5G 基站纳秒级时间同步技术分析

2024-05-09郑硕超

通信电源技术 2024年5期

高衡，王显，郑硕超

（三维通信股份有限公司，浙江杭州 310053）

0 引言

在5G 网络中，为实现基站之间非常精确的时间同步，使它们能够在协调通信和数据传输方面高效合作，就需要采用纳秒级时间同步技术。这种技术的主要内容是定期调整基站时钟，以弥补由于信号传播、设备时钟漂移等因素引起的时间差异，从而确保基站之间纳秒级别的时钟同步，使它们能够协调发送和接收数据包，准确传递数据。

1 5G 基站纳米级时间同步技术的实现协议

为实现5G 基站纳米级时间同步技术，采用多种协议和技术，其中包括全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）、精确时间协议（Precision Time Protocol，PTP）及同步以太网（SyncE）等。首先，GNSS 是一种利用卫星提供的信号来进行全球范围导航和定位的系统，如全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、GLONASS、Galileo 等。5G 基站通过接收来自多颗卫星的定时信号，使用GNSS 实现全球性的高精度时间同步。GNSS 提供全球统一的时间基准，为基站提供可靠的时间信息，尤其在开放环境中，其覆盖范围广，适用性强。其次，PTP 是一种用于实现精确时间同步的网络协议，通常用于局域网（Local Area Network，LAN）[1]。5G 基站使用PTP协议在局域网内部实现微秒级别的时间同步，通过精确的时钟同步，提高数据传输的协调性。应用PTP 协议，可以在局域网环境中实现高度准确的时间同步，适用于对时序要求严格的5G 应用场景。最后，SyncE 是一种以太网时钟同步协议，为以太网网络提供精确的时钟同步。在5G 基站中，采用SyncE 协议确保在以太网网络中实现基站之间微秒级别的时间同步。SyncE 适用于以太网环境，为5G 基站之间提供时钟同步，进一步优化了网络性能。总之，这些协议的综合应用使得5G 基站能够在纳米级别实现时间同步，GNSS 提供全球性的时间基准，而PTP 和SyncE为局域网和以太网提供了更精确的时间同步，确保基站在不同范围内都能够高效、协同工作，为高速、低延迟的数据传输提供了坚实的基础。

2 5G 基站纳米级时间同步的关键技术

2.1 信号传输技术

2.1.1 全球导航星定时

在5G 基站纳米级时间同步信号传输技术中，全球导航卫星的定时功能是至关重要的一环。这项技术涉及利用全球卫星导航系统（GPS、GLONASS、Galileo 等）提供的定时信号，以确保基站之间的高精度时间同步。GPS 与GLONASS 的对比如表1 所示，能够了解其具体的技术。

表1 GPS 与GLONASS 的对比

通过分析全球导航系统，可以找出最优的定时和授时服务。5G 基站使用全球卫星导航系统的信号，这些系统由一系列卫星组成，通过向地面发送定时信号来提供全球范围的导航和定位服务。基站需要将来自卫星系统的定时信号转化为纳米级别的时间同步，要求基站具备高度精密的时钟同步技术，以确保信号的准确传输和接收。为保持信号的精度，基站使用先进的信号传输技术，通过适应性调整以应对信号传输中的所有变化[2]。

2.1.2 同步卫星双向定时

在5G 基站纳米级时间同步信号传输技术中，同步卫星双向定时技术是确保基站与卫星之间实现精准时间同步的关键，卫星双向定时如图1 所示。首先，基站与同步卫星建立双向通信链路，确保数据传输的可靠性，这是实现双向定时的前提。同步卫星定期发送时间同步信号给基站，该信号包含卫星当前的时间信息，经过计算和精确调整后确保其准确性。当基站接收到来自卫星的定时信号后，就要使用专门设计的接收设备和算法来解码与处理信号。其次，基站校正接收到的定时信号，考虑信号在传播中可能遇到的延迟，包括空中传播速度和大气传播延迟等因素[3]。作为双向通信的一部分，基站向卫星发送反馈信息，包括基站当前的时钟状态、时钟漂移等数据，为卫星进行相应调整提供必要的信息。最后，卫星根据基站反馈信息实时调整定时信号的发送，确保卫星能够适应基站之间可能存在的时延差异，从而实现更精确的时间同步。为进一步优化基站的时间同步，卫星可能会发送辅助的定时信号，帮助基站更精确地校准其本地时钟。同步卫星双向定时技术在5G 基站纳米级时间同步中的意义在于可以实现双向的时间信息传递，使基站和卫星之间能够共同调整地优化时间同步。

图1 卫星双向定时

2.1.3 地面传输定时

在地面传输定时中，基站需要与同步卫星建立稳定的通信链路，主要是建立地面站的设施、基站天线系统等。建立可靠的通信链路是确保双向通信的前提。地面传输技术始于接收来自同步卫星的信号，接收设备需要高灵敏度，能够准确捕捉卫星发送的定时信号。接收后，信号进行解码，将模拟信号转换为数字形式。接收到的信号用于同步基站的本地时钟，包括校准基站的时钟，以匹配卫星的时间标准，确保基站时钟与卫星时钟保持同步是实现精准时间同步的关键步骤。在处理接收到的信号时，主要是分析其中包含的时间信息。信号传输可能受不同因素的影响而引入时延，系统需要进行相应的补偿。例如，可以使用补偿算法，考虑信号在传播中的速度和其他因素，将基站的时钟与整个网络同步，确保基站在网络中的时间标准一致，这是5G网络中各个基站协同工作的基础，能够为用户提供高质量的通信服务。地面传输定时技术需要持续监测和调整，以适应网络条件的变化，周期性的校准和实时的监测确保系统能够在不同环境下保持高精度的时间同步。通过准确的时钟同步、时延校正及持续的监测调整，为5G 网络提供可靠的时间基准，并支持高效的通信服务。

2.2 信号测量技术

在5G 基站纳米级时间同步的关键技术中，信号测量技术是重要的组成部分，主要是用于测量和分析定时信号，确保在纳米级别实现精准的时间同步。信号测量的过程主要有以下几个步骤。

首先，定时信号的发射，可以是来自同步卫星的信号，通过地面传输系统传送到基站，且该信号需要具有高精度和稳定性。基站的接收设备可能包括天线系统、接收机等，需要具备高灵敏度和低误差率，以确保准确接收定时信号。接收设备主要负责接收从同步卫星发射过来的信号，然后将接收到的信号进行解码和处理。例如，将模拟信号转换为数字信号，解析信号中包含的时间信息，并进行初步的校正，解码和处理的准确性对于后续的测量非常关键[4]。

其次，利用测量设备对信号进行精确的测量，通常涉及测定信号的到达时间。测量的精确性直接影响整个时间同步系统的性能。由于信号在传播中可能经历时延，测量结果需要进行相应的校正，可能涉及信号在空中传播的速度、大气传播延迟等因素。时延校正能够确保测量结果与实际时间一致。测量后的数据会直接反馈给同步卫星或其他系统组件，反馈信息可能包括信号到达时间、测量误差等。反馈的数据用于调整整个系统，以提高时间同步的准确性。

最后，信号测量是一个动态的过程，需要持续优化和校准，可以通过周期性的校准过程、实时的测量数据分析等方式实现，确保系统在不同条件下都能保持高精度的时间同步。信号测量技术在5G 基站纳米级时间同步中的重要性在于对定时信号的准确测量和分析，确保信号的精准度和稳定性，为整个时间同步系统的可靠性和性能奠定基础。信号测量过程中的每个步骤对于实现纳米级别的时间同步目标至关重要。

2.3 信号调节技术

信号调节技术涉及对测量数据的详细分析，主要包括信号到达时间、测量误差、信号强度等。这些数据有助于识别需要调整的信号特性，主要包括时延、频率偏移等，了解这些特性是进行有效信号调节的先决条件。选择适当的信号调节算法，并根据测量数据的分析结果调整信号，不同的算法可能用于不同的调节场景，如时延调节、频率调节等。例如，可以基于选择的调节算法，实时调节信号，包括调整信号的传输时刻、频率及幅度等参数，以确保与同步卫星的时间同步[5]。同时，要引入反馈机制，使系统能够监测调节后的信号性能。反馈信息包括调节后的信号特性、误差情况等，有助于实时优化调节算法，提高调节的精确性。检测系统的稳定性，确保调节后的信号不会引入不稳定性或造成其他的性能问题，可能需要考虑系统的动态变化和外部干扰因素。信号调节是一个动态过程，需要定期进行周期性的调节和优化，可以通过定期的系统性能监测、数据分析和调节来实现，以适应不断变化的网络条件。信号调节技术能够实现对定时信号的实时调整，以适应动态网络条件，通过选择合适的调节算法和引入反馈机制，确保了系统能够在不断变化的环境中维持高精度的时间同步，提高了整个系统的可靠性和性能。