時間精準的重要性：5G基本業(yè)務對時間精度的指標相對于UTC要求為±1.5μs，對于運營商的同步網(wǎng)絡而言，不僅需要滿足時間同步的精度要求，也需滿足網(wǎng)絡安全及穩(wěn)定性等要求。近年來，運營商網(wǎng)絡受GPS干擾等影響時有發(fā)生，甚至造成了小范圍的網(wǎng)絡癱瘓，極大地影響了網(wǎng)絡通信能力，存在一定的安全隱患。

 

隨著2020年6月北斗衛(wèi)星三號完成全球組網(wǎng)，我國在定位、授時和導航等關鍵領域擺脫了過去只能依賴GPS定位的尷尬局面。此外，5G系統(tǒng)的基站部署密度大，尤其是室內(nèi)基站數(shù)量呈現(xiàn)幾何級數(shù)增長，勢必存在大量無法獲取衛(wèi)星信號的基站部署場景，PTP時間服務器基于IEEE1588v2標準的地面同步授時技術可以很好地解決這一問題。北斗邦泰T800系列服務器完美解決了這個問題：IEEE1588V2PTP時間服務器。

 

一、5G基站時間同步技術

目前，5G基站時間源的選擇主要包括通過直掛GNSS獲取時間和通過跟蹤地面1588v2鏈路同步定時信息兩種方案。

 

GPS和北斗衛(wèi)星授時

 

GPS是美國擁有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它為使用者提供定位、導航和定時服務。GPS衛(wèi)星的內(nèi)鐘采用銫原子鐘和銣原子鐘相結合的方式。北斗系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗三號組網(wǎng)衛(wèi)星采用了更高性能的銣原子鐘和氫原子鐘，銣原子鐘天穩(wěn)定度為E-14量級，氫原子鐘天穩(wěn)定度為E-15量級。北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導航與通信功能，具備定位導航授時、星基增強、地基增強、精密單點定位、短報文通信和國際搜救等多種服務能力。

 

在利用衛(wèi)星系統(tǒng)對5G基站授時時，需保證5G基站的衛(wèi)星接收機在任意時刻同時接收其視野范圍內(nèi)4顆以上衛(wèi)星的信號，衛(wèi)星導航電文中提供了當前時刻所在的“周數(shù)”，這個周數(shù)是從北斗或者GPS系統(tǒng)的起始時間開始計數(shù)的，另外通過數(shù)字調(diào)制在載波上的偽隨機碼的碼片可以知道當前的周內(nèi)秒，接收機定位之后可以解算出接收機時間與衛(wèi)星時間之間的鐘差，進而修正秒以內(nèi)的誤差。衛(wèi)星接收機的內(nèi)部硬件電路和軟件通過對接收到的信息進行編碼和處理，能從中提取并輸出兩種時間信號：一個是間隔為1秒的同步脈沖信號1PPS，其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過1ns；二是UTC絕對時間ToD（年、月、日、時、分、秒），它與1PPS脈沖相對應，能夠做到時間同步。

 

1588v2地面授時

 

1588v1是IEEE電氣電子工程師學會制定的用于工業(yè)自動化測量和控制系統(tǒng)的同步標準，適用于工業(yè)局域網(wǎng)應用；1588v2版本是在1588v1版本的基礎上，專門針對通信網(wǎng)應用制定的標準。

 

1588v2協(xié)議的基本思路是通過軟硬件配合，記錄同步時鐘信息的發(fā)出時間和接收時間，并給每條信息都打上時間戳。通過時間戳信息，接收方就可以計算出自己在網(wǎng)絡中的時鐘誤差和延時，經(jīng)過修正之后實現(xiàn)與網(wǎng)絡時鐘源同步的目的。1588v2的主時鐘（Master）和從時鐘（Slave）主要通過傳遞Sync、Follow_Up、Delay_Req以及Delay_Resp等消息實現(xiàn)時間同步，1588v2授時原理如圖1所示。

 

圖1 1588v2授時原理

在基于1588v2的本地高精度時間同步網(wǎng)絡中，通過全網(wǎng)設備（包括時間服務器、中間時間鏈路傳遞承載設備、5G基站）配置1588v2功能，使得網(wǎng)絡中間邊界時鐘（BC模式）節(jié)點的一個端口作為從時鐘，與上級時鐘保持同步，其他端口則作為下一級網(wǎng)元的主時鐘，設備收到1588v2報文之后進行終結，然后生成新的報文再向下游傳遞。通過該方式將時間服務器的時間基準信號逐點傳遞至5G基站設備。

 

近年來，ITU-T、3GPP、IEEE、CCSA等業(yè)界主流的國內(nèi)外標準組織都在研究能夠滿足5G網(wǎng)絡應用需求的新一代網(wǎng)絡同步技術并制定了系列標準，1588v2技術被認為是目前輔助GNSS衛(wèi)星系統(tǒng)，實現(xiàn)地面高精度時間同步鏈路傳遞最有效的方式之一。

 

二、5G基站時間同步性能驗證

測試方案

 

為了驗證5G基站在分別跟蹤不同時間源以及多個時間源切換場景下的時間同步性能，對運營商現(xiàn)網(wǎng)4個主流廠家的5G基站設備進行了同步性能驗證測試。驗證測試內(nèi)容如表1所示。

 

表1 5G基站同步性能驗證測試項目

現(xiàn)網(wǎng)測試拓撲如圖2所示。被測5G基站設備配置雙模接收北斗和GPS衛(wèi)星信號；同時，同步參考源設備輸出1588v2+SyncE信號，通過地面定時傳送網(wǎng)絡將定時信號傳送至被測5G基站；采用儀表測試5G基站設備輸出的頻率和時間信號。

 

圖2 現(xiàn)網(wǎng)測試拓撲

測試結果

 

整體測試結果如表2所示。被測4個廠家的現(xiàn)網(wǎng)5G基站設備均支持北斗和GPS雙模接收，但支持模式有所不同。一種為北斗和GPS聯(lián)合工作模式，即北斗和GPS不區(qū)分主備，衛(wèi)星接收機對于北斗和GPS信號同時處理，由星卡內(nèi)部處理好時鐘源的關系，自動選擇跟蹤最優(yōu)信號。另一種為北斗/GPS主備模式，衛(wèi)星接收機在同一時刻只能選擇一種類型的衛(wèi)星跟蹤。

 

表2 現(xiàn)網(wǎng)4個廠家5G基站同步性能測試結果

被測5G基站設備均支持跟蹤1588v2地面時間源，且支持衛(wèi)星和1588v2的天地互備保護。在跟蹤方式上，除了C廠家設備支持SyncE輔助1588v2同步外，其余設備僅支持頻率，時間都跟蹤1588v2，不支持1588v2+SyncE。

 

在3個性能測試項目中，被測5G基站設備輸出的同步頻率和時間信號性能均正常。某廠家設備的測試結果示例如下。

 

5G基站GPS故障場景下的同步性能測試結果示例如圖3所示。第0~56分鐘基站跟蹤GPS衛(wèi)星；隨后第56~112分鐘為斷開GPS衛(wèi)星信號，基站切換到跟蹤北斗衛(wèi)星；最后第112~168分鐘為基站再次切換到跟蹤GPS衛(wèi)星。可以看出基站輸出性能符合要求，時間TE偏差范圍在-58.56ns~120.88ns內(nèi)。

 

圖3 5G基站GPS /北斗切換場景下的同步性能測試結果

5G基站衛(wèi)星/1588v2切換場景下的同步性能測試結果如圖4所示。第0~28分鐘為基站跟蹤GNSS衛(wèi)星；隨后第28~53分鐘為斷開GNSS衛(wèi)星，基站自動切換到地面1588v2；最后第53~75分鐘為基站再次切換到跟蹤GNSS衛(wèi)星。可以看出基站輸出性能符合要求，時間TE偏差范圍在-193.26ns~161ns內(nèi)。

 

圖4 5G基站衛(wèi)星/1588v2切換場景下的同步性能測試結果

5G基站長期跟蹤北斗場景下的同步性能測試結果如圖5所示。可以看出基站輸出性能符合要求且穩(wěn)定，時間TE偏差范圍在-60.05ns~134.91ns內(nèi)。

 

圖5 5G基站長期跟蹤北斗場景下的同步性能測試結果

經(jīng)過測試驗證，基站輸出性能穩(wěn)定，時間偏差小于±1.5μs，頻率漂移滿足ITU-T G.823相關MTIE模版要求，滿足5G基站的基本業(yè)務時間同步指標要求，也可以很好地支撐未來5G物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的諸多μs量級的時間同步需求。由此，時間同步網(wǎng)絡建設轉而從支撐性質(zhì)的網(wǎng)絡逐步演化為業(yè)務性質(zhì)的網(wǎng)絡，為高品質(zhì)定制化業(yè)務提供高精度時間基準，為運營商拓展了新的業(yè)務范圍。

 

三、5G基站時間同步部署方案建議

一方面，為了保證5G基站設備同步性能的最優(yōu)穩(wěn)定性、安全性及精度，建議5G基站設備配備北斗和GPS衛(wèi)星信號雙模接收機，且為北斗和GPS聯(lián)合工作模式。聯(lián)合雙模可以彌補一部分天線位置安裝不好導致的多徑等問題，通過同時搜到兩個衛(wèi)星系統(tǒng)并從中選擇信號最優(yōu)的衛(wèi)星，可以提供更高時間精度。

 

另一方面，基站直掛GNSS的方案需要增加相應成本。同時，GNSS天線的安裝對凈空、防雷和產(chǎn)權糾紛等有諸多施工要求，對于室內(nèi)等不易部署GNSS天線的場景安裝困難。而基于1588v2的地面時間鏈路同步技術可以很好地對GNSS進行補充和增強。建議在地面時間鏈路同步網(wǎng)絡中采用1588v2+SyncE方式，以充分利用時間同步路徑判決與頻率層同步質(zhì)量緊密結合的方式保證網(wǎng)內(nèi)最優(yōu)的時間同步傳遞精度。

 

綜上所述，5G基站時間同步部署方案建議采用配置GNSS衛(wèi)星接收（北斗和GPS衛(wèi)星信號雙模聯(lián)合接收）的方式作為主用同步參考基準，同時采用基于1588v2技術的地面鏈路逐點傳遞方式從本地層面的時間服務器設備獲取同步參考基準作為備用手段。當衛(wèi)星接收信號中斷或降質(zhì)時，5G基站設備應能夠自動進行衛(wèi)星和地面同步源的切換。在具體配置時，需要考慮以下兩個方面。

 

一是在配置GNSS衛(wèi)星接收時，需為基站配置GNSS衛(wèi)星接收天線，保證天面開闊，同時可用衛(wèi)星數(shù)量在4顆以上。

二是在配置1588v2接收時，應在本地網(wǎng)核心節(jié)點部署1588v2PTP時間服務器，中途承載網(wǎng)元配置為1588v2中的邊界時鐘BC，跟蹤并逐點恢復高精度時間服務器輸出的時間基準參考信號。5G基站可設置為邊界時鐘BC或普通時鐘OC模式，5G基站應采用分組接口從移動回傳網(wǎng)絡末端承載網(wǎng)元接收PTP報文。未來為滿足諸如5G協(xié)同業(yè)務等ns量級更高精度的時間同步需求時，可根據(jù)業(yè)務需求區(qū)域分布等具體情況配置低成本下沉式小型化時間服務器設備。

5G網(wǎng)絡的規(guī)模建設，使得高精度時間同步技術的重要性日益顯現(xiàn)。隨著北斗導航系統(tǒng)建設逐漸完善，北斗系統(tǒng)已可穩(wěn)定提供授時。我們應依靠成熟穩(wěn)定且擁有自主產(chǎn)權的5G+北斗技術，持續(xù)推動高精度乃至超高精度時間同步網(wǎng)絡技術的創(chuàng)新，推動北斗技術在運營商網(wǎng)絡中的應用，積極促進5G+北斗的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。