利用现有5G传送网进行1588v2同步改造

朱晓峰

中国联合网络通信有限公司江苏省分公司

0 引言

5G牌照发放后，各运营商正在如火如荼地开展5G建设。5G基站设备采用TDD（时分复用）技术，同步网作为基础支撑网络不可缺少。在5G网络建设初期，时钟与之前的无线网络一样通过基站获取GPS、北斗等卫星时钟作为时钟源，但5G新技术例如车辆无人驾驶等的应用推广需要更为精确的基站定位，这就对5G基站的时钟同步提出了更高的要求。

5G网络须对基站空口时间偏差进行严格限定，目的是避免上下行时隙干扰。为了提升覆盖效率和服务体验，MIMO（多输入多输出）、CA（载波聚合）、CoMP（协作多点传输）等协同增强技术在5G系统中得到更广泛地应用。上述协同技术可以显著增加无线带宽，但需要时间同步才能开通，所以5G的TDD基站或作为锚点的4GFDD基站都需要时间同步。3GPP目前研究的技术已经要求提供130 ns的精度。

和传统的3G、4G网络相比，5G网络作为一个新兴的网络可以提供更高速的移动业务覆盖，可以支持工业互联网、新兴物联网、车联网等多种垂直行业应用，这些行业应用都对5G网络同步精度提出更高的要求，比如高精基站定位服务要满足小于3 m的定位精度，基站间的空口信号同步偏差必须小于10 ns。

1 移动网同步现状及5G对同步的需求

1.1 同步概述

同步方式一般分为频率同步、相位同步和时间同步。同步方式是由系统的特性确定的，如SDH网络就是一个频率同步系统，要求不同网元之间的频率要同步起来，以保证SDH业务的正常传送；基于TDD技术的无线基站系统是一个时间同步系统，要求相邻基站之间的时间要同步起来，以保证空口正常工作。

1.2 移动网同步现状

长期以来，运营商主要利用基站设备自带卫星接收装置，通过馈线外接卫星天线的方式从卫星获取时钟源以满足系统的同步需求。在4G时代，使用TDD制式的运营商通过建设地面同步组网，作为无线基站同步的备用，或者用于解决如地铁、地下车库等卫星信号覆盖不到区域的基站同步；使用FDD制式的运营商由于设备对时间精度要求不高，甚至在有些区域直接用系统时钟而不采用外部时钟。目前5G网络宏站多数采用双星（GPS/北斗）的方式来解决同步问题，但很多室分站和少部分宏站在利用卫星进行同步时出现无法接入的情况。

1.3 卫星同步存在的问题

卫星授时同步存在安装要求高、成本高、故障率高等问题，同时存在远期的安全隐患。

（1）选址安装困难，特别是用于室内覆盖的基站，卫星接收天线有时无法安装；

（2）部分区域比如高速高铁的隧道、地铁等场景维护困难，一旦出现卫星授时故障时难以及时上站维护；

（3）基站设备外接天线需要增加馈线，根据增长情况需考虑加装信号放大器及加入馈电，增加了系统复杂度。

根据前述分析，5G系统既有微秒级基本业务同步要求，又有百纳秒级的协同增强技术同步要求；与此同时，5G新业务对同步也提出了更高精度的要求。由于部分基站利用卫星授时存在一定问题，所以在5G建设时，各运营商需采用一种高精度的同步地面传送时间的方案，由此基于1588v2的同步系统应运而生。

2 1588v2同步网方案及工程应用

2.1 1588v2同步传送方案

1588v2精确时间传送协议可以实现纳秒级时间同步的精度，与当前的卫星精度一致。在建设成本、维护难易和网络安全方面具有优势，符合网络转型趋势。

一个完整的1588v2同步无线网络由时钟源、传送网、无线基站组成，如图1所示。

图1 1588v2网络示意图

图中时钟源包含了卫星时间同步和1588v2功能的BITS，一般选择放置在网络的核心层，在网络规模比较大的情况下，可选择放置在汇聚层。和传统的时钟网一样，1588v2同步网络一般配置主从两个时钟源设备，通过设置不同的优先级来实现备份。

时钟的传送，目前利用的是现有的传送网，如SDH、OTN或分组设备组成的网络。和传送网一样，同步网也可分为核心、汇聚和接入三个层次，同步网络需要由网络成环来实现保护，在末端采用链状组网。

无线基站是同步网的网络末端节点。基站同步的问题直接影响到无线通信业务的同步质量。在关注无线掉话率、接通率、寻呼成功率等指标的同时，也需要关注基站的同步，使得良好的同步性能延伸到网络末端，从而改善网络整体运行质量。

从时间源经传送网到无线基站，若网络链路能够确保具有延时对称性，1588v2时间同步链路上的网元数量应不超过30个；若无法确认网络延时具有对称性、且不能逐点测量延时是否对称的情况下，时间同步链路上的网元数量最好不要超过20个。

2.2 光纤不对称情况的工程考虑

1588v2时间同步建立在主从时间之间的收发链路延时对称的基础上，如果主从时间之间的收发链路延时不对称将产生同步误差，其误差的大小为链路延时的二分之一。

计算光纤的传输延时，介质的折射率等于光在真空中的速度c跟光在介质中的传播速度v之比：n＝c/v，其中真空中光速为c=299,792,458 m/s，n代表光纤折射率。不同类型的光纤折射率不一样，一般采用经验值1.458进行推算，那么光在光纤中的传播速度为v＝c/n＝299,792,458/1.458=205,618,969 m/s，1m光纤的延时为1/v＝4.86 ns，也就是说1 m光纤的传输延时是5 ns，那么1 m的不对称将引入2.5 ns的时间同步误差，400 m的不对称将引入1 us的时间同步误差。

在实际工程中，很难将全网端到端的光纤不对称控制在400 m以内，对于基站要求小于1.5 us的同步来讲，显然是不能容忍1us误差的。因此，在1588v2同步网建设或改造时要充分考虑这个问题。目前主要有以下四种方案解决光纤不对称问题：

（1）仪表逐点测量法。用1588v2仪表逐点测量设备的时间同步精度，根据测量到的时间同步精度反推出光纤不对称后进行补偿；也可以采用OTDR测试仪直接测量每一对光纤的不对称再进行补偿。如果是现网改造，通过OTDR测试仪测量在用纤芯是需要中断业务且不能直观得到同步结果的，一般倾向直接采用1588v2仪表进行测量。

（2）单纤双向改造法。传送网设备采用单纤双向光模块进行改造，使得收发使用同一根纤芯，可以彻底解决双纤收发链路延时不对称的问题。在此方案中，由于收发波长不同引起的双向链路延时不对称一般比较小，且可以由设备自动计算和补偿。根据G.652的定义，可以计算出FE单纤双向引入的时间误差约为每公里1.06 ns，GE单纤双向引入的时间误差约为每公里0.544 ns，远远小于普通双纤1m2.5 ns的时间误差。采用单纤双向光模块后，无论是新建或是改造同步网均不存在光纤不对称的问题。

（3）直接开通法。经过在多个现网实际测试以及和多家运营商的交流发现，现网光纤尤其是传送网接入层面不对称的概率非常小，在1588v2的现网部署中可以直接忽略。

（4）二分定位法。大致思路为得知某路径上存在光纤不对称后，可选取该路径的中间节点继续进行测量（以N个节点的路径为例，选取第N/2个节点），分别测量该节点从主路径跟踪的时间与GPS的偏差以及从备路径跟踪的时间与GPS的偏差，以判断不对称的光纤出现在主路径还是备路径上，循环执行该操作直到找出光纤不对称的位置所在并进行补偿。（在排查光纤不对称情况时，也可先对上下行不同光缆或者租用光纤的节点重点排查。）

3 5G传送网1588v2规模改造方案

3.1 目前同步传送网的问题

在建设初期，有的5G传送网使用对原先的4G传送网扩容的方式进行5G回传的承载，有些虽然新建传送网给5G回传使用，但没有考虑同步建设1588v2同步网，5G基站的时钟仍采用诸如GPS、北斗等卫星时钟。

现有的传送网，如OTN和分组网，在建网时并没有考虑到需要传输1588v2的时钟，有些在设备主控、业务等相关板卡配置上可能不具备支持时钟传递的能力，有些在组网方式上或线路纤芯选用上也不能进行时钟传递。

随着5G建站规模的增加，5G行业应用的研发推广，5G无线网络对时钟精度的要求越来越高，在后期新建5G传送网时，运营商已经开始考虑同步时钟网的建设问题。但对于前期已经建成或依托已有网络进行5G传送网建设的场景，就需对现有传送网进行1588V2时间同步网的改造。

3.2 改造方案

基于上述时钟不对称的考虑，本文建议在传送网改造时一方面采用链路的单纤双向改造，另一方面对现在传送网的网络结构、使用的板卡类型进行更换等，以此将现有的传送网改造成能承载1588v2的时钟同步网，具体改造的方案如下：

（1）纯IPRAN/PTN承载的场景

此场景中原有分组网设备的核心环、汇聚环及接入环都是按双纤双向进行组环，未考虑利用传送网传送时钟，5G基站的时钟是从基站侧直接接入卫星信号。在此场景下实施1588V2同步网建设或改造时，时钟源直接从核心IPRAN/PTN引入，核心、汇聚层采用单纤双向改造，接入层进行直接开通，具体如图2所示。

核心、汇聚层单纤双向改造可分为两种方式：一是组网线路侧的光模块更换为单纤双向光模块；二是在核心、汇聚层设备上新增GE接口板，配置GE单纤双向光模块，通过GE光口组环，新建一个独立的时钟环网。

如采用第一种方式，鉴于目前的分组传送网都是基于10G及以上速率的组网，线路侧的光模块需要更换，投资比较大，且需中断现有光路，但不需要额外增加线路纤芯，施工较为方便。而第二种方式中，由于采用新增单纤双向GE光模块组时钟环，光模块投资较为节约，但需新增使用线路侧一根光纤，对于线路专业需要投入较多工作量。

图2 纯IPRAN/PTN承载场景

（2）IPRAN/PTNoverOTN的场景

此场景中，OTN设备的核心环、汇聚环都是按双纤双向进行组环，OSC信号也是按双纤双向进行传送。由于未考虑传送网传送时钟，5G基站的时钟引入在基站侧直接接入卫星信号。在此场景下实施1588V2同步网建设或改造时，时间源直接从核心OTN引入，核心、汇聚层采用OTN单纤双向，接入层进行直接开通，具体如图3所示。

图3 IPRAN/PTNoverOTN场景

OTN单纤双向改造可以分为两种方式：一是通过OTU带内进行时钟的传递，在OTN和分组设备对接的地方进行单纤双向改造，这种改造适用于OTN设备和分组设备之间距离比较长的情况；二是对OTU带外OSC信号进行单纤双向的改造，OTN与分组设备采用时钟板对接传递，OTN内部通过OSC传递时间。

以华为公司OTN设备为例来说明这两种方式的优缺点。第一种方式中，与分组设备对接的OTN上的波道，其线路侧的OTU要支持时钟传递。在很多已经建成的OTN网络中，很少使用支持时钟传递的OTU线路侧板卡，所以在对现网OTN设备进行1588V2改造时，涉及到时钟传输的OTU板块都需要调整为支持时钟传递的OTU单板，改造费用及改造的工作量非常大。而该方式的优点在于OTN和分组对接时不需要做额外时钟对接，直接使用带内信号，适用于OTN设备和分组设备之间距离比较长的情况；如果现网已经是支持时钟传递的OTN单板时，改造较为方便，只需要在核心汇聚层接入时钟源就可以完成。

第二种方式需将OTN的FIU板卡更换为SFIU板卡，其作用是将ST2板产生的OSC信号选择OTN设备群路的收纤或发纤的其中一根进行传输，实现时钟在实际传输上为单纤双向。这种改造方式费用较低，比较容易实现。但由于OTN与分组设备采用时钟板对接传递距离受限，若上述两个设备不在同一机房时实现较为困难。

（3）IPRAN/PTNoverOTN，一对波分下挂多个IPRAN/PTN环的场景

这种场景下的建设或改造可分为两种方式：

一是按IPRAN/PTNoverOTN场景进行，通过带外OSC传递时钟信号后，在OTN设备和分组汇聚设备间通过时钟板对接传递时钟，同时对分组设备不同汇聚环按IPRAN/PTN承载的场景二叠加一个单纤双向跨平面的GE环作为传递时钟使用，将汇聚环按纯IPRAN/PTN承载的场景做单纤双向改造，具体如图4所示。

图4 IPRAN/PTNoverOTN时一对波分下挂多个IPRAN/PTN环场景

二是对于一对波分下挂多个IPRAN/PTN环与IPRAN/PTN环不穿越OTN的混合组网时，将分组网的核心汇聚设备（图4中绿色框里的设备）通过GE光口新组一个跨平面的单纤双向同步时钟环网，同时通过纯IPRAN/PTN承载方式对不穿越OTN的核心环做单纤双向改造及对穿越OTN的汇聚环做单纤双向改造，在不穿越OTN核心层设备通过时钟板接入时钟信号，汇聚如图5所示。

图5 一对波分下挂多个IPRAN/PTN与IPRAN/PTN不穿越OTN混合场景

4 结束语

本文旨在为5G网络提供安全有效的时钟同步网建设思路，提出了多种利用现有IPRAN及OTN组网建设5G传送网的1588v2时钟建设改造方案。同时也为后续在5G传送网的建设、同步考虑1588v2网络建设提供了可行的建议，有利于提前进行1588v2同步网络布局，从而减少后期改造的工作量。在实际工作中，可综合分析网络情况、工程难易程度、投资大小等方面，进行1588v2时钟方案的选取。此外，在建设1588v2同步网时还应考虑1588v2特性规划检查、1588v2特性配置检查、时钟保护倒换功能验收和性能验收工作等因素。