5G網(wǎng)絡(luò)如不能保證基站間嚴(yán)格的時(shí)間同步將對(duì)大量的行業(yè)帶來(lái)影響

2019年被視為5G商用元年，5G網(wǎng)絡(luò)將直接影響5G商用進(jìn)程，隨著5G商用的加速，業(yè)界對(duì)5G承載的關(guān)注越來(lái)越高。為推動(dòng)我國(guó)5G承載關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展創(chuàng)新，全力支撐5G商用進(jìn)程，5月16日，由工業(yè)信息化部指導(dǎo)、中國(guó)通信協(xié)會(huì)主辦，受到中國(guó)信息通信研究院、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)鐵塔大力支持的2019世界電信和信息社會(huì)日大會(huì)“5G承載技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)研討會(huì)”在北京新世紀(jì)日航飯店召開。

中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院光傳輸與承載技術(shù)研究室主任張賀發(fā)表了《5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間和頻率同步》主題演講，從5G的頻率和時(shí)間同步的需求出發(fā)，尤其是時(shí)間同步的要求，進(jìn)行了解讀。主要從技術(shù)原理、目前實(shí)驗(yàn)室以及線網(wǎng)的試點(diǎn)應(yīng)用等方面，對(duì)5G的時(shí)間同步要求給出了一個(gè)整體的概念。同時(shí)試驗(yàn)驗(yàn)證證明目前階段1588V2和北斗都能達(dá)到跟GPS類似的同步性能的要求。而對(duì)于更高精度的時(shí)間要求，張賀提出應(yīng)該更關(guān)注新型技術(shù)，比如雙頻的接收和共視法提高更高精度的技術(shù)發(fā)展。

他表示，無(wú)線技術(shù)的發(fā)展對(duì)同步尤其是時(shí)間同步提出了更高的要求，5G網(wǎng)絡(luò)如不能保證基站間嚴(yán)格的時(shí)間同步，將對(duì)其所承載的大量的行業(yè)應(yīng)用帶來(lái)較大影響，降低用戶感知。

以下為演講全文

今天主要是基于這兩個(gè)考量：一是結(jié)合北斗的應(yīng)用情況，二是想把1588技術(shù)在應(yīng)用市場(chǎng)里推起來(lái)。主要講以下幾個(gè)方面，一是同步需求指標(biāo)要求及分析。相對(duì)于ITO，5G提出超高清以后，在標(biāo)準(zhǔn)層面也做了很多工作，我會(huì)把標(biāo)準(zhǔn)的更新做一個(gè)梳理。后面是我們做的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案、部署應(yīng)用，最后是總結(jié)。

這一張是基站指標(biāo)要求和分析的圖。左上角是頻率的要求。無(wú)論無(wú)線的哪種制式，2G、3G、4G、5G對(duì)頻率要求都是一樣的。目前做視頻這塊的技術(shù)保持頻率同步基本都沒(méi)有什么問(wèn)題，都是很簡(jiǎn)單的。關(guān)鍵是現(xiàn)在5G主要是對(duì)時(shí)間同步的要求比4G有所提升，主要是看時(shí)間同步這一塊。左下角的圖是有一個(gè)定義的，最下面端到端的TAE是定義空口的時(shí)間偏差的，是指兩個(gè)AU之間的時(shí)間偏差。但是這個(gè)時(shí)間偏差，因?yàn)楝F(xiàn)在沒(méi)有手段去測(cè)，因?yàn)樗强湛诘?，很難去測(cè)，測(cè)起來(lái)很困難，所以我們就把它折成基站自身輸出的UTC，測(cè)出它的絕對(duì)時(shí)間偏差叫TE，TE和TAE之間有一個(gè)換算。4G要求3微秒，3微妙相當(dāng)于UTC是正負(fù)1.5，一個(gè)向左偏，一個(gè)向右偏，最大的偏差不超過(guò)3微妙就行。知道TE和TAE的定義，再看右邊表格的要求。65NR是特殊的場(chǎng)景，我們分幾個(gè)點(diǎn)，把距離精確算好，補(bǔ)償算好，滿足自動(dòng)化機(jī)械的運(yùn)營(yíng)是沒(méi)有問(wèn)題的，和傳輸承載率不大。包括130在內(nèi)的連續(xù)窄波，影響也不大。我們最終考慮的就是260納秒的指標(biāo)需求和3微秒。在5G的初級(jí)階段，跟4G的要求是一樣的，也是3微秒，關(guān)鍵是260，260也是一個(gè)理論推算的結(jié)果。

表里有KZ1和KZ2，有一個(gè)190和200，190是華為提的頻率要求，指的是鏈路上兩個(gè)RE之間的UA段，等于給RE兩個(gè)各35。200是諾基亞提的，鏈路上是200，分給兩個(gè)UE、RE就是30。華為提出來(lái)在RE里會(huì)內(nèi)嵌1588，會(huì)等等復(fù)雜度，所以每一個(gè)是35。諾基亞是前面有一個(gè)承載末端，我不用再去做恢復(fù)的工作，減輕一點(diǎn)，所以30就行了。將來(lái)超高精度我們就考慮260，初期我們用3微秒就行。

剛才提到空口不太好測(cè)，下面有一個(gè)Calnex，他們有一個(gè)表，目前可以測(cè)3G和4G空口的時(shí)間偏差，這個(gè)表還在英國(guó)的工廠，沒(méi)有到國(guó)內(nèi)來(lái)。它現(xiàn)在還不太支持5G，還有待驗(yàn)證。以上說(shuō)的是指標(biāo)的分析。

第二，eCPRI接口的同步功能，有三個(gè)功能模塊分別控制管理面和同步面，是很重要的一塊。它雖然是一個(gè)邏輯的連接，但是對(duì)eCPRI來(lái)講，它是從CPRI發(fā)展過(guò)來(lái)，? 已經(jīng)考慮到了同步的傳遞。同步信息可以不采用eCPRI的專用協(xié)議傳送，eCPRI是自己的傳遞協(xié)議。中間是eCPRI和1588的關(guān)系，還有一個(gè)新的功能，eCPRI可以用1588里的報(bào)文來(lái)進(jìn)行單項(xiàng)測(cè)量。TCV1和TCV2是由廠家做的補(bǔ)償值，每個(gè)廠家處理的不一樣，由每個(gè)廠家給一個(gè)參考值作為補(bǔ)償值，通過(guò)公式計(jì)算就可以得到單項(xiàng)實(shí)延。

ITU對(duì)標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)更新完善，有幾個(gè)層面。首先是源頭層面，從時(shí)間源層面從TRT層面提高它的精度。我們現(xiàn)在布的核心網(wǎng)的時(shí)間服務(wù)器指標(biāo)都是正負(fù)100納秒的，現(xiàn)在到了40納秒。8272今年1月份已經(jīng)頒布了，從源上面就把精度提升了。PRTC與市場(chǎng)需求有關(guān)系，但是ePRTC利用起來(lái)有一定的困難。對(duì)于1588來(lái)講，使用模式就是OTBC和TC。5納秒是指將來(lái)在260納秒的時(shí)候，端到端的時(shí)候，20條給它5納秒，每一個(gè)中間承載網(wǎng)聯(lián)是5納秒。我們要通過(guò)儀表來(lái)觀測(cè)到原始的信號(hào)是什么樣。我們測(cè)的設(shè)備本身已經(jīng)經(jīng)過(guò)了濾波處理，雖然指標(biāo)原來(lái)是100、70，這些都是1000秒的測(cè)試指標(biāo)，但實(shí)際上設(shè)備廠商都做過(guò)濾波處理了。

另外一個(gè)改革是BC已經(jīng)增加了接口，從GE一直到100GE接口都已經(jīng)進(jìn)行了規(guī)范，而且2019年1月份已經(jīng)頒布了。200G和400G接口要求必須支持同步以太的功能。下一步在2019年9月或者明年初會(huì)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)限值的指標(biāo)要求。2兆的輸出接口，10兆也好，1秒鐘比特率能夠達(dá)到2兆，現(xiàn)在用1588報(bào)文去恢復(fù)，1秒鐘16個(gè)包，低速率包去恢復(fù)頻率肯定沒(méi)有物理層的高。2個(gè)同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備SSU1和2之間不能超過(guò)20個(gè)節(jié)點(diǎn)，跟原來(lái)SDH完全一模一樣，包括它的指標(biāo)要求都是4.6PPM。

1588技術(shù)原理都很清楚，以太網(wǎng)從10兆到100兆提升以后發(fā)現(xiàn)定時(shí)能力不足就做了NTP，我們電腦里的時(shí)間都是用NTP里取的。2008年做了點(diǎn)的版本，目前在推新的版本。從時(shí)間節(jié)點(diǎn)來(lái)看，無(wú)外乎就是衛(wèi)星錯(cuò)時(shí)，要么就是地面。中間是1588協(xié)議的原理。通過(guò)4個(gè)時(shí)間戳來(lái)算時(shí)間。打戳的精度對(duì)1588報(bào)文提升是很有效的。從右上角的圖可以看到有ABC三個(gè)點(diǎn)，這三個(gè)點(diǎn)都可以打時(shí)間戳，越靠近光纖出口打戳內(nèi)部的時(shí)間肯定會(huì)濾出掉了。

在一個(gè)很平穩(wěn)的桌子上去寫字，肯定怎么寫都會(huì)寫得很好，但是如果這個(gè)桌子在振動(dòng)、在晃動(dòng)，你想寫字很困難。這說(shuō)明物理層頻率對(duì)時(shí)間恢復(fù)有支撐作用，有很穩(wěn)定的頻率的時(shí)候，時(shí)間恢復(fù)會(huì)很好。右下角有一個(gè)示意圖，當(dāng)我的時(shí)間源消失了以后，沒(méi)了，我用不同等級(jí)的鐘去守這個(gè)時(shí)間，我的內(nèi)鐘的頻率越高、精度越高，撐的時(shí)間就越長(zhǎng)。還是表明物理層對(duì)時(shí)間恢復(fù)的支撐作用是很大的。

這是一個(gè)時(shí)間架構(gòu)。1588? 2002年就出來(lái)了，到現(xiàn)在已經(jīng)2019年了，時(shí)間很長(zhǎng)了，主要是基站要求時(shí)間同步，GPS可能有一定的風(fēng)險(xiǎn)，包括它的故障率，成本很高。所以才驅(qū)動(dòng)了1588用起來(lái)。用的時(shí)候它主要是在本地應(yīng)用，所以中國(guó)聯(lián)通沒(méi)有把它做三級(jí)架構(gòu)。右邊是中國(guó)聯(lián)通在重慶做的一個(gè)應(yīng)用的案例，經(jīng)過(guò)23跳，中間有OTN和IPRAN，前年測(cè)了一下，23跳基本上能夠達(dá)到300納秒以內(nèi)的精度。右下角測(cè)的是時(shí)間信號(hào)，下邊是頻率的信號(hào)，可以看到信號(hào)還是很穩(wěn)定的。用1588這種方式給4G、5G的初期基站1.5微秒，完全可以滿足。

這是本地網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和重慶的應(yīng)用案例的測(cè)試。

5G來(lái)了以后，也分了三種業(yè)務(wù)，一個(gè)是基本業(yè)務(wù)，就是剛才提到的三微秒那個(gè)需求。還有協(xié)同業(yè)務(wù)和新業(yè)務(wù)，需求有的會(huì)更高。中國(guó)聯(lián)通現(xiàn)在的方案應(yīng)該是屬于一種過(guò)渡的方案，因?yàn)樵?G時(shí)代的時(shí)候我們已經(jīng)把核心的時(shí)間服務(wù)器都買過(guò)了，4G的網(wǎng)絡(luò)還會(huì)在，通過(guò)核心接入逐條傳下去，滿足5G初期的1.5微秒還是沒(méi)有什么問(wèn)題的。未來(lái)如果有窄波聚合的需求，聚合不是主網(wǎng)的聚合，而是局部區(qū)域的，針對(duì)局部區(qū)域可以用小型時(shí)間服務(wù)器下沉，更接近于5G基站。下沉1跳、2跳就到了，這樣來(lái)提供精度?，F(xiàn)在新的雙頻接收技術(shù)，通過(guò)衛(wèi)星的兩個(gè)頻點(diǎn)去接收，這樣來(lái)算對(duì)流層更精確一些，恢復(fù)的時(shí)間更精準(zhǔn)一些。共視法目前有廠商在做設(shè)備，精度還是很高的，可以達(dá)到亞納秒級(jí)，但是應(yīng)用還有一些問(wèn)題。共視的儀表聽說(shuō)也有廠家剛剛推出來(lái)，會(huì)在這個(gè)月底的展會(huì)上展出。慢慢地也會(huì)走進(jìn)同步的前沿陣地。將來(lái)服務(wù)器達(dá)到30，中間5納秒，端到端260，去做一個(gè)統(tǒng)一的同步的傳遞。如果將來(lái)能做到單端到端，我們還是有機(jī)會(huì)去做的。但是現(xiàn)在4G還存在，所以下沉也是一種方式。

這是北斗，聯(lián)通在雄安發(fā)布了一個(gè)5G+北斗以及智研院成立的發(fā)布儀式。北斗也是國(guó)家戰(zhàn)略層面的東西 ，后續(xù)我們?cè)偃ヌ嵬降臅r(shí)候，提GNSS的時(shí)候，還是以提BTS為主。北斗三代發(fā)的衛(wèi)星數(shù)量基本覆蓋全球是沒(méi)有問(wèn)題的，后續(xù)我們想把北斗推起來(lái)，但是北斗基站的性能到底怎么樣，我們?nèi)ツ?月份在武漢也對(duì)華為的LTE的基站，跟蹤北斗的性能做了一個(gè)長(zhǎng)期的測(cè)試。右下角這個(gè)圖是先跟北斗，然后一個(gè)多小時(shí)之后切到GPS，從圖的效果一看大家也能清楚，藍(lán)的是頻率，10兆赫茲的，中間的是BTS，可以看到北斗的性能比GPS略微好一些。

左邊是LTE基站跟蹤北斗40小時(shí)，上面是GPS的，下面藍(lán)色是跟蹤北斗的，可以看到性能還是很穩(wěn)定的。右邊125小時(shí)全部跟蹤北斗。上面紅的是時(shí)間，下面10兆赫茲是頻率，也是比較穩(wěn)定的。從武漢4G基站跟北斗的測(cè)試來(lái)看不亞于GPS，甚至還優(yōu)于GPS，但是這還需要長(zhǎng)期考量，因?yàn)镚PS畢竟這么長(zhǎng)時(shí)間了。中國(guó)聯(lián)通后來(lái)一直在跟蹤基站的測(cè)試，但一直沒(méi)有取數(shù)據(jù)。

這個(gè)是5G的基站，雄安當(dāng)時(shí)布了一些5G的基站，中國(guó)聯(lián)通也是想配合5月10號(hào)的發(fā)布會(huì)，也做了一些華為的5G基站跟蹤北斗的測(cè)試情況。右下角上面是時(shí)間，下面是頻率，56個(gè)小時(shí)，可以看到也是很穩(wěn)定。時(shí)間信號(hào)基本上它的均值平均在負(fù)的100納秒左右。將來(lái)130的指標(biāo)也能滿足，但是單純的用于衛(wèi)星可能還會(huì)存在一些問(wèn)題。左下角是保持，把GPS和北斗全拔掉，用基站來(lái)保持，保持的時(shí)間大概5萬(wàn)秒。當(dāng)它保持的時(shí)候，只有6分鐘就會(huì)突破130納秒。到1微秒的時(shí)候，大概能夠維持14個(gè)小時(shí)左右。將來(lái)如果全靠衛(wèi)星的話，可能衛(wèi)星一天撐不了就會(huì)出問(wèn)題。CA用起來(lái)以后，6分鐘就保證不了精度要求了。

后來(lái)中國(guó)聯(lián)通掛了一個(gè)13天的，13天的時(shí)候，中間出現(xiàn)了一次跳變，跳變引起了3天的數(shù)據(jù)異常。我在下面的圖上畫了兩個(gè)紅圓圈，因?yàn)楸旧砘镜念l率變化了，由于頻率變化引起了時(shí)間信號(hào)輸出的變化。而且這個(gè)變化很大，基本上達(dá)到秒級(jí)了。后來(lái)我們又對(duì)基站的版本進(jìn)行了升級(jí)，升級(jí)以后把時(shí)鐘的輸入類型修改了，在29號(hào)下午4點(diǎn)左右又恢復(fù)了正常。這也能看到實(shí)際上頻率穩(wěn)不穩(wěn)，對(duì)時(shí)間的影響還是很大的。

這是5G跟1588，4個(gè)小時(shí)，跟1588的時(shí)候，平均值基本在負(fù)20度納秒左右，但是只測(cè)了4個(gè)小時(shí)，只是一跳。因?yàn)樾郯驳某休d網(wǎng)絡(luò)還不具備1588的功能，但是可以看到1588跟一跳的時(shí)候可以保證20納秒，時(shí)間信號(hào)蜂窩值在負(fù)140到負(fù)60區(qū)間。5G、北斗1588GPS性能還是可以符合指標(biāo)要求的，13天那個(gè)出現(xiàn)一個(gè)跳變，后來(lái)分析基站本身的內(nèi)振有問(wèn)題，要求廠家更換相應(yīng)的時(shí)鐘處理板卡。

隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，同步肯定是越來(lái)越重要的。從最初我們只是要求頻率同步，現(xiàn)在要求項(xiàng)目上更精準(zhǔn)，這是一個(gè)趨勢(shì)。如果不能保證這種嚴(yán)格的同步，可能會(huì)對(duì)行業(yè)應(yīng)用帶來(lái)很大的影響，因?yàn)楝F(xiàn)在還沒(méi)有真正去試，影響到底怎么樣還沒(méi)有數(shù)據(jù)，比如車聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛。單純依賴GPS存在潛在的政治安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)針對(duì)5G超高精度的時(shí)間同步需求，當(dāng)衛(wèi)星失效時(shí)，基站的守時(shí)性能并不樂(lè)觀，需考慮基于地面鏈路傳遞的1588V2技術(shù)，還有一些新的技術(shù)我們也要跟蹤。一個(gè)是北斗，另外一個(gè)是1588要真正用起來(lái)。擔(dān)心的是網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的時(shí)候不知道怎么定位，但目前來(lái)看基本上問(wèn)題不大，所以還得把這件事情推動(dòng)起來(lái)，用起來(lái)，以滿足將來(lái)5G的需求。