IEEE 1588 和 PTP 滿(mǎn)足 5G 網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜時(shí)序需求

IEEE 1588 和 PTP 滿(mǎn)足 5G 網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜時(shí)序需求，實(shí)現(xiàn)亞微秒范圍內(nèi)的全系統(tǒng)同步精度。

盡管移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商在過(guò)去幾年一直在部署 5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，但其中大部分都是利用現(xiàn)有 4G LTE 基礎(chǔ)設(shè)施的非獨(dú)立 (NSA) 網(wǎng)絡(luò)。5G NSA 部署將 4G LTE 基站和支持核心基礎(chǔ)設(shè)施與 5G 無(wú)線電相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn) 5G 服務(wù)。雖然 NSA 使許多電信公司能夠快速部署 5G，但這種方法并沒(méi)有兌現(xiàn)為消費(fèi)者提供“超連接速度”的承諾。同時(shí)，5G 更高的帶寬和更快的速度要求更高的計(jì)時(shí)精度、準(zhǔn)確性和可靠性。

直到最近，這些運(yùn)營(yíng)商才開(kāi)始為真正的 5G 獨(dú)立 (SA) 網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)，這需要的不僅僅是簡(jiǎn)單的無(wú)線電或固件升級(jí)。5G SA 網(wǎng)絡(luò)的所有組件，包括基站、核心和無(wú)線電，均按照 3GPP 5G 規(guī)范構(gòu)建，并經(jīng)過(guò)優(yōu)化以提供更高的下載速度和超低延遲服務(wù)。

例如，2020 年，T-Mobile開(kāi)始推出全球首個(gè)全國(guó)性 SA 網(wǎng)絡(luò)，并于 2021 年底在其商用 5G SA 網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)了近 5 Gbits/s 的創(chuàng)紀(jì)錄速度。Verizon計(jì)劃利用CBRS 頻譜部署其今年擁有SA 5G核心網(wǎng)。

這種部署“下一代解決方案”的競(jìng)爭(zhēng)熱潮對(duì)業(yè)界來(lái)說(shuō)并不新鮮。自 80 年代以來(lái)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)大約每 10 年推出一次新一代。與上一代相比，每一代新一代網(wǎng)絡(luò)都支持更快的速度和更先進(jìn)的功能——這對(duì)于第五代網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)沒(méi)有什么不同。由于 5G 旨在允許實(shí)時(shí)交互并在更多連接的設(shè)備上啟用高級(jí) AI 功能，因此它需要更高的帶寬和更快的速度。

運(yùn)營(yíng)商面臨的挑戰(zhàn)是，所有這些都對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和支持它的計(jì)時(shí)解決方案提出了更為嚴(yán)格的性能要求。事實(shí)上，與數(shù)據(jù)中心等其他高性能環(huán)境相比，5G 網(wǎng)絡(luò)的時(shí)序要求異常嚴(yán)格。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，真正的 5G 所需的顯著帶寬和數(shù)據(jù)速率需要更高的計(jì)時(shí)精度、準(zhǔn)確性和可靠性。

5G 與 4G

讓我們首先快速回顧一下 5G 與 4G 最常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

雖然 4G 依靠基帶單元 (BBU) 來(lái)提供無(wú)線電單元 (RU) 和演進(jìn)的分組核心之間的連接，但 5G 可以將此功能拆分為兩個(gè)新的獨(dú)立單元：集中式單元 (CU) 和分布式單元 (DU) . 顯示了從 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)(頂部)到 5G SA 網(wǎng)絡(luò)(底部)的架構(gòu)差異。

4G 和 5G 的顯著區(qū)別之一是 5G 使用時(shí)分雙工而不是頻分雙工進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這意味著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要同步，不僅在頻率上，而且在時(shí)間上。這適用于整個(gè)架構(gòu)——從 5G 核心一直到邊緣的 RU。因此，這些 5G SA 網(wǎng)絡(luò)需要為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供更高性能的頻率和相位同步解決方案。

不出所料，NSA 網(wǎng)絡(luò)無(wú)法達(dá)到這些性能要求，這些網(wǎng)絡(luò)受限于其底層 4G LTE 硬件的硬件和性能。5G SA 部署的前傳網(wǎng)絡(luò)時(shí)序要求特別嚴(yán)格。在這些應(yīng)用中，可以有多個(gè) RU 連接到一個(gè) DU，并且無(wú)線電之間的時(shí)間對(duì)齊要求更高。這些嚴(yán)格的規(guī)范是實(shí)現(xiàn)載波聚合和分布式 MIMO 等高級(jí)無(wú)線電功能所必需的。

5G 前傳網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格的時(shí)間對(duì)齊要求在 O-RAN 聯(lián)盟的創(chuàng)建中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。該組織的目標(biāo)是創(chuàng)建符合標(biāo)準(zhǔn)的電信設(shè)備，可以為 DU、RU 和前傳網(wǎng)絡(luò)混合和匹配。這個(gè)想法是，任何符合 O-RAN 的硬件都將與任何其他符合 O-RAN 的硬件一起工作，以滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)商的前傳網(wǎng)絡(luò)需求，包括設(shè)備之間的連接和同步。

所有這些都引出了一個(gè)核心問(wèn)題：運(yùn)營(yíng)商是如何解決這一定時(shí)和同步挑戰(zhàn)的?答案在于 IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)。

這一切的 PTP

在對(duì)性能要求不高的先前網(wǎng)絡(luò)中，同步和定時(shí)嚴(yán)重依賴(lài) GPS 技術(shù)。然而，如今，GPS 已不再是最新 5G 部署的可行解決方案。GPS 不僅在安全方面存在眾所周知的問(wèn)題，而且硬件相對(duì)昂貴，并且在密集的城市環(huán)境中不太可靠。最后一點(diǎn)對(duì)于希望在體育場(chǎng)、音樂(lè)會(huì)、機(jī)場(chǎng)和其他高密度地點(diǎn)推出 5G 小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)尤其成問(wèn)題。

值得慶幸的是，電信行業(yè)齊心協(xié)力尋找解決這個(gè)問(wèn)題的方法，并開(kāi)發(fā)出一種創(chuàng)新的 GPS 替代品。業(yè)界創(chuàng)建了一種使用 IEEE 1588v2 同步無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)中所有不同設(shè)備的新方法。IEEE 1588v2，也稱(chēng)為精確時(shí)間協(xié)議 (PTP)，是一種通過(guò)數(shù)據(jù)包層本身同步時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。PTP 使具有不同精度、分辨率和穩(wěn)定性的時(shí)鐘的各種計(jì)時(shí)系統(tǒng)能夠與單個(gè)主時(shí)鐘同步。

PTP 基于定時(shí)消息的雙向交換，不僅從主時(shí)鐘分配定時(shí)，而且估計(jì)和考慮路徑延遲。路徑延遲和數(shù)據(jù)包延遲變化是 5G 時(shí)序環(huán)境如此復(fù)雜的兩個(gè)原因。

由于不同的硬件、不同的光纖長(zhǎng)度、網(wǎng)絡(luò)擁塞和異步網(wǎng)絡(luò)流量，電信網(wǎng)絡(luò)通常需要考慮傳輸延遲——每一個(gè)都可能導(dǎo)致明顯的延遲。任何不對(duì)稱(chēng)延遲源都可能導(dǎo)致時(shí)間同步分布中的錯(cuò)誤。在構(gòu)建符合 IEEE 1588 的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要考慮所有這些影響。

最終，IEEE 1588v2 專(zhuān)為滿(mǎn)足 5G 網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜時(shí)序需求而構(gòu)建。IEEE 1588 可以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的亞微秒范圍內(nèi)提供系統(tǒng)范圍的同步精度，同時(shí)減少對(duì) GPS 的依賴(lài)。5G SA 網(wǎng)絡(luò)支持多種時(shí)間同步部署場(chǎng)景。其中包括新的未開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)部署，其中網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都支持 IEEE 1588 同步，以及覆蓋網(wǎng)絡(luò)部署的超級(jí)大師，其中 IEEE 1588 數(shù)據(jù)包同步信息通過(guò)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳遞到網(wǎng)絡(luò)邊緣。然后可以使用 IEEE 1588 將邊緣網(wǎng)絡(luò)元素與系統(tǒng)的主時(shí)鐘同步。后一種部署方案通常稱(chēng)為部分定時(shí)支持 (PTS) 網(wǎng)絡(luò)。GPS 可以選擇性地用于協(xié)助 IEEE 1588 在網(wǎng)絡(luò)邊緣提供更高的時(shí)間精度，這被恰當(dāng)?shù)孛麨檩o助部分定時(shí)支持 (APTS)。IEEE 1588 的靈活性及其與 GPS 結(jié)合使用的能力使系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商能夠在各種部署場(chǎng)景中可靠地部署 5G。

運(yùn)營(yíng)商視角

不可否認(rèn)，由 IEEE 1588 和 O-RAN 創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)化顯然是移動(dòng)行業(yè)的游戲規(guī)則改變者。這些技術(shù)協(xié)同工作以簡(jiǎn)化 5G 網(wǎng)絡(luò)的部署。它們還為移動(dòng)服務(wù)提供商提供了更多選擇。然而，最終，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商和部署者正在尋找能夠提高性能和降低成本的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和軟件解決方案。

雖然有多種方法可以做到這一點(diǎn)，但兩個(gè)主要的硬件考慮因素是功耗和電路板占用空間。板級(jí)組件使用更少的功率和更多的 PCB 空間意味著可以添加更多設(shè)備以提高性能并支持其他功能。由于這些原因，供應(yīng)商和制造商青睞更新的時(shí)序解決方案，這些解決方案允許更精確的同步，同時(shí)提高整體電源效率和材料清單占用空間。還有新的 IEEE 1588 軟件解決方案可用，可在 PTS 和 APTS 網(wǎng)絡(luò)中提供卓越的時(shí)間誤差性能，從而降低 5G 覆蓋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和部署風(fēng)險(xiǎn)。

運(yùn)營(yíng)商可以選擇部署傳統(tǒng)的 RRH + BBU 架構(gòu)，利用具有豐富歷史知識(shí)和技術(shù)專(zhuān)長(zhǎng)的大型電信設(shè)備供應(yīng)商提供的成熟的端到端解決方案。運(yùn)營(yíng)商也可以過(guò)渡到成本更低的 O-RAN 部署模型，并利用來(lái)自各種供應(yīng)商的無(wú)線電、DU 和 CU 解決方案。無(wú)論如何，新的時(shí)間同步解決方案是可用的，它們符合標(biāo)準(zhǔn)并支持移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商正在考慮的各種不同部署場(chǎng)景。