5G基站高精度地面授时链路构建方法及验证

吴 宇

(中国移动通信集团江苏有限公司 规划技术部，南京 210029)

0 引 言

第四代移动通信(The 4th Generation Mobile Communication,4G)基站的地面授时已在现网得到规模应用，精度要求在±1 500 ns水平。第五代移动通信(The 5th Generation Mobile Communication,5G)基站是否需要地面授时，目前仍存在一定争议，其中5G基站需要的地面授时精度是否大幅超过4G基站，是争议的关键。本文认为，面向5G基站构建高精度地面授时链路是必要的，也是可行的。综合考虑需求和实现成本，5G地面授时精度向ns级演进是未来发展的必然方向，但不宜追求短期内一步到位，应分为两个阶段来达到。第一阶段目标是端到端授时精度从±1 500 ns提升到±300 ns(5倍于现有4G地面授时精度水平)，实现5G基站地面授时链路的全覆盖和地基组网框架搭建，为此需在授时链路各环节均引入新的构建方法，本文展示了现网部署验证这些方法的实例数据；第二阶段目标是在第一阶段工作的基础上，通过技术升级将授时精度提升至ns量级，实现对天基(卫星)授时精度的全面超越。本文主要讨论第一阶段相关的构建方法及其验证。

1 构建目标

5G地面授时链路的构建目标包含以下4个方面：天地互补、加快基站小区切换、为新业务做能力储备和为前传网同步打基础。

1.1 天地互补

天基授时和地面授时形成互补关系，有利于提高授时的整体可靠性。5G的新空口(New Radio, NR)与4G的时分复用长期演进空口(Long-Term Evolution Time-Division Duplex, TDD-LTE)的基本同步指标相同，但同步误差容限小于TDD-LTE，5G基站失步后会比TDD-LTE更易受到干扰且可能引起更大的干扰放大比例[1]，因此授时可靠性对5G的影响将大于4G，为基站提供空中为主、地面为备的两路授时信号是得到业界较多认同的方案[2]。天基(卫星)授时的优点是无需地面组网且授时均为一跳完成(结构简单)，缺点是需要大量部署独立卫星接收天馈线、短稳相对较差和经常出现性能降质现象[3]；而地基(光纤)授时的技术特点正好与天基形成性能互补。此外，在楼宇室内、隧道内或高楼林立区域时，卫星信号接收弱，地面授时可以在此类场景很好地辅助并有利于加速5G建站进程，这一点已经在4G建站过程中得到了验证。

1.2 加快基站小区切换

5G基站采用TDD制式，如果切换前的无线小区(Source Cell)和切换后的无线小区(Target Cell)之间彼此精确同步，则用户终端(User Equipment, UE)只需测量自身至Source Cell和Target Cell之间的路径时延差，即可直接得到切换后的定时提前值[4](Timing Advance, TA)，从而平滑地在新的无线小区中尽快开始传输数据，优化切换性能[1]。

1.3 为新业务做能力储备

5G垂直行业市场应用的重要性甚于个人市场，未来将围绕基站定位功能开发精确定位服务类新业务。基站定位功能主要依据UE到基站的到达时间(Time of Arrival, TOA)测量或差分(Time Difference of Arrival, TDOA)测量来实现，5G基站的高精度地面授时是提供此类新业务的网络能力基础条件之一，近期可实现不依赖卫星的百米级定位精度，未来可将高精度授时或米级精确定位作为一种增值服务产品向外部市场提供[2]。

1.4 为前传网同步打基础

根据第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)规范TS 38.104，带内连续载波聚合(Intra-band Contiguous Carrier Aggregation, Inband CA)可能会发生在同一个基站的各有源天线单元(Active Antenna Unit, AAU)之间，两个AAU之间的时间对齐误差(Time Alignment Error, TAE)应<260 ns，对应的网同步精度要求是±130 ns[5]，此时需要前传来提供网同步。根据通用无线接口规范(Common Public Radio Interface, eCPRI)，各AAU和分布单元(Distributed Unit, DU)均应连接至同一个时间参考源[6]，若网同步由传输网来提供，则为满足上述TAE指标，依据eCPRI传输承载需求规范，传输网的用户侧接口(User Network Interfac, UNI)即AAU与传输设备互联接口处的相对时间误差(Time Error, TE)应<200 ns[7]，对应的网同步精度要求是±100 ns。当前，传输网暂时难以满足该指标要求(成本过高)，但考虑前传位于网络边缘，如果现阶段先提升集中单元(Central Unit, CU)/ DU处的时间同步精度，就为前传网提供了稳定的参考源，未来精度继续提升之后无需再重新组织同步网改造，即可一并解决前传网同步问题。

2 指标分配和技术方案

为了实现上述构建目标，本文提出以下指标分配和技术方案。

2.1 授时链路指标分配

5G基站地面授时链路中的各基本元素仍与现网4G相同，包括时间源、精确时间协议(Precision Time Protocol, PTP)，例如：IEEE 1588V2的光纤传递、末端协议解析和应用等，各段指标分配方案如图1所示。

图1 5G基站地面授时链路逻辑结构及指标分配示意图

以端到端±300 ns精度为总体目标，则各环节指标均需较大幅度地提升，与现网4G基站地面授时链路指标分配情况进行比较，如表1所示。

表1 与现网指标比较表

2.2 指标难点和技术方案

指标实现的难点和相应技术解决方案分析如表2所示。

表2 指标实现难点和技术方案

2.3 卫星双频接收或卫星共视技术

地球大气中的电离层干扰是目前卫星接收机最大的误差来源，其对授时精度的影响约在25～100 ns范围。电离层对卫星信号传播的影响主要取决于层内电子密度分布，可用总电子含量(Total Electron Content, TEC)来概要表征，TEC存在较大幅度的随机扰动，难以在末端进行模型化的定值补偿。但信号通过电离层时的额外延迟与信号频率的平方成反比，因此可利用该特性(信号延迟与频率的相关性)对同一个卫星在两个不同频率上发射的相同信号进行观测，实时反演TEC，从而推算较为精确的电离层延迟[9-10]。

依据上述卫星双频接收基本原理，工程上采用双频接收机同时接收解算两个不同频点的载波信号，配合算法调优即可有效补偿电离层延迟，从而将卫星接收机的输出精度提升至±30 ns。双频接收机的单机成本目前虽然大幅高于普通单频接收机，但它对全网授时精度的提升是基础性的，整体效益突出，应成为后续新建授时中心的首选。

再进一步的精度提升就需引入基于卫星共视的共钟比对技术，基本原理是两地接收机同时观测同一颗卫星，将该卫星作为远程时间比对的中间媒介，周期性解算测量结果后，得到本地钟与远程原子钟之间的时间偏差参数，再用此参数对本地钟进行驾驭，可提高本地钟的输出精度至±10 ns水平[11-12]。搭建卫星共视观测环境需要配置亚 ns级高精度时间间隔计数器(直接影响远程复现精度)[13]，还需长期购买和周期性接收国家级守时服务单位的数据服务，对站内线缆长度精确测量及补偿的要求也较高，部署复杂度和成本高于双频接收，因此工程实践宜谨慎。

2.4 单跳PTP处理精度提升

存量的基站PTN传输设备主要面向±1 500 ns授时精度设计，单跳PTP处理精度约在±30 ns，需要进行多个环节的软硬件优化才能有效提升精度。对于投产时间超过两年的PTN设备，就涉及到大量板卡硬件甚至机框的更换。而新型SPN传输设备的开发环节中已完成了上述大部分优化工作，单跳协议处理精度已提升至±5 ns以内，因此建议结合SPN系统的新建部署进度，优选SPN系统来承载PTP。

精度提升思路主要围绕打时间戳误差、设备内部传递时延误差、芯片收发误差和频率稳定度误差等方面来进行优化。同时，对于配置了新型灵活以太网(Flexible Ethernet, FlexE)线路接口的PTN或SPN设备，还需支持通过FlexE开销帧进行PTP报文的转换、插入、传递和提取[14]。精度提升工作具体包括打戳位置下移靠近物理接口、动态测量和补偿内部信号分发时延、采用恒温晶振减少基准频率漂移、抑制报文交换板卡的时间抖动等，目前新型商用设备已可稳定地达到单跳±3 ns协议处理精度。

2.5 授时组网架构优化

扩展现有省-地市两级授时架构，将时间源服务器下沉至新增的区县授时中心，形成省-地市-区县3级授时架构，从而缩短偏远基站至授时中心的距离。限制传输系统各层次环路上的节点数量(环路的大小)，减少授时链路传递总跳数，建议城域网接入层<8跳，汇聚层<6跳，核心层<4跳。

2.6 单纤双向线路接口

通过采用单纤双向传输线路接口来承载PTP可减少地面光纤网络中链路收发路径长度差异所导致的PTP解算误差。建议城域网接入层采用单纤双向10 GE/50 GE组环，汇聚层和核心层独立组建GE同步环，长距传输采用波分复用系统单纤双向光监控信道(Optical Supervisory Channel, OSC)传递。

需特别指出，采用单纤双向技术并不能保证精确的收发对称，其包括两个影响因素，一是不同中心波长的光信号存在传播时延差异，二是激光器发光波长在温控允许范围内的漂移。以收发波长分别为1 310/1 550 nm为例，这两个因素引入的收发路径时延差分别约为3.0和0.3 ns / km，距离较长时该误差仍不可忽视。建议工程部署应优选波长数值差异较小的成对波长，例如1 310/1 490 nm(用于GE接口)、1 270/1 330 nm(用于GE/10 GE接口)、1 490/1 510 nm(用于波分OSC接口)和1 295/1 309 nm(用于50 GE接口)等，设备考虑支持自动计算补偿上述时延差。建议后续面向更高精度的应用，宜采用同波长单纤双向光模块(例如内置光环行器实现同波长双向通信)，专门用于承载PTP。

2.7 PTP协议远端延伸

由5G基站设备自行完成末端PTP解算，需要无线基站支持PTP并开启协议接收和解算功能(5G基站设备均已支持)，可避免末端电缆(传输设备至基站设备之间的1PPS+ToD外接口线缆)长度测量不准确导致的时延补偿误差。这样，PTP传递过程就一直延伸到基站设备内部，而不是终结在传输接入设备上，改善了在基站内部的局内传递精度。

3 授时链路构建方法

基于上述技术方案，整体构建方法如下。

3.1 组建授时中心

在一个省范围内，组建3个等级的授时中心，设置原则如表3所示。

表3 授时中心设置原则

上述授时中心选择的机房需具备可靠性和利于稳定收星的条件，包括双路由光缆进出、机房周边卫星接收路径无遮挡等，机房内应配置双模(北斗/全球定位系统)双频卫星接收机和双铷钟基准参考源。同等级的主备授时中心之间，不设置授时分发关系[8]。上级中心可向下级主备中心同时进行授时分发，建议一般不做越级授时分发。

这里还需对设置主/备授时中心的必要性进行说明。当本级主中心出现卫星接收故障时(包括卫星接收机故障、输出设备和输出线路故障)，下游设备会优先切换到跟踪同级备中心，由于统计主/备中心仅位置有差异，对下游设备来说授时信号优先级、跟踪路径和链路传递跳数的变动都很小。若仅设置单一主授时中心，则本级主中心故障时，下游设备会切换到跟踪再上一级授时中心，此时优先级、路径和跳数都产生大幅跳变。显然设置主/备中心对提高下游跟踪的稳定性更为有利。

3.2 明确跟踪关系和授时分发路径

正常状态下，省内3级授时中心之间的跟踪关系和授时分发路径如图2所示。

图2 省内3级授时中心跟踪关系和分发路径示意图

由图可知，增设第3级区县授时中心，主要作用是缩短末端偏远基站的授时链路跳数。正常情况下，各级授时中心均以卫星信号为跟踪源头，经本地计算输出。整体的构建方案充分结合了天基、地面波分 / 分组传输系统和外部 / 内部接口的优点，以求尽可能达到工程部署的各方面要求。但该构建方法仍存在以下两个问题需要解决。

3.3 PTP传递跳数超限问题及其解决方案

省—地市—区县授时中心之间的地面PTP传递是经由波分系统的OSC进行的，虽然已采用单纤双向OSC，但每个光终端复用站(Optical Terminal Multiplexer, OTM)和光线路放大器站(Optical Line Amplifier, OLA)均需要对OSC通道数据包进行解析和重新封包操作，目的是获取对端监控信息和加载本站监控信息，而PTP包是占用了监控信道带宽一并传送的，所以PTP报文在各OLA站仍被逐跳解析[15]，每一跳都会增加时间误差，如图3所示。

图3 波分系统OSC承载PTP的处理过程示意图

在长途波分传输系统中，通常每60～80 km需要设置一个OLA站(少数跨段可超过100 km)，因此需要消耗掉大量PTP传递跳数。以350～400 km的典型长途波分传输为例，约需设置两个OTM站和4个OLA站，涉及6跳PTP处理。

考虑端到端限值仅20跳，这样的传递消耗容易导致两种超限，一是波分环路上的长路径传递跳数超限，二是授时跟踪从主用路径切换到备用路径之后的传递跳数超限。由此，也就易于理解图2中的地市/区县中心均以天基信号为主用跟踪方向的原因。

对于第1种超限，解决方案是通过系统规划尽量使用长途波分系统环路上的短路径OSC来承载PTP，避免使用长路径。东部省份通常可以找到地市至省中心的500 km以下短路径，若无法满足，则说明该地市的现有光缆线路路由未能充分利用高速、高铁等通道，应尽快规划建设新的直达线路。

第2种超限的场景是卫星信号大范围降质或出现区域性强干扰，则部分地市主/备中心和区县主/备中心可能同时丢失卫星信号，下游设备只能选择跟踪再上一级的授时中心，此时授时链路中包含了较多的长途OLA站，传递跳数明显增加且无法通过比对卫星授时信号来改善精度，如图4所示。

图4 第二种超限场景下的传递跳数示意图

对于第2种超限，近期解决方案是对设备处理的优化，采用本文3.4节的思路对波分系统的PTP处理板卡进行升级，并通过固定板卡适配槽位(使设备内部的协议包转发时延固定下来以便于精确补偿)，将单跳处理精度提高到±3 ns水平。该方案无法解决跳数超限，但可显著控制精度指标劣化程度，且对系统无改动，仅更新板卡，易于实现。

对于第2种超限的远期解决方案是引入新的波分系统PTP传递技术，将OSC中的PTP包与普通监控数据包分离，其中普通监控数据包仍采用原有的方式逐站处理，而PTP包在各OLA站仅作再生并以固定时延转发到下游，大幅降低长途波分系统中引入的PTP传递跳数。具体做法是从OSC中分离出一部分独立频谱专门用于PTP传递[16]，该做法可获得很高的传递精度，但该方案对系统改动较大，需要新增专用板卡及定制滤波器和光模块，实现有一定难度。还可选择对主光通道中的波长信号进行小信号调顶，叠加一路低速率信息专门用于传递PTP，只要控制调顶深度<15%，对波分系统性能的影响就很小[17]。

3.4 全网单一溯源依赖性问题及其解决方案

按照图2的构建方法，全网依然存在对卫星时间源的单一溯源依赖，若发生全省范围卫星双模接收长期失效的故障(如太阳风暴或强电磁干扰)，因缺少地面备用高精度时间源，整个省网将进入保持状态，该问题有待图4中的国家骨干光纤时间网授时节点的建成才能彻底得到解决。但是，不依赖卫星的国家骨干光纤时间网需要实现光纤时频信号的超远距离传递，掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)的噪声积累仍会影响传递精度，改进方案的验证应用还需要时间[18]。

单一溯源依赖问题对5G基站授时需求本身的影响可控，但对精确定位等增值服务的影响较大。在全网保持状态下，只要3级授时跟踪关系正常，同一区域内的5G基站均能溯源至省授时中心时钟。在该时钟的频率保持时间段内(48～72 h)，基站的绝对时间精度虽已较大幅度地偏离基准值(数μs)，不同基站之间的相对时间偏差仍可保持在百ns量级[19]，因此本文的构建方法仍能为5G基站提供2～3天区域授时保底服务，等待卫星接收恢复。

4 验证测试实例

4.1 验证部署实例

为验证构建方法的可行性和性能，在苏州5G网络覆盖区域内，选择SPN传输系统的部署实施工作，并进行了实地验证测试，测试环境涉及8个SPN网元、3个5G基站、两套时间源服务器、双频/共视接收机和时间间隔计数器等，如图5所示。

图5 验证部署实例组网结构示意图

在图5的组网中，共视接收机的输出直接跟踪远程标准源(中国计量科学研究院守时实验室原子钟)，并被用作本地测试的高精度参考源，配合使用高精度时间间隔计数器进行时间误差判读，测试操作前对接收馈线/接口线缆长度等易产生误差的因素均进行了精准测量和补偿。

4.2 实测数据和结论

实测数据和结论如表4所示。

表4 实测结果数据表

上表中的测试数据对应的仪表记录如图6所示。

图6 实测结果仪表记录

通过实际部署验证了端到端授时链路构建方法的可行性，能够为5G基站提供稳定可靠的高精度地面授时信号。测试数据表明，改用双频接收机确实提升了时间源服务器输出精度，链路传递精度符合预期，主备时间源倒换对授时精度影响较小。

5 结束语

本文详解了5G基站高精度地面授时链路构建需求，分析提出了目标、方法、关键技术和解决方案，亦探讨了传递跳数超限和不依赖卫星组网等关键问题和需求，最后通过部署实例及实测结果全面验证了方案的可操作性。高精度地面授时链路将成为5G网络中重要的组成部分，支撑后续5G网络商用运营，并为未来对外提供授时服务做好准备。