5G 时间部署方案探讨

詹鹏飞，朱家胡

（中国移动通信集团广东有限公司中山分公司，广东 中山 528403）

0 引 言

根据国际电信联盟电信标准分局（Internatial Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector，ITU-T）的建议，5G 应用会朝3 个场景发展。首先是增强移动带宽（enhance Mobile Broadband，eMBB）业务，提供高速率、低时延数据连接，如超高清视频和虚拟现实业务应用；其次是高可靠低时延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，URRLC）业务，主要提供低时延、高可靠性连接，包括车联网、远程医疗等；最后是大规模物联网（Massive MachineType Communication，mMTC），主要用于满足大量低速率终端的连接，如智慧农业监测。5G 网络的技术指标在各维度上都有显著的提升，其中峰值带宽提升20 倍，用户体验速度提升10 倍，时延降低10 倍。新型的业务和技术指标要求电信运营商提供一张高质量、大带宽、高吞吐量的承载网。很多国内外的研究学者们开展了一系列关于5G 方案的研究，包括核心网的部署、前传承载网部署、毫米波部署、无线网络规划部署等，但是对于5G 网络时间同步解决方案的研究还较少[1-3]。

5G 网络的主流频段，无论是3.5G 的C 波段还是毫米波，都将采用时分双工（Time Division Duplexing，TDD）工作模式，需要进行时间同步。根据目前的研究，5G网络的基础业务对时间的精度要求和4G网络相同，需要±1.5 μs 的时间精度；而5G 无线技术中基站间的载波聚合协同，以及4G、5G 基站间的主从基站双连接协同等，需要±350 ns 的时间精度。可见，5G的协同业务的时间同步精度要求比4G 高[4-7]。

1 频率、相位和时间同步

1.1 频率同步

频率同步指不同的信号在相同的间隔内有相同的脉冲个数，但脉冲出现的顺序以及每个的脉冲的开始和结束时间不要求一致。频率同步示意图，如图1所示。

图1 频率同步示意图

1.2 相位同步

相位同步指两个信号除了具有相同的频率，同时每个脉冲的开始时间和结束时间也相同，但是没有要求每个脉沖出现的顺序一致。相位同步示意图，如图2 所示。

图2 相位同步示意图

1.3 时间同步

时间同步指两个信号具有相同的频率和相位，以及脉冲出现顺序也相同。如图3 所示，信号1 和信号2 都是按照脉冲1、2、3、4 顺序出现的，同时信号1 和信号2 的频率相同，信号1 的脉冲1、2、3、4 和信号2 的脉冲1、2、3、4 开始时间和结束时间完全相同。

图3 时间同步示意图

1.4 时钟网络同步方案

网际互连协议（Internet Protocol，IP）承载网络支持同步技术主要有同步以太网（Synchronous Ethernet，SyncE）、网络时间协议（Network Time Protocol，NTP）和精确时间同步协议（Precision Time Protocol，PTP）1588v2 技术。SyncE 同步以太网技术只支持频率同步，不支持时间同步，适用于只需要频率同步的无线系统网络。NTP 支持时间同步，但精度为毫秒级别，达不到无线系统的精度要求。PTP 1588v2 同时支持频率同步和时间同步，精度达到亚微秒级，能够满足各种无线网络的要求。不同技术时钟特性对比，如表1 所示。

表1 不同技术时钟特性对比

2 传统时间同步方案

传统2G 网络的时钟解决方案，如图4 所示。该方法通过随站部署全球定位系统（Global Positioning System，GPS）接收器的方式，使得每个基站直接从GPS 卫星接收时钟同步信号。时钟信号的传递无须经过有线承载网络。这种方案的部署存在5 点不足：（1）安装选址困难，尤其是室分站点的GPS 选址受阻大；（2）维护方面难，失效故障率高，时钟信号故障需要上站进行维护；（3）馈线敷设困难，尤其是室分站点的馈线敷设难度大；（4）成本高，因每个基站都需要配备GPS 接收器，其材料及施工成本高；（5）安全隐患性大，GPS 信号时钟源受制于国外，紧急情况下整个网络可能由于时钟信号被关闭而瘫痪。

图4 传统GPS 同步方案

1588v2 同步方案，如图5 所示。该方案时间源采用部署在核心层的后台智能传送服务（Background Intelligent Transfer Service，BITS），承载网逐级传递同步信息到每个站点。该方案存在的2 点不足：（1）承载网需整网开通，而当前使用的承载网收发路径并非理想对称，需进行测量补偿，故开通工作量较大；（2）时间信号传递路径长、损耗大，时钟信号不够精准。但是，该方案可通过适当优化同步网部署策略等，满足5G 网络的高精度时间同步需求。

图5 方案1588v2 同步方案概图

3 1588v2 原理及提升同步精度的方法

1588v2 是一种精确时间同步协议，通过通信网络主从设备间的消息传递，计算时间和频率偏移，将各网络节点上独立运行的时钟同步到相同的精度和准确度。1588v2 的主要特性：（1）高精度；（2）采用透明时钟防止级联拓扑中的误差累计；（3）采用时钟源优先级的设置和时钟质量的对比，起到故障容限的作用。

1588v2 通过3 个步骤实现各网络节点时间同步：步骤1，各网络节点通过最佳主时钟（Best Master Clock，BMC）算法建立时钟主从关系，选取每个节点的最优时钟和协商端口的状态等；步骤2，完成主节点和从节点的频率同步；步骤3，实现主节点和从节点的时间同步。

1588v2 应用场景下的承载网可以通过对部署策略等进行适当优化来提升时间同步精度，主要方案有3 个：（1）从时间源头上提升，升级高精度的时间源；（2）进行时间源下移，缩短传输路径；（3）增强承载设备的同步精度能力。提升高精度时间同步的方案，如图6 所示。

图6 提升高精度时间同步的方案

4 部署方案及对比分析

为方便5G 基站接入及节约建设成本，1588v2 时间承载网利用运营商当前的传输承载网，承载设备不做专门升级更换。根据1588v2 时间源和承载路径的不同，5G 基站可以采用5 种不同部署方案。

方案1：5G 基站通过单GPS 同步时间，无须接入1588v2。该方案需要逐站随站进行GPS 接收器部署。

方案2：5G 基站以GPS 为主用时间源，同时通过传输接入1588v2 作为备用时间。1588v2 时间源通过承载网核心层接入。本方案分2 个阶段实现：阶段1 基站随站部署GPS，实现快速接入5G 信号；阶段2 是在承载网条件成熟后，整网开通1588v2 时间同步网。

方案3：5G 基站传输接入1588v2 时间信号，在核心层部署单大楼综合定时系统（Building Integrated Timing System，BITS）时钟源，无备份时钟。本方案在承载网核心层接入1588v2 时钟源，时钟信号通过承载网逐级传递下发到基站，作为基站侧唯一的时钟源。

方案4：5G 基站传输接入1588v2 时间信号，在接入层部署BITS 时钟源，无备份时钟。汇聚接入边缘侧部署小容量的BITS 时钟源，通过承载网接入层的1588v2 传递同步信号下发到基站，作为基站侧的唯一的时钟源。

方案5：5G 基站传输接入主备1588v2 时间信号，分别在核心层和在接入层部署BITS 时钟源。本方案分2 个阶段实现：阶段1 在汇聚层边界快速部署小容量BITS，打通接入层1588v2 时钟链路，快速开通无线基站侧业务；阶段2 待承载网和核心侧BITS条件成熟后，整网开通1588v2。

从时间同步网的时间精度损耗、网络安全性及可靠性、部署周期、故障定位以及建设成本等多个维度对比5 种部署方案的优缺点，如表2 所示。

表2 5 种方案的对比

由表2 可知，这5 种方案均有各自的优势与不足，各地运营商在部署5G 时间时，需根据当前BITS、承载网及5G 建设进度要求等，选择合适的部署方案，灵活开展5G 时间的部署。

5 结 论

对于目前的承载时钟部署，为适应5G 业务需求，建议从3 方面考虑1588v2 同步网部署：第一，必要性方面，受限于GPS 方案中的安装选址难、对外安全等问题，建议分阶段逐步推进1588v2 的全网开展，同时使用5G 业务承载网建立时间同步网，有效降低GPS 接收器成本和运营成本；第二，灵活性方面，在地铁、隧道特殊场景下，GPS 馈线敷设困难，可通过1588v2 解决，而对于高精度时间同步要求的5G 协同业务场景，需建设高精度BITS 时钟源并进行下沉；第三，部署规划方面，为满足高精度时钟需要，可先针对处于下层的设备进行升级和BITS 部署，分阶段逐步开通解决，待条件成熟后，再往上层铺开升级和部署。