5G网络C-RAN机房时钟同步解决方案初探

2020-09-28宗春

江苏通信 2020年4期

宗春

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通以及中国广电发布了4张5G商用牌照。

“4G改变生活，5G改变社会”，全社会对5G充满了期待，5G网络可以满足大带宽（eMBB）、低功耗大连接（mMTC）、低时延高可靠（uRLLC）三大场景应用需求，将极大程度地满足物联网、AI（人工智能）、VR（虚拟现实）、车联网（V2X）等前沿科技的实现。

5G相比4G网络将提供20倍的小区容量、10倍的用户体验速率、10分之一的空口时延。具体来说，5G控制面时延要求为10ms，eMBB用户面时延要求为4ms，uRLLC用户面时延要求仅为0.5ms。高速率、低时延对5G网络的同步提出了更精准更高效的要求。

C-RAN（Centralized、Collaborative、Cloud-Radio Acess Network，集中化、协作化、云化无线接入网）架构2009年第三代移动通信时就由中国移动提出来了，当时主要为满足载波忙闲调度，提升网络利用率，节能减排。到了5G（The Fifth Generation，第五代）网络时代，C-RAN架构真正被应用，电源、传输等配套资源保障成为关注重点，同时，由于C-RAN机房物理位置的局限，5G基站系统时钟同步部署的便捷性、可实现性也成为网络建设中的一个瓶颈问题。

1 5G网络架构

4G 网络的基站分为基带处理单元BBU （部署在机房内）、射频处理单元RRU （上塔或天面安装）、天线三部分。

5G 网络的基站将BBU分离为实现PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）层及以上的无线协议功能的CU（基站集中单元）、实现PDCP 以下的无线协议功能的DU（基站分布单元），将RRU和天线合二为一组成AAU（基站射频天线单元），形成了CU+DU+AAU 的全新无线网架构。CU和DU可以分离，实现对多个DU的集中化管理，降低成本；亦可以和DU 合设，实现协议栈全部功能，降低时延，满足特殊场景需求。

5G承载网总体架构如图1所示：

图1 5G承载网总体架构

上图中各元素含义如下：

gNB：5G基站；

5G CN：5G核心网；

MEC：移动边缘计算；

CU：基站集中单元；

DU：基站分布单元；

AAU：基站射频天线单元。

5G承载网由以下三部分构成：

（1）前传（Fronthaul：AAU-DU）：传递无线侧AAU和DU间的数据；

（2）中传（Middlehaul：DU-CU）：传递无线侧DU和CU间的数据；

（3）回传（Backhaul：CU-核心网）：传递无线侧CU和核心网网元间的数据。

为节省大量的基站机房电源、空调等配套成本，5G无线网络将CU+DU资源集中化，中国移动提出了C-RAN解决方案，同时为后续满足移动边缘计算应用的需要奠定了基础。

2 C-RAN机房

C-RAN契合了5G网络CU+DU分级集中部署、AAU光纤拉远接入的要求，该解决方案与接入网综合业务区划分、网格化划分相结合，利旧部分汇聚机房和综合接入机房，大量减少了无线机房的需求，既降低了无线基站建设难度，又节省了机房投资成本和维护成本，同时有利于提升无线载波利用率以及抗干扰能力。

D-RAN区域根据光纤资源、网络安全、蓄电池备电时长、投资平衡等限制条件，城市各区域一般可按如下规模进行CU+DU集中，如表1所示。

表1 分场景C-RAN区域CU+DU规模表

考虑5G网络建设初期CU+DU均为合设，如18个CU+DU集中于同一个C-RAN机房，根据常规方案需要18路时钟同步信号。

C-RAN机房利旧的汇聚机房和综合接入机房大多仅为传输专业使用，部分位于建筑物底层和中层，多个GPS/北斗天线安装和馈线敷设难以实现。

3 5G网络C-RAN机房时钟解决方案

针对多个GPS/北斗天线安装和馈线敷设困难的问题，结合理论研究和工程实践，研究两种5G网络C-RAN机房时钟解决方案，具体阐释如下。

3.1 GPS/北斗天线信号分路时钟同步方案

GPS/北斗天线以卫星星载原子钟作为标准时间，无累积误差，是首选的高精度对时设备。如表2所示。

表2 GPS/北斗天线基础参数

C-RAN机房同时安装两个或多个GPS/北斗天线时，因馈线的双重敷设、且两个或多个GPS/北斗天线安装时要保持2米以上的间距，综合施工难度较单个GPS/北斗天线安装和馈线敷设增加50%以上。

安装1个GPS/北斗天线分成多路信号供多个CU+DU时钟同步使用，主要考虑天线安装位置是否符合要求、馈线敷设路由、馈线长度损耗、增加分路器之后的时钟同步信号损耗等问题。

（1）天线安装位置是否符合要求

安装位置要求在天面塔桅、女儿墙或者走线架等较空旷位置；安装位置要求位于避雷针顶点下倾45度保护范围内；安装位置要求上方90度范围内无建筑物遮挡；安装位置要求距离周围尺寸大于20厘米的金属物体的距离大于等于2米；两个或多个GPS/北斗天线安装时要保持 2米以上的间距，避免同时受到干扰。

（2）馈线敷设路由

GPS/北斗天线馈线室内沿平层走线架、槽道、弱电井敷设至天面，或穿越馈线窗后沿室外墙爬梯敷设至天面。当机房位于建筑物低层时，存在着馈线过长，敷设困难等问题。

（3）GPS/北斗天线接收信号传播损耗计算

GPS/北斗天线接收的信号经过馈线和无源器件传播损耗后，信号强度需要满足基站时钟同步的需求。

GPS/北斗天线接收信号传播路径如图2所示：

图2 GPS/北斗天线接收信号传播路径图

信号经馈线和无源器件的损耗如表3所示。

表3 馈线和无源器件损耗表

基站时钟信号功率PB=PR+PA-PL-PN

上述公式中：

PB：基站时钟信号功率要求大于-135dBm。

PA：GPS/北斗天线增益，一般为5dBi。

PR：GPS/北斗天线接收的信号，根据GPS/北斗天线射频灵敏度要求，一般可设为-127.6dBm。

PL：馈线传输损耗。

PN：无源器件传输损耗。

根据上述公式可知，GPS/北斗天线接收信号传播路径衰耗最大为12.4dB。进而可以计算出典型条件下的线缆附属长度范围。如表4所示。

表4 典型条件下的线缆附属长度范围表

从上表可知，在满足安装位置要求的情况下，GPS/北斗天线馈线应尽量短，以降低线缆对信号的衰减，在不使用分路器时，一般0～70米线长可以采用1/4馈线；70～110米线长需要更换1/2馈线；超过110米线长，可以更换衰耗更小的7/8馈线，线缆最长不超过200米；如果使用功分器，则馈线敷设距离相应缩短，或者增加放大器。

综上GPS/北斗天线安装使用注意事项，在满足GPS/北斗天线接收信号传播路径衰耗最大的条件下，可以采用GPS/北斗天线信号分路时钟同步方案，以分路器+放大器的方式满足GPS/北斗信号分路的要求；也可以将无分路器、放大器组合封装，定制时钟同步多路分配系统，实现一路GPS/北斗天线信号输入，多路GPS/北斗天线信号输出，供多台基站设备共享使用。

3.2 协议时钟同步方案

因GPS/北斗天线信号分路时钟同步方案受限于硬件安装条件、馈线损耗等问题，可以研究通过协议时钟同步方案。

以太网组网时，为解决各网络设备之间时钟同步能力不足的问题，开发了一种软件方式的网络时钟同步协议（NTP）。该网络时钟同步协议的同步精度可以达到微秒级，但是无法满足5G网路时钟同步所需的精度要求。

为了解决上述问题，IEEE1588协议诞生了。IEEE1588协议指“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，是提升网络系统定时同步能力的规范，使通信网络能够具有严格的定时同步，也可以应用于工业自动化系统。IEEE1588协议通过软件和硬件结合的方式将分级网络设备的下级时钟与上级网络设备的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于10μs的应用。IEEE1588协议采用时间分布机制和时间调度概念，下级时钟通过软件调度与主时钟保持同步，过程简单可靠。IEEE1588协议现已发展到v2版本。

IEEE1588v2协议对IEEE1588协议进行了完善，提高了同步的精度；引入透明时钟TC模式，包括E2E透明时钟和P2P透明时钟，计算中间网络设备引入的驻留时间，从而实现下级时钟和主时钟的精确时间同步，并新增端口间延时测量机制等，通过非对称校正减少了大型网络拓扑中的积聚错误。

IEEE1588v2协议在时钟的同步过程中，主时钟周期性发布PTP时间同步协议及时间信息，下级时钟端口接收主时钟端口发来的时间戳信息，系统计算出下级时钟和主时钟之间线路时间延迟及时间差，并利用该时间差调整本地时间，使从下级设备时间保持与上级设备时间一致的频率与相位。

3.3 时钟同步方案对比

各类型时钟同步方案对比如表5所示：

表5 各类型时钟同步方案对比

从上表可知：GPS/北斗天线时间同步方案的时钟同步信号依赖于卫星覆盖，同步时间精度高，稳定可靠，但受限于安装条件，线缆和无源器件衰耗等原因，部分C-RAN机房无法正常部署。

IEEE1588v2协议通过软件和硬件结合的方式将分级网络设备的下级时钟与上级网络设备的主时钟实现同步，精度达到纳秒（ns）级，综合成本低，能适应不同的网络部署环境，但网络安全性和稳定性存在一定的隐患。

综上，5G网络C-RAN机房时钟同步解决方案优选安装GPS/北斗天线方案，若确实不满足GPS/北斗天线安装条件，则亦可采用IEEE1588v2协议方案。

4 工程案例

江苏某地市温馨花园机房原为传输节点机房，位于温馨花园小区一层，建筑共6层。在5G网络建设中被确定为C-RAN机房，需要集中周边8个基站的基带设备。机房平面布置图如图3所示。

图3 温馨花园机房平面布置图

建设初期，经建设单位、设计方、施工方多方联合查勘，研究网络基站侧同步时钟解决方案，确定该站点GPS/北斗天线安装到6层顶后线缆无法敷设，后经反复确认，并现场试验测试，临时将GPS/北斗天线安装至二楼平台，并做好防雷保护，但由于GPS/北斗天线上空有部分遮挡，为保证时钟信号的稳定性，同步在核心层部署IEEE1588v2服务器（Server），后期将切换至IEEE1588v2协议时钟同步方案。如图5所示。