高精度授時(shí)如何改變5G基礎(chǔ)設(shè)施游戲規(guī)則

作為連續(xù)4年被寫入中國政府工作報(bào)告、并領(lǐng)銜“新基建”的重要基礎(chǔ)科技，5G在擴(kuò)展連接、帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長、改善人們生活質(zhì)量以及加速相關(guān)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級等各個(gè)方面的重要性不言而喻。

根據(jù)IHS Markit獨(dú)立研究的《5G經(jīng)濟(jì)》報(bào)告2020年更新版，預(yù)計(jì)到2035年，5G將創(chuàng)造13.1萬億美元的全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出，全球5G資本支出和研發(fā)投入將增長10.8%，年均投入高達(dá)2650億美元。

工信部的最新數(shù)據(jù)顯示，截止2020年底，中國新增5G基站58萬個(gè)，推動(dòng)共建共享5G基站33萬個(gè)，年初制定的“所有地市均實(shí)現(xiàn)5G覆蓋”的目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

而全球5G連接數(shù)將在2023年突破10億，這比4G時(shí)代實(shí)現(xiàn)10億連接數(shù)的時(shí)間整整提前了2年?？梢钥闯觯M管全球經(jīng)濟(jì)受到疫情影響，但5G賦能的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的增長趨勢幾乎保持不變。

打造電子系統(tǒng)最精準(zhǔn)的心跳

解讀5G的角度很多，但今天我們想從被稱為“電子系統(tǒng)心跳”的時(shí)鐘談起。

“時(shí)鐘IC”是一個(gè)廣義上的術(shù)語，用于描述可在電子系統(tǒng)中生成、調(diào)制、操縱、分發(fā)或控制時(shí)序信號的集成電路。在目前最先進(jìn)的電子和通信系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，時(shí)鐘IC還必須能夠生成精確的時(shí)鐘脈沖，并持續(xù)可靠地分發(fā)該信號以供系統(tǒng)中的各種計(jì)時(shí)設(shè)備使用，以滿足多類型應(yīng)用對“高精度授時(shí)”的需要。

其實(shí)，我們所熟悉的4G/5G通信系統(tǒng)就是“高精度授時(shí)”的重要應(yīng)用場景之一。由于4G/5G網(wǎng)絡(luò)采用TDD時(shí)分復(fù)用模式，在大速率數(shù)據(jù)傳輸過程中，對時(shí)間同步精度要求極高，例如以TD-LTE為代表的TDD時(shí)分系統(tǒng)時(shí)間同步要求在±1.5 μs。如果通信設(shè)備之間時(shí)間不同步，就將影響基站切換和漫游等通信業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行。

●   5G之前的網(wǎng)絡(luò)是如何授時(shí)的？

無線通信網(wǎng)絡(luò)精確時(shí)間的主要來源一直是全球定位系統(tǒng)（GPS）和構(gòu)成全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的區(qū)域衛(wèi)星星座。其中，GPS是全球第一個(gè)部署的定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）的衛(wèi)星星座。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)。

目前，除GPS外，全球范圍內(nèi)還部署了多個(gè)用于授時(shí)的GNSS技術(shù)，包括Galileo（歐盟）和北斗（中國）等。以北斗為例，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間被稱作BDT，屬原子時(shí)，可以溯源到中國國家授時(shí)中心的協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC，與UTC的時(shí)差控制準(zhǔn)確度小于100 ns。

●   再強(qiáng)的GNSS，也有短板

雖然GNSS衛(wèi)星授時(shí)精度更高，覆蓋能力更強(qiáng)，但也面臨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)——如果由于干擾、欺騙、故障或其他事件導(dǎo)致GPS/GNSS無法使用，引發(fā)的服務(wù)中斷將對系統(tǒng)性能造成災(zāi)難性的影響。正如電網(wǎng)受到火災(zāi)/雪災(zāi)影響斷網(wǎng)一樣，5G網(wǎng)絡(luò)也很容易受到精確時(shí)間分配中斷的影響，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)中斷。

此外，從智能手機(jī)的高帶寬視頻傳輸，到自動(dòng)駕駛汽車、智能城市以及智能工廠的物聯(lián)網(wǎng)（IoT），5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶來的巨大容量和帶寬增長是此前無法想象的。這些新服務(wù)不但依賴于大量的傳感器、基站和其他設(shè)備的同步，還需要在長距離上傳遞非常精確的時(shí)間，導(dǎo)致5G網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)密度和依靠GPS/GNSS進(jìn)行授時(shí)的成本越來越高。

●   新型時(shí)間分配架構(gòu)

運(yùn)營商迫切需要可以更多地減少甚至消除對GPS/GNSS依賴的解決方案。那么，有沒有這樣一種新型的時(shí)間分配架構(gòu)，既能夠允許運(yùn)營商保護(hù)其移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)免受GNSS中斷的影響，并在長距離上分配精確時(shí)間以覆蓋全國，還能夠提供必要的性能以滿足5G需求的端到端預(yù)算？

答案是肯定的。

增強(qiáng)型PRTC（ePRTC）標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)對新型授時(shí)架構(gòu)挑戰(zhàn)的理想選擇。它是ITU-T（ITU電信標(biāo)準(zhǔn)化部門）為提高時(shí)間精度而定義的主參考時(shí)鐘（PRTC）的幾個(gè)版本之一。PRTC A類可以滿足相對于協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）的100 ns（納秒）精度要求；PRTC B類更精確，精度達(dá)40 ns；增強(qiáng)型PRTC具有符合ITU-T G.8272.1定義的30 ns最高精度。

ePRTC的獨(dú)特設(shè)計(jì)使其具有最大彈性，能夠使用銫鐘作為參考時(shí)鐘保持14天或更長時(shí)間，同時(shí)在整個(gè)長時(shí)間中斷期內(nèi)與UTC的最大偏差維持在100 ns，這將成為5G移動(dòng)運(yùn)營商部署ePRTC的關(guān)鍵優(yōu)勢。如果GPS關(guān)閉，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的服務(wù)交付都將保持無縫切換，從而確保所需時(shí)間來修復(fù)GPS中斷或在GPS長時(shí)間不可用的情況下保持運(yùn)行。

●   TimeProvider 4100

ePRTC解決方案的典型示例來自Microchip的TimeProvider 4100，它既可以配置為在授時(shí)鏈的源端具有PRTC-A和PRTC-B時(shí)間傳遞功能的ePRTC，也可以配置為光網(wǎng)絡(luò)路徑上的HP BC。此外，還可以根據(jù)應(yīng)用特定的要求配置這類產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)端到端授時(shí)，并在長距離上擁有達(dá)納秒級的精確時(shí)間傳遞能力。

TimeProvider 4100是一種采用IEEE1588協(xié)議的主時(shí)鐘，包括最新的ITU-T G.8275.1和G.8275.2 1588相位規(guī)范，同時(shí)也符合中國通信行業(yè)YD /T 2375-2019高精度時(shí)間同步技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。TimeProvider 4100支持用于PTP、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）、同步以太網(wǎng)（SyncE）和E1/T1的廣泛端口擴(kuò)展。2.1軟件版本在早期版本的基礎(chǔ)上增加了關(guān)鍵的軟件增強(qiáng)功能，提供一個(gè)虛擬的主參考時(shí)鐘（vPRTC）。虛擬PRTC能夠設(shè)計(jì)冗余的精確時(shí)間分布架構(gòu)，以在光纖網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行相位保護(hù)。

TimeProvider 4100 1GE/10GE擴(kuò)展模塊

Microchip的vPRTC多域架構(gòu)是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，可利用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)和專用lambda精確、安全地傳輸時(shí)間，避免高成本的暗光纖費(fèi)用使用，在地區(qū)和國家網(wǎng)絡(luò)上提供高性能、冗余、低于5納秒的精確時(shí)間分布。此外，2.1版本符合PRTC-B性能標(biāo)準(zhǔn)（根據(jù)ITU-T G.8272），支持單一形狀參數(shù)系統(tǒng)中的1G、10G、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）和精確時(shí)間協(xié)議（PTP），并引入了具有信息摘要（MD5）安全算法的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議守護(hù)進(jìn)程（NTPd）。

而Microchip在今年年初發(fā)布的2.2版TimeProviderò 4100主時(shí)鐘產(chǎn)品，更是在2.1版本的基礎(chǔ)上引入了創(chuàng)新的冗余架構(gòu)以提供全新的彈性水平，從而滿足5G網(wǎng)絡(luò)對冗余、彈性和安全的精確授時(shí)和同步解決方案的基本需求。

Microchip 2.2版TimeProviderò 4100主時(shí)鐘產(chǎn)品

結(jié)語：

時(shí)序可能是5G系統(tǒng)中最大的潛在故障點(diǎn)，并可能影響性能、可靠性和營收。

考慮到如何最大程度地減少使用GPS站點(diǎn)，同時(shí)保留極具彈性的精確時(shí)間架構(gòu)，以確保GNSS中斷期間客戶服務(wù)的連續(xù)性？使用5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)從源到端點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如何構(gòu)成，時(shí)間如何分配，以及這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以支持哪些同步功能？等問題正成為運(yùn)營商最大的關(guān)注點(diǎn)，作為一家能夠提供包括高性能時(shí)鐘同步、時(shí)鐘管理和多類型振蕩器在內(nèi)的整體系統(tǒng)解決方案的公司，Microchip正攜手生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴，共同打造“電子系統(tǒng)最精準(zhǔn)的心跳”。