5G基站纳秒级时间同步技术研究

黄清红，许泽明，张旭峰

（广东精天防务科技有限公司，广东 佛山 528000）

5G技术是近年来新兴的通信技术，其与4G技术相比，具有更高的承载能力。而为了充分发挥5G技术的优势，设计人员通常加大基站密度，且这项技术的有效应用对于同步技术的要求也大为提升，以往的GPS同步存在着成本过高的局限性，其实际应用效果受到较大限制。为此，就需要对时间同步技术做进一步研究，以研发适用于5G基站的纳秒级时间同步技术，推动5G技术进一步发展[1]。

1 当前5G基站高精度时间同步 需求特点分析

纵观当前的5G通信网络，其通常基于GNSS授时接收设备，对网络中的各个5G基站进行授时，在此基础上也通常采用光纤设备进行延伸，以满足无线信号传输不畅节点的需要，其基本架构如图1所示。

基于图1中的这种架构，5G基站的时间同步精度能够达到100 ns左右的量级，已经能够基本满足5G通信的实际需要。但对于远距离的通信而言，因其地理环境等诸多客观因素的限制，当前的时间同步精度则难以满足实际需要，其主要瓶颈在于，基于GNSS的授时设备难以实现纳秒级时间同步要求，导致5G网络通信相关增量应用受到严重限制，因此如何突破这一技术瓶颈则是需要重点研究的一项内容[2]。

图1 当前5G通信时间同步功能架构

2 基于GNSS的5G纳秒级时间同步技术 方案设计

2.1 基站接收设备的定时解算模式选取

在GNSS模式下，其解算方式有两种，在传统基于用户位置未知的位置速度定时模式的基础上，新增了用户位置预先已知的固定点位置解算模式，在这两种解算方式下，分别有如下两个解算方程，对二者分别予以描述。

如采用公式（1）进行解算，其属于传统的PVT解算模式，由于接收机时差中含有伪距观测量，将导致接收机时差解算结果上的失真，同时卫星几何构型的因素也会对接收机时差造成影响，因此考虑采用第二个公式进行研究。由于每颗卫星设备均可解算出接收机时差数值，因此其产生的误差也相对独立，基本服从均值为0的正态分布，在此基础上，为进一步降低影响因素的作用，还可通过平均或加权平均的方式加以进行，理论上可将误差缩小至原来的1/N（N表示卫星数量），显然，其在精度上的优势明显高于PVT解算模式，本次研究也将采用此方法进行分析。

2.2 多星联合信号的处理

在实际工作中，由于各个卫星设备在信号功率、传输链路等多方面存在一定的差异，因此无法采用简单的算数平均方式进行信号处理，否则容易造成时间同步噪声的进一步增强。为克服上述局限性，研究人员引入多星联合信号处理算法做进一步的研究，其基本公式如下。

式中，N仍表示卫星总数； 表示第N颗卫星上解算出的接收机时差，在该时差数值中，涵盖了多项误差，如上文所提及的信号功率、传输链路等多方面的误差。

在此基础上，进一步考虑卫星仰角所带来的误差影响，根据以往的研究经验可知，误差与卫星仰角为非线性关系，在一定区间内，其随着卫星仰角的增大而大幅降低。据此，研究人员设置了两个临界值，分别为最低截止仰角和饱和截止仰角，当仰角低于最低临界值时，此区间为“截止区域”；仰角数值位于临界值之间时，称为“过渡区域”；当仰角数值高于临界值上限时，称之为“饱和区域”。在以上三个区域中，因“截止区域”的卫星设备时差过高，此部分数据不纳入解算环节，“过渡区域”的解算权值随高度角增高而增大，“饱和区域”解算环节的权值则设置为1。考虑到实际情况，本次两个临界值分别设置为15°和45°，据此得出误差的加权计算公式如下：

根据以上推导过程，最终确定基于GNSS的多星联合信号处理算法流程如下：①对基站信息进行初始化处理，确定基站的空间坐标数值；②接收机开始接收GNSS信号并对其进行解调，确定基站跟踪的卫星设备的仰角；③根据跟踪的卫星设备的参数信息，对时差进行初步计算；④应用多星联合信号处理算法，对初步计算结果进行修正；⑤根据修正结果对GNSS授时接收机时间进行修正，最终输出精度更高的定时信号。

基于以上算法流程，即可获取各个基站具有更高时间精度的信息，对这些信息进行解算后，区域内各站的高精度时间同步目标即可实现。从理论角度分析，这种算法模型能够将时间同步精度进一步提升至3 ns的级别，且在20 km范围内均具有较高的同步效果。

3 5G基站纳秒级时间同步系统方案设计

3.1 系统整体架构的设计

为确保纳秒级时间同步技术模式中的相关算法得到有效应用，研究人员对系统整体架构进行设计，其基本架构如图2所示。

图2 系统整体架构示意图

从图2中可知，系统整体采用分布式纯BC时钟模型，通过“带内”和“带外”两种方式实现时间同步，其中前者主要基于PTP报文实现，主控盘FPGA（即现场可编程门阵列）对报文中的时间戳信息进行提取，再将其交由BMU处理，处理完成后，FPGA接收各个信息传输端口的状态信息，并发送相应的报文。后者则在主控时间盘面板设置lpps+tod接口完成后，将lpps+tod信号经由FPGA进行处理，而后发送至时钟芯片中以实现预期功能。

另外，为实现超高精度时间同步的预期要求，本次选择Zarlink30773芯片，用以承担该系统时间同步的核心任务，该芯片在同步效果和同步精度上更具优势[3]。

3.2 时间同步功能模块设计

从上文中的系统整体架构可知，在该系统中，FlexE业务单盘在时间同步中承担着最为重要的职能，应当对此着重进行设计。FlexE业务单盘又可细分为多个组成部分，具体如下。

一是业务盘FPGA，主要承担着PTP报文发送和接收处理两方面的功能，其中，前者主要是根据系统发送的复帧号以及主控模块发送的lpps+tod实时时间信号进行计算，计算出报文发出的时间点后，对事件报文进行打发送时戳处理，并将处理完成后的报文发送给PTP适配模块；后者则主要从PTP适配模块接收PTP报文，根据系统发送的复帧号以及主控模块发送的lpps+tod实时时间信号进行计算，计算出报文接收的时间点后，对事件报文进行打接收时戳处理，处理完成后对报文的标准1588部分进行透传处理。根据理论分析，该模块的时间戳打戳频率为250 MHz，时间戳精度提升了4 ns，使得同步精度也得到相应提升。

二是业务盘PTP适配模块，此模块主要用于对PTP报文数据流进行处理，其基本处理流程分为如下几个步骤：①接收FlexE接口输出的信号，并在高电平状态下对信号进行缓存，得到一个参数Mfas_tx_current。②如上步得到的参数Mfas_tx_current为0或16，则对内存读取地址进行重置，并对内存状态进行检查；如内存状态为“写完成”，则进行PTP报文读取，否则将参数加16，得出下一帧PTP报文所发送的复帧号，并将结果传输给报文发送处理模块当中。③对输出的数据进行读取，直至数据长度达到读取长度后停止。

三是FlexE开销模块，其主要是针对开销帧进行处理，PTP报文经过此模块后，将变更为规格为66 bit的数据流，该数据流被插入到FlexE后，即可提取复帧号Fp_sys，并向PTP适配模块发送。

3.3 系统软件模块的整体设计

本次系统软件模块设计基于VxWorks操作系统进行，各个模块之间基于共享数据结构加以连接，其整体设计情况如图3所示。

图3 系统软件模块结构示意图

图3所有软件功能模块均在主控盘中运行，在软件模块的功能中，不包括PTP报文传输和时间戳信息生成功能，该功能由硬件模块予以完成。具体来看，软件功能模块具有较多的子模块，主要分为以下几个组成部分。

一是PTP协议栈模块，该模块又可细分为以下几个部分。①时间源信息维护子模块：从报文信息中提取时间源相关信息，并向BMC算法模块传输这些信息；②SSM信息维护子模块：主要提取时钟质量等级信息，并向BMC算法模块传输这些信息；③BMC算法子模块：其主要负责接收前两个子模块所传输的数据信息，而后基于BMC算法对其进行处理，处理后的结果输入下一模块；④偏差计算及调整子模块：针对BMC算法处理过的数据，调整其误差，确保其与源节点同步。

二是时钟模块，该模块的功能较为简单，主要用于接收SSM报文信息，并通过这些信息实现与SyncE模块的交互。

三是BMU模块，该模块又细分为以下几个组成部分。①配置功能子模块：对下发配置参数进行合法性检查，所有参数均符合要求后，将配置参数予以下发，否则发出警告信息；②状态子模块：实时传输BMU模块的功能；③告警子模块：主要用于获取警告信息并进行上报；④性能子模块：基于传感元件实时采集当前运行性能信息并进行上报。

四是F P G A驱动模块，该模块由P T P和1PPS+TOD两个报文收发模块所组成，其中前者主要控制FPGA完成接收和发送PTP报文的流程；后者则主要控制FPGA模块来完成1PPS+TOD信号的接收与发送，在该信号中，主要内容是时间信息部分。

4 结束语

整体来看，在本次研究中，基于GNSS信号传输模式以及基站对时间同步技术方面的高要求，对高精度GNSS时间同步接收的关键算法进行设计，以实现对时间信息的同步处理。在此基础上，研究人员为实现这些关键算法的有效应用，初步构建了5G基站纳秒级时间同步系统，融入相应算法，并对软硬件模块进行了初步设计。从理论角度来看，该系统有望进一步提升时间同步效果，当然在后续的工作中，尚需进一步的验证与优化。■