圖A. 這張圖顯示了集成到BBU中的GPS授時(shí)接收機(jī),它是DRAN架構(gòu)中的分布式GPS授時(shí)架構(gòu)的一個(gè)示例授時(shí)通過CPRI鏈路從BBU傳送到無線電。
5G中分布式基帶單元功能的授時(shí)影響
發(fā)布時(shí)間:2020-12-10 來源:作者:Microchip資深技術(shù)顧問Jim Olsen 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】自無線通信技術(shù)投入使用以來,網(wǎng)絡(luò)授時(shí)一直是為無線服務(wù)提供支持的關(guān)鍵組成部分。授時(shí)要求通常被稱為“絕對”測量,這意味著授時(shí)必須可追溯到已知的源。對于相位/時(shí)間應(yīng)用,這種可追溯源通常是衛(wèi)星星座。全球定位系統(tǒng)(GPS)首次將衛(wèi)星星座用于時(shí)間。
自無線通信技術(shù)投入使用以來,網(wǎng)絡(luò)授時(shí)一直是為無線服務(wù)提供支持的關(guān)鍵組成部分。授時(shí)要求通常被稱為“絕對”測量,這意味著授時(shí)必須可追溯到已知的源。對于相位/時(shí)間應(yīng)用,這種可追溯源通常是衛(wèi)星星座。全球定位系統(tǒng)(GPS)首次將衛(wèi)星星座用于時(shí)間。GPS主要為導(dǎo)航設(shè)計(jì),旨在為GPS系統(tǒng)的用戶提供三維定位數(shù)據(jù),即經(jīng)度、緯度和高度。為了實(shí)現(xiàn)高水平的空間定位精度,必須將衛(wèi)星與極其精確的授時(shí)源同步,并且能夠再現(xiàn)該授時(shí)精度。
借助精心設(shè)計(jì)的GPS授時(shí)接收機(jī)技術(shù),GPS用戶可以從GPS衛(wèi)星上的同步原子鐘中恢復(fù)極其精確的授時(shí)。這種協(xié)調(diào)的授時(shí)允許相鄰的接收機(jī)與相同的時(shí)間參考對齊。GPS系統(tǒng)的天基原子鐘由美國海軍天文臺(tái)(USNO)同步。USNO與總部位于巴黎、負(fù)責(zé)全球范圍計(jì)時(shí)的國際標(biāo)準(zhǔn)組織國際計(jì)量局(BIPM)一起進(jìn)行連續(xù)的測量,以確保與世界其他地區(qū)協(xié)調(diào)一致的時(shí)間。這種協(xié)調(diào)的世界時(shí)間或“絕對”時(shí)間被稱為“協(xié)調(diào)世界時(shí)”,更常用的說法是UTC。由美國國防部開發(fā)和維護(hù)的GPS則是第一個(gè)部署的定位、導(dǎo)航和授時(shí)(PNT)衛(wèi)星星座,而現(xiàn)在全球范圍內(nèi)已部署了多個(gè)用于PNT的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)。其他GNSS系統(tǒng)的例子包括Galileo(歐盟)、Glonass(俄羅斯)、北斗(中國)、QZSS(日本)和IRNSS(印度)。
隨著無線技術(shù)從2G一路成功更新?lián)Q代到5G,網(wǎng)絡(luò)授時(shí)架構(gòu)一直在并行發(fā)展。2/3G分布式RAN使用了集成在宏蜂窩基站內(nèi)的GPS授時(shí)接收機(jī),5G網(wǎng)絡(luò)則正朝著更加集中和/或中心加權(quán)的模型發(fā)展,其中GPS是一種用于授時(shí)分配的基于網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘源。
授時(shí)架構(gòu)的發(fā)展分為三個(gè)不同的階段。在第1階段中,針對頻率網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了物理或數(shù)據(jù)包層級的授時(shí),GPS本地部署在用于TDD(相位)應(yīng)用的分布式RAN(DRAN)基站塔上。第2階段增加了更集中的GPS源,授時(shí)通過數(shù)據(jù)包傳送到基帶單元(BBU)的“池”。第1階段和第2階段都使用了從BBU到無線電的專用授時(shí)鏈路。第3階段將時(shí)序分組協(xié)議直接擴(kuò)展到無線電單元中,而不必依賴專用的授時(shí),同時(shí)減少了DRAN基站對GPS的需求。隨著在5G中引入開放式RAN概念,BBU功能將分類為CU(集中式)和DU(分布式),并將發(fā)展為虛擬化和基于服務(wù)器的功能,這些功能將不需要包含在授時(shí)路徑中。
有一個(gè)重要的技術(shù)考慮是,將分布式GPS授時(shí)架構(gòu)移植到基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)架構(gòu)(基于精確時(shí)間協(xié)議(PTP)——IEEE 1588通過以太網(wǎng)授時(shí)協(xié)議的電信版本)的推動(dòng)因素。前者完全依賴GNSS接收機(jī),而后者則引入了GNSS接收機(jī)和PTP最高級時(shí)鐘技術(shù)相結(jié)合的概念。在無線通信中,與授時(shí)有關(guān)的最普遍問題是同信道無線電干擾。當(dāng)GPS接收機(jī)正確追蹤衛(wèi)星時(shí),在蜂窩基站上部署GPS接收機(jī)允許進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅r(shí)隙傳輸分配,從而防止以相鄰或接近的頻率運(yùn)行的無線電相互干擾。在覆蓋范圍重疊的無線電集群中,如果GPS接收機(jī)發(fā)生故障或停止正確追蹤,則將導(dǎo)致連接到GPS接收機(jī)的無線電與相鄰的無線電互相干擾,因?yàn)槭跁r(shí)降級或積累了相位誤差。由于無線電使用低成本、低性能的振蕩器(無線電設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是通過使用規(guī)格較低的組件來降低成本),因此授時(shí)降級發(fā)生得非常迅速。
為了避免干擾問題,一旦授時(shí)開始降級,就需要立即停止使用無線電或關(guān)閉受授時(shí)降級影響的服務(wù)。為了減少這種類型的故障情形,可以部署基于網(wǎng)絡(luò)的PTP授時(shí)服務(wù),在此服務(wù)中,集群中的無線電與集成了GPS接收機(jī)的PTP最高級時(shí)鐘同步。如果PTP最高級時(shí)鐘中的GPS發(fā)生故障或出現(xiàn)追蹤問題,同步到最高級時(shí)鐘的無線電將相對于相鄰無線電保持相位對齊,并且不會(huì)出現(xiàn)干擾問題??梢栽赑TP最高級時(shí)鐘中部署高品質(zhì)振蕩器,以在較長時(shí)間內(nèi)保持與UTC的時(shí)間對齊,并且架構(gòu)中可以包含基于PTP的備用方案,以幫助在故障情形下維持UTC可追蹤時(shí)間。PTP最高級時(shí)鐘基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)服務(wù)方法非常靈活,且具有成本效益。它可在GPS故障情形中提供無線電集群相位對齊的額外好處,同時(shí)將GNSS部署到集中式存在點(diǎn),可在其中為衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)安全而良好的視距。
第1階段:分布式GPS,宏蜂窩基站中的集成GPS授時(shí)接收機(jī),適合CPRI授時(shí)應(yīng)用
在此應(yīng)用中,授時(shí)源是集成到BBU中的GPS接收機(jī),該接收機(jī)通常與無線電頭端(RH)位于同一蜂窩基站的底部。BBU從GPS接收機(jī)中恢復(fù)授時(shí),并使用公共無線電接口(CPRI)通過幾米長的光纖將其傳輸?shù)絉H,如下面的圖A所示。
圖A. 這張圖顯示了集成到BBU中的GPS授時(shí)接收機(jī),它是DRAN架構(gòu)中的分布式GPS授時(shí)架構(gòu)的一個(gè)示例授時(shí)通過CPRI鏈路從BBU傳送到無線電。
第2階段:GPS源基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)服務(wù),無線電集群聚集點(diǎn)中的PTP最高級時(shí)鐘,適合CPRI授時(shí)應(yīng)用
在此應(yīng)用中,BBU遠(yuǎn)離RH。BBU通常在被稱為集中式RAN(cRAN)的集線器位置(RH集群的聚集點(diǎn))處“匯集”。時(shí)間源可以是位于cRAN HUB的GPS接收機(jī),其中GPS信號從天線直接傳輸?shù)郊稍贐BU中的接收機(jī),或者,GPS接收機(jī)可以與PTP最高級時(shí)鐘結(jié)合,在這種情況下,PTP授時(shí)服務(wù)傳送給BBU中的PTP從站。一旦BBU從PTP流或GPS接收機(jī)中恢復(fù)了授時(shí),它就會(huì)通過CPRI鏈路將授時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程無線電頭端(RRH)。3G和4G服務(wù)架構(gòu)中的CPRI鏈路的距離限值約為17 KM。請參考下面的圖B。
圖B. 此圖描繪了PTP最高級PTP作為無線電集群的基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)源,它通過CPRI鏈路將時(shí)間從BBU中的PTP從站傳輸?shù)綗o線電集群
第3階段:GPS源基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)服務(wù),無線電集群聚集點(diǎn)中的PTP最高級時(shí)鐘,適合以太網(wǎng)授時(shí)應(yīng)用
與4G相比,5G將需要無線電密集化以及額外的低頻和高頻,這兩者都依賴更精心設(shè)計(jì)的授時(shí),以避免增加無線電之間的同信道干擾。同時(shí),BBU被分解為兩個(gè)組件功能,即分布式單元和集中式單元,在將基于CPRI的授時(shí)方式轉(zhuǎn)移到無線電內(nèi)的通過以太網(wǎng)的PTP方式后,它們都可以虛擬化。這將推動(dòng)授時(shí)架構(gòu)發(fā)生巨大變化:GPS將必須移動(dòng)到無線電集群的聚合點(diǎn),而PTP將在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中無處不在。這類架構(gòu)將需要在網(wǎng)絡(luò)中更深入地部署穩(wěn)健而彈性的GPS和更多PTP,以便為5G無線電單元(RU)提供授時(shí),并為GPS時(shí)鐘提供系統(tǒng)備份和保護(hù)。
毫無疑問,5G服務(wù)將越來越依賴對PTP的設(shè)計(jì),這樣才能確保在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中提供彈性和確定性的授時(shí)。隨著開放式RAN架構(gòu)不斷發(fā)展并被5G部署所采用,5G無線電中將不再使用PTP授時(shí)流,且不再要求DU成為5G無線電的最高級時(shí)鐘授時(shí)鏈的一部分。具體如下圖C所示。
圖C. 此圖描繪了一個(gè)PTP最高級時(shí)鐘,它使用PTP協(xié)議直接向5G無線電中的PTP從站傳輸時(shí)間
總結(jié)
5G引入了一些重大變化,這些變化幾乎涵蓋了移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的各個(gè)方面,包括所使用的RF頻率、無線電I/Q數(shù)據(jù)的傳輸、傳輸架構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)的同步方式。在3G和4G系統(tǒng)中對GPS的依賴正轉(zhuǎn)向PTP,其原因包括存在新的安全性和可靠性問題,需要在沒有衛(wèi)星系統(tǒng)視距的情況下極為嚴(yán)格保證的5G無線電授時(shí),以及運(yùn)營商傾向于保證關(guān)鍵授時(shí)服務(wù)的相位對齊和控制。
更具確定性和更嚴(yán)格的授時(shí)能夠?yàn)橛肋h(yuǎn)在線且無處不在的寬帶服務(wù)提供支持,而這將成為5G網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)志。
(來源:編譯自EDN, 作者:Jim Olsen,資深技術(shù)顧問,Microchip Technology Inc.)
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