行同步性能監(jiān)測，即利用網(wǎng)絡設備自身具備的同步性能監(jiān)測能力實現(xiàn)同步性能相對監(jiān)測，主要包括下述兩種方式：主從監(jiān)測：Slave設備在同步于主時鐘（Master）設備的同時，進行自身同步性能監(jiān)測。通過對Slave端口時間戳（T1、T2、T3、T4）和計算的時間偏差值（Offset）進行不同方式的統(tǒng)計和分析，可以實現(xiàn)對同步性能的相對監(jiān)測。該種監(jiān)測方式的監(jiān)測參數(shù)包括PTP時間偏差實時監(jiān)測、PTP延時實時監(jiān)測、PTP時間偏差累加值監(jiān)測等。環(huán)上被動（Passive）節(jié)點監(jiān)測：利用Passive節(jié)點對其同步側與非同步側同步數(shù)據(jù)進行比對，從而實現(xiàn)監(jiān)測。同步網(wǎng)通過BMC算法選擇時間源和同步路徑，在存在多條同步路徑的網(wǎng)絡中，例如環(huán)網(wǎng)或網(wǎng)格網(wǎng)，會在某個節(jié)點決策出Passive端口來避免環(huán)路。具有Passive端口的節(jié)點，通過Slave端口同步上游節(jié)點。通常情況下，Passive端口不會運行PTP協(xié)議，可設置該端口工作在探測模式，使其與相連的對端Master端口，通過PTP協(xié)議進行時間偏差運算。通過比較設備在Passive和Slave端口分別獲得的兩個方向的時間偏差的差值，借此進行性能監(jiān)測?；谕絽?/p>