5G同步组网架构及关键技术探析
胡昌军 吕博 缪新育
(中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191)
摘要：作为必不可少的基础支撑网络，5G同步网急需在技术和产业发展方面尽快推动。面向5G系统高精度时间同步需求，提出高精度同步通用组网模型，重点研究高精度源头、高精度同步传输、高精度同步监测等若干高精度同步关键技术。
关键词：5G同步网；卫星共视；1588v2技术
1 引言
5G牌照已经发放，5G商用开始有序部署。5G网络处于产业化培育应用的关键时期，5G高精度同步网作为必不可少的基础支撑网络，急需在技术和产业发展方面尽快推动，以有力支撑5G商用的顺利开展。
本文首先分析5G系统时间同步需求，阐述采用地面同步组网解决5G系统同步的必要性,提出高精度同步通用组网模型，并重点分析面向5G系统同步的高精度源头、高精度同步传输、高精度同步监测等关键技术，为我国后续5G同步技术方案选择及组网策略制定、国际国内标准推动、同步网平滑演进等提供参考。
2 5G高精度时间同步需求
5G同步用于支撑5G网络和业务，包括频率同步和时间同步，其中频率同步需求与其他无线通信系统相同，即优于±0.05ppm[1]，而时间同步要求则更加严格，本文重点关注5G时间同步。根据应用场景和同步精度的不同，5G系统时间同步需求包括基本同步需求、站间协同增强同步需求以及5G所支撑的新业务提出的高精度同步需求。
5G系统基本同步需求是所有时分复用（TDD）制式无线通信系统的共性要求，主要是为避免上下行时隙干扰，从而需对基站空口时间偏差进行严格限定。对于4G TDD系统，采用固定子载波间隔15kHz，保护周期GP（Guard Period）配置单符号，在一定覆盖范围内，其要求基站间时间偏差应小于3μs。5G系统均采用TDD制式，其具有子载波间隔可灵活扩展的特点，通过在GP中灵活配置多个符号的方式，使得基站间时间偏差要求仍为小于3μs，与4G TDD一致。
5G系统站间协同增强主要包括多天线MIMO、多点协调、载波聚合等，为确保协同有效，来自不同协同点信号的时间差不能超过循环前缀CP ( Cyclic Prefix），从而对协同点之间的时间偏差提出了100ns量级甚至更高的苛刻时间同步要求。
在5G网络支撑的多种新业务中，典型的是基站定位服务。随着高精度定位服务需求爆炸式增长，作为定位服务提供的重要手段，基于5G系统基站定位极具潜力。一般来说，定位精度与时间同步精度直接相关，例如要实现3m的定位精度，要求基站间的空口信号同步偏差为±10ns。
3 5G高精度时间同步组网模型
3.1 5G高精度同步地面组网必要性分析
长期以来，运营商主要采用在基站加装卫星接收机的方式满足无线移动通信系统的同步需求。在4G时代，部分运营商通过地面同步组网方式解决无线基站的同步问题，但一般作为备用，或者用于解决卫星信号难以覆盖区域的基站同步，如地铁、地下车库、部分城区高楼等。
相对于4G系统，5G系统具有如下新的同步需求特点。
（1）同步需求精度更高。5G系统既有μs量级的基本业务同步需求，也有100ns量级的协同增强技术同步需求，还有其他新业务的更高精度同步需求，基站直接通过普通卫星接收机单站授时难以完全满足要求。
（2）同步应用场景更加复杂。5G系统的一大特点是部分应用场景基站部署密度大，随着中国城市化不断推进，室内基站占比增大，将会存在大量无法获取卫星信号的5G基站部署场景。
（3）同步的安全可靠性要求更加严格。同步是确保5G系统安全可靠运行的前提，鉴于5G系统本身及其所支撑业务的重要性，相应对同步的安全可靠性也提出更高的要求。考虑到卫星信号受到无意或有意干扰导致失效的情况越来越多，卫星信号被攻击（如伪卫星欺骗）的案例时有发生，5G同步完全依赖于卫星授时将会带来极大的安全隐患。
（4）成本方面更加敏感。5G基站部署规模大，若每个基站均加装卫星接收机，设备投资和运维成本巨大，而通过承载网络带内方式实现地面高精度同步组网，建设与运维成本相对较低。
鉴于上述分析，为满足5G系统的同步需求，解决卫星覆盖盲点问题，提升安全可靠性，节约建设和运维成本，研究建设自主可控、安全可靠的高精度时间同步网是大势所趋。需要说明的是，建设高精度地面时间同步网，并不会一步到位完全替代基站卫星授时方案，两者是天地互备的关系，将会长期共存、相互补充。
3.2 5G高精度同步通用组网模型
国内CCSA，国外ITU-T、3GPP、CPRI、IEEE以及ORAN等多个标准化和行业组织正针对5G同步解决方案开展研究。目前来看，相对于光纤授时、网络时间协议NTP（Network Time Protocol）等技术，基于高精度时间协议PTP（Precision Time Protocol）组网是5G高精度时间同步的最主要实现方案。
基于PTP的5G高精度时间同步通用组网模型如图1所示。作为源头设备的高精度时间服务器（PRTC/ePRTC）可采用卫星授时关键技术，在卫星不可用的情况下，可通过地面获取超高精度时间同步信号（如通过光纤授时溯源至国家守时单位），从而确保5G时间同步网自主可控。PRTC/ePRTC通常同时实现祖时钟GM（GrandMaster）功能，因此图1参考点A一般位于设备内部，在这种情况下无需对其性能要求进行规范。
图1 5G 高精度时间同步通用组网模型
高精度时间服务器的性能指标应满足ITU-TG. 8272.1标准的要求，即时间精度应优于±30ns。图1参考点B和C之间属于5G时间同步网的核心部分，可采用高精度同步传输技术实现高精度同步承载，属于由多个电信用边界时钟（T-BC）组成的同步链。需要强调的是，单个节点的时间同步性能和网络规模（时间同步链的跳数）是B与C之间承载部分同步指标的两个重要制约参数。为了提升端到端同步性能，扩大组网规模，要求传输设备单节点时间同步精度应优于一定的限值（如ITU-T G.8273.2规定类型C和类型D的T-BC的时间误差在10ns量级甚至更小）。
图1中参考点C或D属于5G时间同步网与无线末端设备（如5G基站）的连接点，可考虑采用高精度同步接口（如带内10GE/25GE）进行对接，降低局内互联引入的时间误差。在5G组网中，通过对5G网络无线接入网（RAN）侧功能的重新划分，以及基于以太网的eCPRI接口在前传中的使用，图1中从时钟（Slave）可能和末端应用（如AAU）集成在同一设备中，因此参考点D有可能位于无线设备内部。
5G同步需求一般是以无线空口（图1参考点E）间的相对时间偏差来衡量，而同步网一般通过实现相对于协调世界时（UTC）的绝对时间精度来满足无线侧的相对时间精度要求。例如，为了满足两个AAU的无线空口参考点E之间的相对时间偏差（如3μs），要求每个AAU无线空口输出相对于UTC的绝对时间偏差满足一定的限值即可（如±1.5μs）。
需要强调的是，高精度时间同步网通常采用逐级主从组网方式，这是一种经典的组网模式，在传统频率同步网建设中已得到成功应用。逐级主从组网方式的鲜明特点是，由于噪声累积效应，传输链路越长，经过节点数越多，信号劣化就越显著。因此，在实际组建高精度时间同步网时，应考虑需要缩小组网范围，如基于地县的区域性组网；另外一种组网思路是将源头设备下沉，尽量靠近网络末端基站，降低网络承载部分对同步性能的影响，实现扁平化组网。
4 5G 高精度同步关键技术分析
同步网一般由同步节点设备以及用于连接节点设备的定时链路构成，5G高精度地面时间同步网也不例外。组建5G高精度地面时间同步网，涉及若干关键技术，包括作为节点设备的高精度源头技术、用于组建地面定时链路的1588技术、进行全网管理的监测技术等。
4.1 高精度同步源头技术
高精度同步源头的实现与卫星授时技术密不可分。卫星授时的精度取决于卫星系统、大气层、接收系统、本地钟源、锁相环和分发接口等多个要素。在众多卫星授时技术中，卫星单频授时应用最为广泛，但由于受到大气环境多方面因素影响，授时精度受限，只能实现百纳秒级同步精度，无法满足高精度同步设备30ns量级的需求[2]。卫星双频技术可以消除大气电离层延迟误差，可显著提升授时精度，可以作为今后高精同步源头设备的主要实现技术。卫星共视技术可进一步消除卫星钟和传播路径的有关误差，实现远距离高精度溯源，可以作为高精度同步的测量技术选择。
需要说明的是，近年来，我国自主研发的北斗卫星导航系统不断完善并加紧部署应用，其中北斗二代已于2012年正式商用，北斗三代将于2020年年底前完成组网并投入商用，北斗系统在通信网中的应用规模将进一步扩大，从而有助于摆脱对其他国家卫星导航系统的依赖，提升了通信网络的安全可靠性。采用基于北斗系统的双频技术将是未来高精度同步源头设备主流实现技术的选择。
4.2 高精度同步传输技术
高精度同步传输用于组织定时链路，是5G高精度同步组网的关键环节。目前来看，1588v2技术在电信网中应用规模大、成熟度高、互联互通性好，建议在现有配置的基础上通过优化实现细节提升精度，包括打戳位置尽量靠近物理接口、提升打戳分辨率、提升系统实时时钟（RTC）同步精度、加强模块间协作、选取优质晶振等，这样有利于5G高精度时间同步网络的快速部署和成熟商用。此外，业界也比较关注白兔子（WR）、1588v2.1等其他高精度同步传输技术，但无论是WR技术，还是新版本1588标准，均属于全新的高精度传输实现方案，相对于1588v2优化方案，实现难度大，目前暂时不作为高精度同步传输技术。
考虑到1588v2技术在实际应用中易受光纤不对称性影响，建议5G时间同步网在条件具备时尽量采用单纤双向方式进行1588v2的部署应用。另外，针对1588v2开通和运维，建议引入软件定义同步网功能[3]，增强同步网络安全可靠性，提高运维管理效率。
4.3 高精度同步监测技术
对于5G高精度同步网，安全可靠运行至关重要，有必要建立监测系统，对全网同步运行质量进行实时监控和管理。在监测方式方面，包括基于网络设备自身监测功能实现的相对性能监测，以及采用探针等外部设备进行的绝对性能监测。
对于基于网络设备自身监测功能实现的相对性能监测，具体监测项目和监测要求在相关标准中已有规范[4]；对于采用外部设备进行的绝对性能监测，在网络中的适当位置部署支持卫星共视功能的外部探针设备作为监测点，同时全网配置一个公共的参考基准站和数据处理中心，基于卫星共视法，可以获取网络中各个监测点与公共参考基准站之间的时间偏差，通过数据处理中心的大数据分析处理，可以准确掌握全网同步的运行状况。
基于网络设备内置功能实现监测，相对来说实现起来比较简单，无需额外设备，但由于该监测方式只是对网络局部进行相对监测，无法对全局网络进行监测，并且要求所涉全部设备都需支持特定的监测功能，因此实际应用起来存在一些弊端。通过外置设备基于共视法进行监测，可以实现全网同步性能的实时监测，从长远来看是一种较好的监测方式，但初期需要一定的建设成本，并且具体监测方案有待进一步研究，包括监测点数量和位置选择、权威公共参考基准站的选择或建设、如何实现数据在监测点与基准站及数据处理中心的传送、合理的数据处理算法、监测评估指标的确定等。
5 结束语
面向5G的同步需求特性明确，既有与4G相同的微秒量级基本同步需求，也有5G协同增强提出的百纳秒级同步需求，还有以定位需求为代表的纳秒级同步要求。通过5G高精度同步组网，满足5G系统多种业务的同步需求，解决5G网络复杂部署场景同步问题，实现天地互备，避免完全依赖卫星授时带来的安全隐患，进一步提升5G应用的安全可靠性。
为了满足5G系统高精度同步需求，支撑各种具有高精度同步要求的应用场景，业界正抓紧对同步源头技术、同步传输技术、同步监视技术等方面持续开展研究。从源头技术来看，双频技术更适合于高精度时间同步网的建设部署，尤其是基于自主北斗系统的双频技术会成为应用主流；从同步传输技术来看，1588v2技术目前仍是高精度同步的基本传输技术，可以进一步对其进行改良及增强以满足多场景高精度同步传送需求；从高精度同步监测技术来看，存在基于卫星信号的绝对监测和基于设备自身功能的相对监测等方式，可根据业务要求、网络规模、成本预算等因素综合选择，预计最终基于卫星共视法的绝对性能监测方式将是今后应用的方向。
总体来看，随着5G系统商用化的不断推进，作为基础支撑网络，5G同步网研究及方案部署需进一步加速推动。结合运营商5G承载技术及组网架构，继续研究5G同步网演进策略、高精度同步测试技术、同步网安全等内容，推动制定和完善5G高精度同步方案，全力支撑5G系统商用部署。
参考文献
[1] 3GPP TS 38. 104, 3rd generation partnership project;Technical specification group radio access network;NR;Base Station ( BS ) radio transmission and reception;(Release 15)[S], 2019.
[2] ITU-T, G. 8272. 1/ Y. 1367. 1, Timing characteristics of enhanced primary reference time clocks[S], 2016.
[3] 2017-0952T-YD. 软件定义同步网技术要求(报批稿)[S], 2019.
[4] YD / T 2879-2015. 基于分组网络的同步网操作管理维护(OAM)技术要求[S], 2015.
The analysis for 5G synchronous networking architecture and key technology
HU Changjun, LYU Bo, MIAO Xinyu
(China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China)
Abstract: As an indispensable basic support network, 5G synchronization network urgently needs to be promoted in technology and industrial development as soon as possible. Based on the analysis of the time synchronization requirement of 5G system, the necessity of solving 5G system synchronization based on high precision time synchronization ground network is analyzed, and a general network model of high precision synchronization is proposed. The key technologies such as high precision source, high precision synchronization transmission and high precision synchronization monitoring are mainly studied.
Key words: 5G synchronization network; satellite common view; 1588v2 technology
本文刊于《信息通信技术与政策》2020年第4期
作者简介
胡昌军：中国信息通信研究院技术与标准研究所主任工程师，正高级工程师，研究领域包括时频同步、卫星授时、光通信等，主要从事标准研究、技术咨询、国家专项、测试评估等方面工作。
吕 博：中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师，博士，主要从事同步、人工智能等领域的技术研究、标准化和检测等方面工作。
缪新育：中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师，主要从事同步、卫星授时等领域的技术研究、标准化和检测等方面工作。
论文引用格式：
胡昌军，吕博，缪新育. 5G同步组网架构及关键技术探析[J]. 信息通信技术与政策, 2020(4):36-40.
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