Microchip戰略應用、時序和通信業務部

高級技術顧問

Darrin Gile

如要在整個蜂窩移動網絡中實現具有成本效益、可靠性和安全性的授時，所需的基礎設施需要適當的架構、設計和管理。5G網絡設備的時間精度要求更高，需要可靠且穩健的授時架構來保證網絡性能。

隨著網絡從使用基于頻分雙工（FDD）的通信鏈路發展到使用時分雙工（TDD），不僅出現了頻率方面的需求，同時還產生了對精確相位和時間同步的需求。運營商在TDD網絡中部署的設備依賴于GNSS、同步以太網（SyncE）和IEEE-1588精確時間協議（PTP）的組合，以在整個網絡中提供準確的頻率、相位和時間。

第三代合作伙伴計劃（3GPP）第15版中引入了全新的5G RAN架構，此架構將基帶單元（BBU）和遠程無線電頭端（RRH）拆分為集中式單元（CU）、分布式單元（DU）和無線電單元（RU）。這種全新的RAN架構形成了分散式的虛擬化網絡，使運營商能夠在整個網絡中提升效率并降低成本。

這種分散產生了增強型通用公共無線電接口（eCPRI），可用于連接DU和RU。相比于以前用于將BBU連接到遠程無線電頭端（RRH）的CPRI鏈路，此接口具有明顯的優勢。由于eCPRI采用基于數據包的傳輸方式，因此現在通過使用PTP和SyncE實現與RU的同步。

此外，開放式RAN運動還基于3GPP的建議實現了硬件和接口標準化。O-RAN聯盟定義了四個用于通過前傳網絡分配時序的方案。在全部四種配置中，RU要么從DU接收時序，要么從附近的主參考時鐘（PRTC）接收時序。盡管存在各種時序流，但要通過O-RAN網絡支持時序分配，所需的關鍵功能仍然基于SyncE、IEEE-1588和GNSS。

授時標準

我們采取了各種授時建議措施，以便使每個網絡元素都能滿足特定的頻率、相位和時間要求，確保端到端網絡正常運行。對于TDD蜂窩移動網絡，3GPP的定義將不同基站之間時間同步的基本同步服務要求設定為3 µs。國際電信聯盟電信標準化部門（ITU-T）提出了一系列建議，這些建議基于3GPP的要求定義了公共點和終端應用之間的最大絕對時間誤差（最大|TE|），即±1.5 µs。

GNSS成為通過PRTC在TDD網絡中獲取時間的主要方式。一種方法是將GNSS接收器置于無線電基站，但這需要良好的天空視距才能可靠運行。如果無線電位于室內或遮擋清晰視線的位置，則無法利用本地GNSS源。由于天氣事件等造成的視線遮擋，或者欺騙或干擾產生的針對性攻擊，GNSS還可能發生中斷。規劃的5G NR基站數量非常多，這使運營商難以承擔安裝和維護GNSS源的成本。

除了可靠性和部署成本方面的問題之外，GNSS還需要更加精確的PRTC，增強型主參考時鐘（ePRTC）的定義由此應運而生。ePRTC可通過GNSS或可追溯到UTC的其他網絡標準時間源發起授時。獲取時間后，ePRTC使用銫原子鐘或更出色的原子參考振蕩器為網絡維持可靠、高度精確和穩定的時間參考。使用自主原子時間參考可提供一定程度的抗干擾能力，并在最長14天內提供穩定的保持功能。ePRTC的時間精度為UTC ± 30 ns，與以前的PRTC規定的± 100 ns精度相比，改進十分明顯。這種精度提升充分滿足了5G NR的嚴苛網絡要求。

電信邊界時鐘（T-BC）和目標時鐘（T-TSC）是確保網絡精確傳輸時間的其他重要元素。T-BC通常位于交換機或路由器中，負責從上游鏈路恢復時間并將其傳遞給下游鏈路。T-BC/T-TSC內的以太網設備時鐘（EEC）（又稱為SyncE）能夠提供穩定且精確的頻率參考，可追溯到主參考時鐘（PRC/PRS），頻率精度為0.01 pbb。如果將SyncE與PTP結合使用，可帶來多項精度和成本優化方面的優勢。SyncE參考的精度高于本地振蕩器，能夠驅動PTP引擎。這樣，PTP引擎便可濾除大量的數據包延時變化（PDV），從而提高整體相位精度。

基本時間精度要求

對于TDD網絡部署，端到端網絡的時間精度限值為±1.5 µs，詳見G.8271。根據該值，可以得出定義每個網絡元素所需性能的時序預算，從而滿足端到端限制。G.8273.2中定義的時鐘設備規范將時間誤差細分為恒定時間誤差和動態時間誤差。恒定時間誤差（cTE）表示因網絡固有延時而出現的誤差。這些誤差無法濾除；它們會隨著時間在網絡中的傳輸而累積。動態時間誤差（dTE）是因高頻或低頻噪聲而產生的誤差。對網絡參考時鐘進行正確的濾波可以減少這些誤差。

圖1.為滿足延遲時間規范，網絡的時序限值必須保持在±1.5 µs，其中總的時序限值分布在各個網絡元素中。

±1.5 µs的基本網絡限制在各個網絡元素之間分配。對于4G網絡，每個網絡元素的允許時間誤差預算如圖1所示。帶T-GM的PRTC的誤差限值為±100 ns，將基于分類級別為每個T-BC分配一個最大|TE|。表1詳細說明了分配給每個時鐘類的最大|TE|。

分類	最大|TE|	cTE
A	100 ns	50 ns
B	70 ns	20 ns
C	30 ns	10 ns
D	供進一步研究	供進一步研究

表1.G.8372.2 T-BC和T-TSC時鐘設備時間誤差限值。

此外，根據分類級別為每個T-BC分配一個cTE限值。非對稱網絡鏈路和終端應用各自也會收到分配的最大TE值。支持最多10躍程A類T-BC或20躍程B類T-BC的網絡足以滿足基本網絡限制。

高級時間精度要求

4G和5G網絡的基本端到端要求都是1.5 µs。但是，某些無線電技術（例如協作多點、載波聚合或大規模多輸入多輸出（MIMO））具有更嚴格的時間誤差限制。圖2顯示了相對時間誤差的概念，其中描述了終端應用的時間誤差，該應用可追溯到無線電集群的最后一個公共點。NR部署所需的高級時間精度要求將集群內允許的相對時間對齊誤差（TAE）降低至130 ns或±65 ns的最大TE。

圖2. 5G網絡中的T-BC的最大|TE|基于分類級別。

除了前文介紹的全新ePRTC之外，表1還列出了新的T-BC和T-TSC時鐘類，ITU-T已確定其支持這些更嚴格的限制。G.8372.2 C類和新出現的D類要求進一步限制了每個元素可以引入的允許TE。每個C類和D類元素都需要支持G.8262.1中定義的增強型以太網設備時鐘（eEEC）標準。

時序設計

圖3顯示了用于在設備設計中維護、管理和分配時序的關鍵組件的典型框圖。在設計CU、DU或RU應用時，可將其用作指南。時序設計的主要功能是創建一個系統同步器，其包含一個或多個復雜的鎖相環（PLL），可提供實現精確頻率和時間同步所需的功能。這些同步器負責時鐘監視、參考切換、濾波和同步準確時鐘，使設備與網絡時間保持同步。同一同步器中的多個PLL允許為SyncE、PTP和其他時間要求提供支持。支持多個輸入和輸出的同步器可以監視和同步各種接口的時鐘。

對于SyncE支持，有一個或多個恢復時鐘連接到對各種輸入參考進行認證和管理的系統同步器。同步器將選擇一個恢復時鐘作為主時鐘，SyncE PLL會在將時鐘重新分配到出口節點之前對其進行濾波。如果需要支持增強型以太網電子時鐘（eEEC），如G.8262.1中的定義，則務必確保在信號丟失（LOS）條件下可以快速抑制SyncE恢復時鐘。這確保可以滿足G.8262.1的短期和長期相位瞬態限制。

圖3. 5G網絡時序依賴于交換芯片和同步器。

PTP的正確實現需要準確的時間戳功能和專用軟件，以正常保持精確的時間同步。為了盡量減少延時，時間戳單元應盡可能靠近盒子的邊緣。對于B類設備，具有10 ns精度的時間戳單元足以滿足要求。要滿足C類時鐘要求，時間戳單元的精度應達到4 ns或更高。需要一個PTP軟件協議棧，最重要的是需要一種穩健的時間算法來處理PTP數據包通信和時間戳，并對系統同步器內部的時間PLL進行頻率和相位調整。時間PLL也可以鎖定到來自本地PRTC或提供每秒脈沖（PPS）參考的其他設備的PPS輸入。

最后，精密振蕩器可在啟動時提供基礎頻率，并確保在網絡中斷的情況下穩定運行。并非所有用例都需要強大的保持功能，但設備的位置越靠近網絡核心，振蕩器就需要越穩定。

C類和D類設計注意事項

設計需滿足C類和D類要求的系統中的時序架構時應十分小心。除了提高時間戳的精度和需要在LOS條件下為入口eEEC提供抑制功能外，還可以應用校準技術來正確管理給定設計中的cTE和dTE。隨著工程師努力盡可能降低設備引入的時間誤差，提供片上或系統內校準功能正變得愈加普遍且十分必要。在選擇元件時，需要考慮識別由于工藝、溫度和電壓產生的潛在cTE來源。

需要盡可能減少由緩沖器、FPGA、時間戳單元或授時路徑中的其他器件引入的延時，并且如果可能，在電路板和/或系統級使用校準技術來糾正這些延時。對于通過緩沖器和其他器件的輸入到輸出傳輸延時，可以通過提供返回系統同步器的反饋路徑進行分配，以實現動態延時校準。由于高級時間精度限制引入的相對時間誤差要求，僅關注盒子的輸入到輸出延時已無法再滿足需求。應當注意系統內每個PPS輸出的輸出到輸出對齊。此外，對于機架設備，每個輸出的線路卡PLL帶寬應該相同或設置得盡可能高，以確保設備盡可能對所有輸出的任何相位變化進行相同的處理。

同步器、時間戳PHY和交換機可以補償電路板設計中已知的固有延時。從電路板級別來看，靜態校準技術可以按輸出或按端口補償板間延時和傳輸延時。同步器可為GNSS或G.703 1PPS接口提供按輸入的板間延時和緩沖器補償、皮秒相位調整分辨率、按輸出的板間延時補償以及按輸入或按輸出的線纜延時補償。此外，高級時間戳器件可按端口提供具有皮秒分辨率的時間戳校準。這些功能有助于靈活地測量和校正系統內的相位誤差，以確保最大限度地降低TE。

結論

同步要求和功能不斷發展，催生了適用于5G及以后網絡的超低延遲、高帶寬和先進的全新無線電應用。若要滿足網絡設備的全新更高時間精度標準，必須仔細規劃時序架構。