Microchip Technology

資深應用工程師主管

Jim Olsen

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

5G網(wǎng)絡技術在蜂窩移動運營商和長期演進（LTE）專用網(wǎng)絡環(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，這項技術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)絡運營商需要了解在5G授時架構中使用精確時間協(xié)議（PTP）進行基于網(wǎng)絡的授時所需的時間誤差抑制技術和虛擬主參考時鐘（vPRTC）的概念，這對于其制定合理的基礎設施決策至關重要。

5G前傳應用中使用PTP實現(xiàn)的基于網(wǎng)絡的授時架構需要時間誤差分配工程，以確保授時要求得到支持，因為授時是基礎設施的關鍵組成部分。

在無線通信中，與授時有關的最普遍問題是同信道無線電干擾。當接收機正確追蹤衛(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閉受授時降級影響的服務。為了減少這類故障情形，可以部署基于網(wǎng)絡的PTP授時服務，在這種服務中，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。可以在PTP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)絡的授時服務方法非常靈活，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)星星座設計安全而良好的視距。

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

圖1.此圖顯示了具有主時鐘功能的GNSS授時接收機，它是前傳架構中的分布式授時架構的一個示例。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的發(fā)展和進步，它們?yōu)榍皞鲬玫?G授時架構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，并詳細說明了相關授時和傳輸技術及架構的一些優(yōu)勢。

上圖所示架構為基于網(wǎng)絡的PTP授時服務，這項服務利用了分布式GNSS授時接收機。與對PTP數(shù)據(jù)流的全路徑支持相關的技術進步在交換機和其他設備中引入了新型邊界時鐘。此類時鐘可減小這些設備在使用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)絡的PTP授時架構用于5G授時應用等高精度應用時，務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的方法以兩個概念為中心，這兩個概念是時間誤差預算分配工程的一部分。

第一個概念側重于GNSS時間源，它由GNSS授時接收機和PTP主時鐘功能組成。電信應用中用于授時的GNSS授時接收機稱為主參考時鐘（PRTC）。PRTC技術分為三類，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具有可學習銫原子鐘讀數(shù)和GNSS UTC參考之間偏移的學習算法。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。

第二個概念側重于傳輸網(wǎng)絡和設備，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構引入的時間戳可變延遲來減小開關元件的時間誤差。隨著時間的推移，交換機內(nèi)使用的BC技術不斷發(fā)展，從而允許在使用PTP實現(xiàn)基于網(wǎng)絡的授時服務時減小授時誤差。BC技術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技術允許減小交換設備的授時誤差，但不允許減小由于引入任何額外基于網(wǎng)絡的不對稱性而導致的時間誤差。

下表描述了基于ITU標準的邊界時鐘/T-TSC分類和相關的cTE邊界。

圖2.這張表確定了各種邊界時鐘分類及其相關的時間誤差分配預算要求。

主參考時鐘和邊界時鐘功能的技術進步允許使用PTP實現(xiàn)基于網(wǎng)絡的授時服務，以將授時服務的范圍從GNSS時間源擴展到終端RU應用（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，在GNSS架構中，GNSS時間源可以位于更靠近網(wǎng)絡核心的中心位置。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用（DWDM）光傳輸網(wǎng)絡進行工程設計。

vPRTC架構由三個部分組成。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)絡本身以及GNSS時間源和終端RU PTP應用之間的網(wǎng)絡傳輸架構。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)絡邊緣接入位置，其中PTP時間戳流會傳送到終端RU PTP授時應用。此位置必須恢復和重新生成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)絡段傳送到終端RU PTP授時應用。

圖3給出了C類邊界時鐘全路徑支持傳輸網(wǎng)絡中的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。

總結

隨著網(wǎng)絡技術的進步，支持在更遠距離和更長的網(wǎng)絡元素鏈上實現(xiàn)高精度授時，從而使運營商可以選擇在從邊緣到網(wǎng)絡核心的不同位置為5G授時架構引入基于GNSS的時間源。vPRTC架構在彈性和冗余方面擁有顯著的技術優(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)絡架構中的雙向PTP授時流，當這種架構中發(fā)生光纖切斷時，允許從相反方向授時和通信，從而提高架構的彈性和冗余度。

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