4G基站时钟信号获取改造方案探讨

2021-12-20武飞，潘涛

通信电源技术 2021年12期

武飞，潘涛

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210019）

1 4G基站同步信号方案现状及存在问题

4G承载采用了全IP化的网络架构，相比3G时期的MSTP方式极大地提高了传输效率，但同时也失去了可靠的时钟信号来源。因此，LTE系统的正常运行需有一个同步架构实现时间和频率的同步。根据3GPP标准的要求，频率准确度达到0.05×10-6、时间准确度在2.5 μs内时，才能保证网络最高效[1]。

目前运营商4G基站主要以GPS作为时钟源，在每个基站站点处安装GPS信号接收装置。若GPS失效，由于无第二时钟信号源，因此4G基站将无法正常工作，造成非常严重的后果。

为进一步保障业务的安全性，确保GPS失效时网络的正常运行，需要对基站时钟信号获取模式进行升级优化。

2 解决思路及方案

需引入备用同步源，并提供可靠的时钟同步信号传输通道，保证高精度时钟信号可从同步源稳定传送到4G基站。目前同步源有两种选择，分别为北斗卫星系统和运营商时钟同步系统。

中国北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，经过近20年的发展已成为继GPS、GLONASS之后的第3个成熟的卫星导航系统，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。目前北斗相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业以及水文监测等多个领域，系统的可靠性、准确性已得到充分验证。将其作为4G基站的备用同步输入，可有效保障GPS失效时4G基站可获取精确的时钟信号，进而保证网络正常运行。

运营商时钟同步系统目前主要满足语音核心网（TDM网元）和OTN/SDH网（基于VC的组网型专线）频率同步需求，由骨干（PRC+LPR）+本地BITS设备构成。PRC为最高等级的地面主基准时钟，由铯原子钟+BITS组成，铯钟频率精度一般优于0.01ppb（10-12）。LPR由卫星系统+内置铷钟的BITS组成，铷钟频率精度一般优于1ppb（10-8）[2]。PRC一般在区域中心城市设置，LPR一般在省会设置。此外，在各本地网设置本地2级钟。同步网设备以GPS和北斗信号主用同步源，通过省际和省内SDH系统进行地面频率同步传递，用于GPS故障时下级时钟设备跟踪上级时钟设备。

由以上介绍可知，北斗和运营商时钟同步系统均为可靠的时钟源，由此有两种可供选择的解决方案。方案一是所有4G基站均加装北斗模块，将北斗信号作为备用同步输入。方案二是组建运营商时钟同步系统至4G基站的同步信号地面传输链路，将地面同步信号作为备用同步输入。

3 方案对比及推荐

方案一需在每个4G基站安装北斗模块，并对现有基站设备和链接线缆进行改造。经测算，单站费用约需14 112元。而方案二主要建设现有同步系统至4G基站的时钟信号传输链路，成本较低。

目前可靠的时钟信号传送方式有两种，一种为采用基于TDM技术的SDH系统进行传送，另一种为采用1588 V2协议在IP系统中传送[3]。SDH是严格同步的，在保证整个网络稳定可靠、误码少的同时，也具备传送高精度时钟同步信号的能力。

IEEE1588协议基本构思是通过硬件和软件将网络设备（客户机）的内时钟与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于10 μs的运用[4]。目前协议已发展到V2版本，提高了同步的精度，引入了透明时钟TC模式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[5]。各运营商的4G基站承载系统均支持1588 V2协议，可直接用于传送时钟信号[6]。

考虑到现网4G基站数量庞大，采用方案一全部改造的成本将非常高，而且改造操作复杂、工作量大、施工周期长，基本不具可行性。方案二可直接利旧现有时钟同步系统和传输网，改造成本低、周期短，是较为理想的选择。

4 推荐方案介绍

为保障4G基站在GPS失效时仍可正常获取时钟信号，本方案将本地BITS设备与STN/IPRAN-ER对接，随业务流传递SyncE+PTP（1588 V2）信息，向基站提供“时间+频率”同步信号[7]。方案二实现原理如图1所示。

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图1 方案二实现原理

时间和频率同步信息在城域ER注入，在STN/IPRAN网络内随业务流带内传递，每台B、A设备通过BMC算法优选时间同步主master，通过SyncE逐跳锁定频率同步信息[8]。为保证信号精度，要求传递路径上的光纤对称，否则可能产生较大误差[9]。

5 可能存在的问题及解决策略

5.1 现网部分时钟设备老旧，存在功能缺失

地面时钟设备一般由卫星接收机、铷钟以及BITS组成。在卫星系统可用时，接收卫星系统的授时信号；在卫星系统故障时，内部铷钟开始工作，频率精度为10ppb（10-8）。部分现网的时钟设备只配置了GPS卫星接收机，当GPS故障时需依靠内部铷钟提供频率信号。由于铷钟精度较低，只能短期满足4G基站同步要求，长期使用仍会出现信号损伤的情况。

此外，还有部分时钟设备不支持SyncE+PTP（1588 v2）信息输出，也就无法通过现有的IP承载网将同步信号传送到基站端。

对于上述问题，需对现有时钟设备进行改造更新。对于不支持接受北斗信号的设备，应加装北斗模块，保证BITS设备能同时接收到GPS和北斗的卫星信号，当GPS信号失效时可快速切换至北斗信号。对于不支持SyncE+PTP（1588 V2）信息输出的设备，应扩容相关板卡，使设备具备相应能力。对于部分不支持加装北斗模块或不支持升级1588V2信号输出功能的老旧设备，应采用新设备进行替换。

5.2 部分采用波分承载的IP链路不支持1588 V2信号传送

对来自BITS设备的时钟信号需利用IP传输系统传送到基站端，当传输距离较短时采用裸纤方式组网，距离较长时（如县城至所属地市的链路）往往会通过波分系统承载。由于现网大部分波分设备建设时间早，不支持1588 V2时间同步传送功能，因此在使用由波分系统承载的IP传输系统链路传递时钟信号时，若采用BIT透传方式，处理过程中传输网设备进行光电处理会引起抖动。当抖动超过一定范围，可能引起失锁，进而致使传输失败[10]。一般来说，当承载网存在大于±5 μs的抖动时，会出现失锁现象。

为解决此问题，需对不满足要求的波分系统进行改造。对于支持1588 V2时钟信号传输但未配置相关板卡的波分设备，可直接扩容时钟板卡解决；对于不支持1588 V2时钟信号传输的设备，需采用旁挂时钟专用光子架的方式来实现。不管采用上述哪种改造方式，都需要保证时钟透传站点连续不能超过4个，否则会影响时钟时间传输质量。在有条件的情况下，需增加时钟处理单元。

波分设备与上游其他设备或BITS对接可以通过物理层接口的外部时钟（CLK）和外部时间接口（TOD），也可以通过以太接口（SyncE）时钟和PTP时间获取外部时钟时间，设备间对接可采用以下几种方式。

（1）通过CLK+TOD两个RJ45端口和BITS互联，一个传递频率信号，另一个传递时间信号，适用于现网大部分设备。

（2）通过GE光口互联，可以是外时钟GE，也可以是支持时间同步功能的业务端口(适用于有电层业务板卡的子架)。

（3）和IPRAN同机房时，可以是BITS连到IPRAN，然后IPRAN通过随路时钟送给波分设备(建议BITS直接连接波分光层子架，减少下游的累计跳数)。

波分设备的光电子架间的跟踪一般需要通过物理层外部时钟、外部时间跟踪，下游设备通过OSC通道进行时钟时间的跟踪。下游设备与波分设备之间也可以通过物理层接口的外部时钟（CLK）和外部时间接口（TOD）或以太接口（SyncE）时钟和PTP时间获取外部时钟时间。波分设备外接时钟总体如图2所示。