5G網絡PTP時鐘同步（NTP時間服務器）組網方案研究

5G網絡PTP時鐘同步（NTP時間服務器）組網方案研究

(資料圖)

京準電子科技官微——ahjzsz

摘要：5G網絡部署和垂直行業應用對于時間同步提出了新的需求。為了更滿足高精度的同步需求，需要采用高精度同步源技術、高精度同步傳送技術、同步監測技術、智能時鐘部署及運維技術。針對OTN系統和SPN系統同步網部署分別提出了典型的方案，可為5G同步網的規劃建設提供參考。

引言

5G網絡建設已經全面開展，同步網作為基礎支撐網絡，對于網絡質量的保障、業務的發展起到十分重要的作用。相對于4G系統，5G對于同步的精度需求更高，可靠性要求更為嚴格，應用場景也更復雜，除了TDD系統基本的同步需求之外，5G的站間協同需求、CA/CoMP/MIMO等技術對時間同步提出100 ns級精度要求，高精度定位、車聯網、智能制造等行業應用，對于時間同步的精度更是達到10ns以內?，F有的同步網絡無法完全滿足5G時代的同步需求，本文通過分析5G時間同步的需求和5G高精度時間同步的關鍵技術，提出5G承載高精度時間同步的組網方案。

1、5G時間同步需求

1.1 5G基本同步需求與4G相同

基本時間同步是TDD制式無線通信系統的共同要求，由于TDD基站上下型號同頻，為避免上下行信號互相干擾，要求各基站之間有嚴格的相位同步關系，確保上下行切換的時間點一致。5G TDD基本業務同步需求與4G TDD基本業務相同，均為±1.5 μs。

1.2 5G協同增強提出更高精度同步要求

站間協同增強可讓一個用戶的數據通過不同的AAU收發，用戶可以在重疊覆蓋區域合并多個信號，從而提升帶寬體驗。不同AAU的信號之間，時差必須滿足一定要求，否則無法合并。根據3GPP TS 38.104V15.00(2017-12)技術要求，不同類型的協同增強要求如表1所示。

表1 5G不同類型的協同增強同步要求

為了獲得更好的網絡質量和服務體驗，5G系統中將會更廣泛地應用CA/CoMP/MIMO等技術，從而對網絡同步提出了100 ns量級甚至更高要求。

1.3 部分新業務需要超高精度時間同步

5G垂直行業的大量新應用目前還在標準完善和產業孵化培育的階段，不同應用場景對于同步的需求也存在較大偏差，目前仍在探索階段。從目前階段的研究中，可以看到高精度定位業務、車聯網、智能制造等應用對于時間同步的需求將達到10 ns量級。例如基于到達時間和到達時間差的基站定位技術，同步精度和基站之間的時間相位誤差線性相關。1 ns同步誤差對應的定位精度約為 0.3~0.4 m，滿足3 m的定位精度對應的同步誤差約為±10 ns，滿足1 m的定位精度對應的同步誤差約為±3 ns。

1.4 5G高精度時間同步需要地面同步網支撐

4G時代無線網主要采用基站安裝衛星接收機的方式通過GNSS獲取同步信號，地面同步網主要用于滿足傳送網、核心網、數據網等網絡的同步需求。相對4G時代5G網絡對同步網的需求發生了以下一些新的變化。

a）精度要求更高：部分網絡增強協同及行業應用既有μs級同步需求，也有ns級的同步需求，直接通過普通衛星接收機獲取單站授時難以完全滿足要求。

b）同步場景更為復雜：5G基站密度大，室內基站數量也會增加，會存在大量室內場館、地鐵、隧道等難以獲取衛星信號的場景。

c）同步網的安全可靠性要求更為嚴格：此前衛星接收系統對美國GPS系統高度依賴，存在安全風險，如全面升級為北斗接收系統，會需要巨大的投資。即使采用基于北斗的衛星接收授時，仍然存在衛星信號被干擾的情況，例如某城市為保障重大體育活動，防止私人無人機在活動范圍空域飛行，采用技術手段對活動區域內的衛星定位信號進行干擾，結果導致區域內基站的衛星接收也受到干擾，業務受到嚴重影響。

鑒于上述原因，在5G時期部署地面高精度同步網，對于提升網絡穩定性、可靠性，提升業務發展的支撐能力，具有十分重要的意義。

2、5G高精度時間同步關鍵技術

從前文中的分析中可以看到，5G對于時間同步的精度和可靠性均提出新的要求，現有的地面高精度時間同步技術主要為基于1588v2的時間同步網絡，可以滿足5G無線業務基本的±1.5 μs精度要求，但是100 ns甚至10 ns量級的同步需求則需要新的技術和網絡支撐。從時間同步網的通用模型（見圖1）可以看出，要實現高精度時間同步需要從同步源到末端進行端到端的提升優化，采用多種技術手段共同提升同步精度、同步網快速部署和智能管理能力，其中的主要關鍵技術有高精度同步源技術、高精度同步傳送技術、高精度同步監測技術、智能時鐘運維技術等。

圖1.時間同步通用網絡模型

2.1 高精度同步源技術

高精度同步源頭的實現與衛星授時技術密不可分。為提升同步源精度，可采用雙頻接收技術和衛星共視法。

雙頻接收技術：衛星接收部分對同步精度的影響最大，相對于單頻接收機而言，雙頻接收機可同時接收單個衛星系統的2個頻點載波信號（如GPS的L1、L2或者北斗的B1、B2），通過一定算法可有效消除電離層對電磁波信號延遲的影響，從而提升衛星授時精度。

衛星共視法：此方法是目前遠距離時鐘比對的主要方法之一，也是國際原子時成員單位合作的主要技術手段之一，其時間比對不確定度可優于10 ns。衛星共視是利用導航衛星距離地球較遠、覆蓋范圍廣的特點，將其作為比對中間媒介，在地面需要時間比對的2個地方分別安裝接收設備，同時觀察同一顆衛星，通過交換數據抵消中間源及其共有誤差的影響，實現高精度比對。衛星共視技術比較成熟，性能較好，但無法獨立部署應用，需主從站配合使用，并配置數據通道進行數據交互。

綜合考慮上述2種技術的實現難易程度、成本和產業成熟程度，在當前階段建議采用衛星雙頻技術滿足高精度同步源頭設備要求，衛星共視技術可以先用于現網時間同步源的性能集中監控，待共視網絡建設成熟后再考慮應用于高精度同步源頭設備。

2.2 高精度同步傳送技術

根據IMT-2020(5G)推進組發布的《5G承載網絡架構和技術方案白皮書》中建議，對于±1.5μs同步需求的5G基本業務和部分協同業務，指標分配方法參見國家通信行業標準YD/T 2375-2011“高精度時間同步技術要求”，源頭部分±150 ns，承載部分±1 000 ns（30跳），接入部分±250 ns。對于±300ns量級的業務，暫定的建議分配方案為源頭部分±30ns，承載部分±200 ns（20跳），接入部分±50 ns。

目前1588v2已經在國內的4G承載網絡中進行了規模應用部署，目前支持1588v2的傳輸設備的單跳時間同步精度為±30ns，對比以上要求，在遠距離多跳節點傳輸時，精度顯然無法滿足5G的需求。為提升單節點精度，需從以下幾方面對1588v2進行優化。

a）打戳位置盡量靠近物理接口，減少光模塊內部的半靜態延時誤差和動態延時誤差。

b）提升打戳精度，提升打戳時鐘的頻率，或者采用其他方法提升打戳分辨率。

c）提升系統實時時鐘（RTC——Real Time Clock）同步精度、提升系統內部RTC之間的同步對齊精度。

d）選取優質晶振，提升本地時鐘的穩定度。

考慮現有1588v2已經規模部署，在現有配置基礎上通過優化實現精度的提升，有利于5G高精度時間同步網絡的快速部署。1588v2的技術原理決定了其在部署中易受光纖不對稱性影響，建議5G時間同步網部署時盡量采用單纖雙向方式進行。

對于100ns量級及更高的精度需求，提升單節點精度也已經無法滿足，可考慮采用同步源下沉的方案，通過減少跳數來提高同步精度。

2.3 高精度同步監測技術

同步監測方法總體可分為絕對監測和相對監測兩大類，從具體實現方式上可分為外置方式和內置方式。

外置方式可實現同步性能絕對監測，包括外置探針和衛星共視2種方式。外置探針方式在5G同步網中按需部署外置探針，探針通過全球導航衛星系統（GNSS）獲得絕對時間基準，對網絡末端設備同步輸出信號進行監測，再將監測結果發送至中心網管以實現對整個網絡同步性能的實時監測。衛星共視方式在網絡適當位置部署共視主站和共視從站，以共視接收作為媒介，通過交換數據，得到共視從站（即被監測點）與共視主站（即遠端參考基準，如溯源至UTC的絕對基準）之間的比對結果，實現對被監測點性能的絕對監測。

內置方式通過內置功能進行同步性能監測，即利用網絡設備自身具備的同步性能監測能力實現同步性能相對監測，主要包括主從監測和環上被動節點監測。主從監測是指Slave設備在同步于主時鐘（Master）設備的同時，進行自身同步性能監測。通過對Slave端口時間戳（T1、T2、T3、T4）和計算的時間偏差值（Offset）進行不同方式的統計和分析，可以實現對同步性能的相對監測。環上被動（Passive）節點監測是利用Passive節點對其同步側與非同步側同步數據進行比對，從而實現監測。

2.4 智能時鐘部署及運維技術

目前同步網的設備在網絡中相對于其他專業設備較少，擴容規模和投資有限，各廠家對于同步網功能的提升和研發投入不夠，造成目前同步網的OMC對于業務部署和運維支撐能力較差。各廠家OMC系統目前北向接口能力不足，無法實現集中監控；同步網網管目前只能管理到同步網服務器自身，無法完成對業務網元同步信號的告警、性能、資源等管理；同步網端口與授時業務之間的對應關系不明確，缺乏統一網管管理。面向5G的同步網，需要提升管控運維能力。

位于控制層面的智能時鐘技術，能夠為超高精度同步網的運行維護提供支撐，智能時鐘管控系統架構及主要功能如圖2所示，其核心功能有：

a）同步網自動規劃功能：計算和規劃所有或指定區域網元的同步主備路徑，減少人工配置工作量，并避免配置錯誤。

b）圖形化動態同步狀態查詢功能：能夠實時展現同步網從源到宿端到端鏈路及節點狀態，拉通各專業，呈現整體同步網狀態視圖。

c）同步配置和運行狀態檢測和分析功能：實現業務智能下發，減少人工配置。對同步配置進行分析，發現定時環、跳數越限等配置風險，生成檢測報告。具備同步告警抑制和根源分析能力，根據跟蹤狀況等信息完成告警根因分析定位。

d）智能故障恢復功能：在同步網中多點故障、主備時鐘失效時，進行路徑分析和自動恢復，解決成片網絡的時鐘失步問題。

e）同步性能實時監控分析：實時監控同步網絡的性能，利用每個環上設備的Passive 端口進行時間性能比對監控和不對稱性分析。

圖2.智能時鐘管控系統示意圖

3、5G時間同步組網方案

3.1高精度時間同步組網模型

5G高精度時間同步組網和目前4G采用的1588v2同步網架構一致，城域網配置一主一備2套時頻同步設備（ePRTC），一般在城域網的核心機房異局址設置，同步信號從核心層傳輸設備注入，同步傳遞技術采用SyncE(O)+PTP，承載網元設置為BC模型，承載網時間傳遞鏈路BC網元數不超過20個，通用部署構架如圖3所示。

圖3.5G同步網同步通用部署構架

對于100ns甚至更高超高精度的同步需求，需采用同步源下沉方案，減少同步鏈路節點數量的方式，以滿足同步精度需求。同步源下沉模式部署構架如圖4所示。城域網根據業務需要，配置多臺時頻同步設備（PRTC+）,從匯聚/接入設備注入，滿足區域同步需要。同步傳遞技術采用SyncE(O)+PTP，承載網元設置為BC模型。下沉的同步源設備（PRTC+）可以與城域網核心機房內部署的ePRTC設備配合，提供性能監測和同步輔助功能，增強同步網的穩定性和可靠性。此方案會大規模增加同步設備數量，建議針對有特定需要的區域進行小范圍部署，不宜全網大規模應用。

圖4.5G同步網同步源下沉模式部署構架

3.2 OTN系統部署方案

5G傳送網中，對于傳輸距離較長的中繼段，常有SPN/IPRAN over OTN的場景，OTN時間傳送分為帶外OSC模式和帶內ESC模式。OSC模式是使用OSC通道傳送時間/時鐘信息（見圖5），只要有OSC管理的地方就能獲取全網同步的時間/時鐘信息。此時所使用線卡是否支持1588，不影響OSC傳送。ESC模式是使用線路單板OTN開銷傳送時間/時鐘信息（見圖6），無需額外硬件配置，無距離限制，只要有業務上下的站點就能獲取到全網同步的時間/時鐘信息。OSC模式的精度相對ESC模式更高，建議在OTN系統中采用OSC模式部署，同時采用單纖雙向光模塊，避免收發光纖不對稱造成的誤差。

圖5.帶外OSC時鐘/時間傳送方式

圖6.帶內ESC時鐘/時間傳送方式

3.3 SPN系統部署方案

中國移動采用SPN技術建設5G傳送網，根據《中國移動切片分組網（SPN）設備技術規范》要求，SPN設備應支持以太頻率同步、CES/CEP業務時鐘恢復和時間同步功能。SPN設備應支持通過PTP實現超高精度時間同步，SPN每跳設備的最大時間偏差max|TE|小于5 ns。SPN設備具備DWDM能力時，PTP應支持通過單纖雙向OSC通道進行傳遞，SPN設備不配置DWDM時，PTP通過FlexE接口或者以太網接口進行傳遞。SPN設備應支持通過FE、GE、10GE、25GE、40GE、50GE、100GE、200GE、400GE等以太網端口以及50GE、100GE、200GE、400GE等FlexE接口對PTP報文發送接收和處理，PTP報文協議的格式和處理應滿足《中國移動超高精度時間同步接口規范》的要求。

SPN系統同步部署方案與現有PTN系統模式一致，有單纖雙向和單纖單向2種方案，其中單纖雙向模式可以解決收發光纖不對稱的問題?？紤]匯聚層以上的SPN系統主要為100GE以上端口互聯，目前沒有100GE以上的單纖雙向光模塊，為了節省設備業務槽位及端口資源，中國移動在SPN設備技術規范中要求SPN核心匯聚層設備應支持2路同步專用的GE光接口，可用于組建同步環。但當前應用的SPN設備暫未具備該專用同步接口，仍然需要額外配置10GE或GE的業務端口，并使用單纖雙向光模塊，組建同步環。SPN部署方案如圖7所示。

圖7.SPN系統同步網部署方案示意圖

4、結束語

同步網作為通信網中重要的基礎支撐網絡，對于各業務網絡的穩定可靠起著至關重要的作用，目前5G網絡的規模部署已經開展，在關注無線網、核心網、傳送網等網絡規劃建設的同時，同步網的部署也應該引起足夠的重視。本文通過分析5G時間同步的需求、高精度時間同步實現的關鍵技術，對5G同步組網部署方案進行了初步研究，希望能為5G網絡規劃建設提供一些有價值的參考思路。隨著5G垂直行業應用的不斷拓展，未來業界對于高精度同步的研究還將繼續深入。

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