5G同步分析及应对措施探讨＊

潘 峰 中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部工程师

缪新育 中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部工程师

李曙方 中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部工程师

陈 凯 中国信息通信研究院技术与标准研究所无线与移动研究部工程师

1 引言

无线通信系统对时间同步要求较高，在3G/4G时代，对时间同步的需求一般在3μs量级。随着5G系统的出现和应用，对时间同步提出了更高的要求，5G同步技术的研究也已成为业界焦点。然而，对于5G具体的同步需求，业界一直存在一些争议，有人认为5G时间同步精度要求与3G/4G是一个量级的，也有人认为5G时间同步要求会远高于3G/4G，达到100ns量级甚至更高。本文通过分析5G同步需求，提出5G同步应对措施，希望为5G同步需求争论及解决提供参考。

2 TDD制式无线系统时间同步需求

根据3GPP25836-410，对于TDD制式的无线移动通信系统（如TDDLTE），要求小区之间时间同步的主要原因是为了充分利用系统容量。有几个重要因素对系统容量有影响，主要包括：

（1）时隙间干扰：没有帧同步，可能存在从上行链路（Uplink，UL）时隙到下行链路（Downlink，DL）时隙的泄漏，由于用户单元（UserEquipment，UE）之间的潜在近距离和近距离效应，这对于UE尤其关键.

（2）相邻小区监测：在TDD模式下，要求在相邻小区的某些时隙的某些部分执行某些测量。在没有小区同步的情况下，UE在执行测量之前必须自身进行同步。

（3）小区切换：为了在小区接收端对齐所有来自UE的接收信号，TDD模式一般使用定时提前（Timing Advance，TA）技术。在切换之后，UE必须基于TA值尽可能平滑地在新的小区中开始进行传输。如果TDD小区之间彼此同步，则可以大大优化切换性能。

根据上述因素，可能存在时间误差对时隙间干扰的影响、时间误差对切换TA调整的影响以及小区TA调整对UE接收和跟踪性能的影响，基于这些影响因素，为了尽量减少对系统性能的影响，3GPP规定同步精度要求为3μs，该同步精度定义为具有重叠覆盖区域的任何一对小区之间的帧开始时间的最大偏差。

实际上，时间同步精度与保护周期（GP）、基站收发转换时间、UE收发转换时间、小区覆盖半径等多方面因素相关，在时间同步精度、基站收发转换时间、UE收发转换时间等确定的情况下，保护周期（GP）与小区覆盖半径有关，GP越大，覆盖距离也越大，但是由于GP是不传输数据的，GP越大，浪费的空口资源也就越多，因此，需要在GP与覆盖范围寻找一个平衡点。

3 5G同步需求分析

5G系统作为一种采用TDD制式的无线通信系统，其基本时间同步应至少满足第二节的要求。除此之外，还应特别关注5G系统广泛采用的网络增强协同技术以及其支撑的各种新业务对高精度时间同步的需求。

3.1 5G基本同步需求

根据第二节的描述，为了确定时间同步精度，需要考虑保护周期（GP）、基站同步误差、基站收发转换时间、UE收发转换时间、小区覆盖半径等多方面因素。上述因素之间需要满足下述约束关系：TSync＜（TGP-2×Tprop，BS1-BS2-TBSon-off-TBSoff-on）/2。其中，TSync是基站之间的同步偏差，TGP是保护间隔时间，Tprop，BS1-BS2是基站之间由距离引入的传输时延，TBSon-off是基站从“开”到“关”的转换延迟，TBSoff-on是基站从“关”到“开”的转换延迟。

保护间隔时间TGP与子载波间隔相关。作为5G系统采用的新一代无线系统的关键技术之一OFDM，相对于TD-LTE采用固定的OFDM参数配置（15kHz固定子载波间隔），5G系统引入了可扩展的OFDM间隔参数配置，即其子载波间隔可灵活扩展（15kHz、30kHz、60kHz或120kHz），从而实现支持更丰富的频谱带和部署方式。表1给出不同频段的子载波间隔配置以及相关的时间精度影响因素。相比于15kHz的子载波间隔，30kHz和60kHz子载波间隔的理论最大基站间距离大大缩小。对于低于6GHz的频段，为了与15kHz子载波间隔保持相同的最大基站间距离，3GPP对30kHz和60kHz子载波间隔，GP配置多个符号数，使TGP时间相同，从而基站之间的同步偏差TSync仍维持使用3μs，与4G系统保持一致；对于高于6GHz的频段，在TGP明显变小的情况下，通过增加基站设站数量、减小基站间距离的方式，使基站之间的同步偏差TSync仍为3μs。

3.2 5G协同业务同步需求

在5G系统中，多点协作CoMP（CoordinatedMultiple Points）、载波聚合CA（CarrierAggregation）等站间协同技术将会得到广泛应用。站间协同是指到同一个用户的数据可以通过不同基站的RRU收发，使用户可以在交叠覆盖区合并多个信号，从而有效提高业务增益、提升用户体验。多信号间的时延差须满足一定要求，否则无法合并，时延差主要由站间同步偏差和站间传播时延组成，可以推导出协同业务对站间同步的要求。根据3GPPTS36.922协议描述，空口协同要求为TD1（距离差导致的传输延时差）+TD2（多径传播导致的时延差）+TD3（同步定时偏差）=TotalTD≤CP。其中，TD1为空口到用户不同距离产生的时间差，TD2为多径传播导致的时延差，TD3为同步定时偏差，Total TD为用户接收到来自不同基站信号的时间总差。为了避免不同路径符号间的干扰，符号和符号之间通过CP（循环前缀）隔离，不同RRU到UE的信号延时差异要小于CP的长度。

表1 不同频段的子载波间隔配置及与相关精度影响因素关系

根据3GPP38104-f20，不同类型的增强协同技术同步要求如表2所示。

表2 5G不同类型的增强协同技术同步要求

不同协同技术发生的业务场景存在较大差异，表3分别给出5G协同业务未来可能存在的同步需求、部署场景分析以及5G同步应用场景说明。

综上，在5G无线增强及协同业务时间同步需求方面，MIMO、发射分集要求相对时间偏差为65ns，基本上发生在单个RRU内部，无需网同步；带内连续载波聚合（CA）要求相对时间偏差260ns，一般发生在单个RRU内部，无需网同步，可能发生在一个基站的不同RRU之间，需要前传解决相对同步问题；带间CA或带内非连续CA，要求相对时间偏差3μs，主要发生在一个基站的不同RRU之间，需要前传进行解决。

表3 5G同步应用场景说明

3.3 基站定位服务等新业务同步需求

5G网络在承载车联网、工业互联网等新型业务时，可能需要提供基于到达时间法（Time ofArrival，TOA）或到达时间差法（Time Difference of Arrival，TDOA）的基站定位业务。根据TOA或TDOA技术原理，时间同步精度与定位精度要求直接相关。例如，要满足3m的定位精度，要求基站间的空口信号同步误差为10ns；要满足米级的定位精度，要求基站间的空口信号同步误差为3ns。上述同步精度需要网同步实现，可结合其他相关定位技术。

4 5G同步应对措施

4.1 5G同步需要注意的若干问题

首先，5GNR基站在失步后会比TDDLTE更易受到干扰。一般来说，在实际进行网络部署时，对于小区覆盖半径、保护间隔GP的符号数量配置等，会留一定余量，这些余量体现在空口时间同步上，就是空口对定时失步的容忍能力。虽然5GNR和TDDLTE定的指标都是相同的（±1.5μs），但实际的偏差容忍值是不一样的，因为5GNR支持多个子载波的配置，子载波带宽越大，符号越短。对于不同子载波，5GNR的保护间隔一般小于TDD LTE，所以同步误差容限也是小于TDD LTE的。

其次，5GNR基站在失步后可能会引起更大的干扰放大比例。对于TDDLTE实际网络故障统计表明，在基站分布较密的城区，在基站由于卫星接收机故障引起的干扰放大比例一般在30左右，最大可达50个以上，而对于基站分布较少的郊区，干扰放大比例一般在10个左右甚至在个位数。相对于TDD LTE来说，5GNR基站部署密度要大得多，因此在5G网络环境下，5GNR基站在失步后可能会引起更大的干扰放大比例。

最后，单纯依赖卫星授时解决同步问题会带来较大的安全可靠性隐患。目前，在各运营商已经部署的3G和4G无线通信系统中，包括cdma2000、4GTDD、TDDLTE等，绝大部分在基站加装卫星接收机，而且主要以GPS为主，以满足其基站系统的同步需求。然而，目前在使用卫星授时时，不得不重视其安全风险问题。一方面，卫星定位系统的安全性始终是人们所关注的问题。GPS由于是受美国军方控制的非自主卫星定位系统，安全性无法保证，而即使采用自主的北斗卫星定位系统，也无法完全避免可能存在的干扰或攻击，事实上，GPS/北斗的干扰失效越来越多，包括邻近同频信号发射的无意识干扰，以及非法逃避监控、实验性信号屏蔽等人为干扰；另一方面，由于一般都在户外安装，卫星定位系统的授时应用性能易受环境因素影响，而且相关设备故障率较高。因此，有必要研究高精度时间同步地面组网，实现天地互备，提升5G同步的可靠性和安全性。

4.2 5G同步应对思路

进行高精度时间同步地面组网，满足5G同步需求，主要需要解决两个方面问题，一是高精度同步关键技术突破，另一个就是高精度同步组网架构和组网策略。

在高精度同步关键技术方面，为了实现端到端高精度同步，需要解决若干关键技术，包括高精度源头技术、高精度承载技术、高精度接口技术等。在高精度源头技术方面，最重要的是要实现高精度源头设备。目前时间源头设备一般配置有卫星接收机，其时间输出精度主要取决于卫星接收系统、本地钟源、锁相环和分发接口等多个要素，其中卫星接收部分对精度的影响最大，所以关键问题是利用双频、共视等方法提升卫星接收精度，使用双频信号降低大气层的误差，通过时钟算法优化改进信号输出等；对于高精度承载技术，最主要的目的是要提高每个承载设备节点时间处理精度，采用高精度打戳技术、高精度采样技术和高精度内部分发技术，尽量降低单个节点引入的固定误差（cTE）和动态误差（dTE）；对于高精度接口技术，要求尽量采用高精度时间接口进行信号的发送和接收，比如不建议采用时间误差不确定性较大的1PPS+ToDRS422接口，而是采用1PPSTTL接口进行时间的测量，采用高精度PTP以太网接口进行时间信号的局间和局内互联。

在高精度同步组网架构和组网策略方面，原则上根据5G承载网络的发展策略来确定高精度同步网的组网架构和组网策略。对于利用现有承载网络进行5G部署的，可以考虑利旧现有1.5μs同步网开通5G基本业务，若要支持时间同步要求更高的协同业务，可考虑在局部区域下沉部署小型化高精度同步设备，通过跳数控制满足协同业务的高精度同步需求；对于采用新建承载网络进行5G部署的，可以考虑按照端到端300ns量级一次到位进行高精度时间同步地面组网。在实际组网时，一方面，要尽量遵循扁平化思路，将时间源头做一定程度的下沉（比如设置在DU和CU交汇点），以降低定时链路长度，实现端到端性能控制，另一方面，要尽量采用能够有效减少时间误差的链路或接口技术，比如采用单纤双向技术进行同步信号的传送，采用高精度PTP以太网技术进行同步信号的局间和局内互联等。

5 结束语

在基本同步需求方面，5GNR与TDDLTE保持一致，即基站空口间3μs的时间同步误差，主要是为了避免时隙干扰，实现小区平滑切换。除了基本同步需求外，由于5GNR将会广泛应用CoMP、MIMO、CA等增强技术，根据不同场景，相应的同步需求包括65ns/130ns/260ns/3μs等级别，其中，绝大多数百纳秒量级的时间同步要求发生在同一个RRU内的2个载波，无需网同步；少量百纳秒量级（主要是260ns）的时间同步要求发生在同一基站的不同RRU，需基于前传网通过高精度网同步实现。另外，当5G网络支撑车联网、工业互联网等新型业务应用时，可能需要10ns量级甚至更高的同步要求，以提供高精度的基站定位服务。在解决5G同步时，为了确保网络的安全可靠性，不建议完全依赖卫星授时提供同步，建议适时采用地面组网方式提供高精度地面服务，实现天地互备。实现100ns量级的高精度同步地面组网，涉及若干关键技术突破和组网架构创新，还需业界进一步深入研究和探讨。