芯耀
825
5G 網(wǎng)絡(luò)依賴于數(shù)據(jù)包在回傳網(wǎng)絡(luò)和無線接口之間的高速傳輸。數(shù)據(jù)包必須經(jīng)過交換機(jī)、路由器和網(wǎng)絡(luò)處理單元。可靠的分組傳輸依賴于高度準(zhǔn)確的時(shí)間信號(hào)，這些信號(hào)能夠確保從端到端的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備保持精確同步。
在整個(gè) 5G 無線接入網(wǎng)（RAN）中，時(shí)鐘和振蕩器在各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間傳播時(shí)間信號(hào)。根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）關(guān)于構(gòu)建傳輸網(wǎng)絡(luò)的建議，時(shí)間信號(hào)在回傳網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)之間傳輸時(shí)，最大誤差只能維持在 ±1.5 微秒以內(nèi)。
如此小的誤差范圍對(duì)維持穩(wěn)定和準(zhǔn)確時(shí)間的系統(tǒng)和振蕩器提出了嚴(yán)格要求。在網(wǎng)絡(luò)的某些節(jié)點(diǎn)，這些組件的壓力變得尤為突出，因?yàn)榄h(huán)境因素會(huì)削弱頻率穩(wěn)定性。在某些情況下，時(shí)序組件的選擇還受到宿主設(shè)備物理屬性的限制。
本文為評(píng)估 5G RAN 時(shí)序組件提供了選擇合適標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)，尤其是在時(shí)序精度最有可能超出誤差預(yù)算的關(guān)鍵位置。
時(shí)序?qū)W(wǎng)絡(luò)性能的影響
5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是為滿足市場(chǎng)對(duì)更快的下載速度、更強(qiáng)的安全性、更多的數(shù)據(jù)帶寬以及連接更多設(shè)備（包括用戶終端和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)）的需求而開發(fā)的。隨著人工智能（AI）在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的應(yīng)用不斷增加，并且得到了多接入邊緣計(jì)算（MEC）的推動(dòng)，5G 網(wǎng)絡(luò)相比 4G 網(wǎng)絡(luò)能夠提供更低的延遲。
5G 的兩個(gè)重要特性源于使用更高頻率：毫米波（mmWave）頻段以及從頻分雙工（FDD）向時(shí)分雙工（TDD）信號(hào)調(diào)制的轉(zhuǎn)變。這兩種變化都縮小了用于同步 5G 有效載荷和網(wǎng)絡(luò)操作的時(shí)間信號(hào)所允許的誤差范圍；抖動(dòng)和頻率穩(wěn)定性的規(guī)格必須比 4G 時(shí)代設(shè)定得更為嚴(yán)格。
設(shè)備制造商和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)意識(shí)到時(shí)序組件在他們的世界中具有新的重要性：時(shí)序已成為支持 5G 網(wǎng)絡(luò)收入模式的新特性和能力的基礎(chǔ)推動(dòng)因素。
復(fù)雜架構(gòu)需要精確同步
如圖1所示，在從核心網(wǎng)到無線端的傳輸過程中，一個(gè)數(shù)據(jù)包會(huì)在5G無線接入網(wǎng)（RAN）中經(jīng)過多個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)經(jīng)過核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng)的路由，穿過交換機(jī)和路由器。中傳網(wǎng)和前傳網(wǎng)可以部署多接入邊緣計(jì)算（MEC）服務(wù)器，以在靠近終端用戶的位置提供云計(jì)算功能，如人工智能（AI）。這可以最小化延遲，加強(qiáng)安全性，并提升物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備的性能。
圖1. 5G無線接入網(wǎng)（RAN）中的設(shè)備將數(shù)據(jù)從無線單元或小型基站傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)。
采用開放無線接入網(wǎng)（Open RAN）技術(shù)的5G基站具有一個(gè)新架構(gòu)，由三個(gè)功能單元組成：中央單元（CU）、分布式單元（DU）和無線單元（RU）。中央單元（CU）主要實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧高層的非實(shí)時(shí)功能，并且可以連接到一個(gè)或多個(gè)分布式單元（DU）。分布式單元（DU）支持協(xié)議棧的低層功能，包括物理層的部分功能。無線單元（RU）包含硬件，用于將無線信號(hào)轉(zhuǎn)換為可在分組網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)字流。
5G技術(shù)的一個(gè)顯著創(chuàng)新是小型基站的廣泛部署，這些小型基站在網(wǎng)絡(luò)邊緣提供短距離、高帶寬的連接。小型基站可以是毫微微蜂窩（femtocell）、微微蜂窩（picocell）或微蜂窩（microcell），其覆蓋范圍分別為10米、200米或2000米。
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范時(shí)間
同步需要一個(gè)時(shí)間參考。在正常運(yùn)行中，該參考通常來自全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的無線電信號(hào)，該信號(hào)可追溯到政府實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行的超高精度原子鐘。這個(gè)主時(shí)間信號(hào)分布在全網(wǎng)，為同步提供了一個(gè)可靠的基準(zhǔn)。
用于在網(wǎng)絡(luò)中傳播的時(shí)間信號(hào)的同步方法由行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)通常應(yīng)用于設(shè)備，使其符合 3GPP 的 5G 規(guī)范：
總體端到端時(shí)間誤差必須小于 ±1.5 微秒。
基站無線接口的頻率誤差必須小于 ±50 ppb（十億分之五十）。
在支持回傳和中傳網(wǎng)絡(luò)中分組傳輸?shù)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/481744.html">以太網(wǎng)物理層，同步以太網(wǎng)（SyncE）按照 ITU-T G.8262 和 G.8262.1 規(guī)范提供頻率同步。
同步使 5G 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備能夠?yàn)閱蝹€(gè)數(shù)據(jù)包打上時(shí)間戳，并讓下游設(shè)備從這些時(shí)間戳中提取可靠的時(shí)間測(cè)量值。精確時(shí)間協(xié)議（PTP）為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的時(shí)間戳提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。
為了最小化時(shí)間誤差，SyncE 可用于在以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間同步頻率，并且與 PTP 結(jié)合使用，將網(wǎng)絡(luò)同步到 GNSS 時(shí)間信號(hào)。對(duì)于主流的 5G 無線接入網(wǎng)（RAN）系統(tǒng)，PTP 和 SyncE 的組合提供了實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的最準(zhǔn)確方法。例如，這種時(shí)間設(shè)置可以讓以 ITU-T D 類模式運(yùn)行的設(shè)備將時(shí)間誤差控制在 ±5 納秒以內(nèi)。
這些系統(tǒng)通常依賴于不間斷可用的 GNSS 信號(hào)來提供參考時(shí)間信號(hào)。不幸的是，中央單元（CU）或分布式單元（DU）并不總能獲得上游的 GNSS 時(shí)間信號(hào)。在這種情況下，它們必須依靠電信主時(shí)鐘（T-GM）內(nèi)的本地振蕩器來維持下游的時(shí)序，以確保精確時(shí)間協(xié)議（PTP）的正常運(yùn)行。
為什么時(shí)序組件很重要
當(dāng)同步以太網(wǎng)（SyncE）與參考時(shí)間信號(hào)同步時(shí)，時(shí)間信號(hào)會(huì)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都會(huì)從通過它的數(shù)據(jù)中恢復(fù)一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。它會(huì)清理恢復(fù)后的時(shí)鐘信號(hào)，然后使用這個(gè)干凈的時(shí)鐘信號(hào)將數(shù)據(jù)重新傳輸?shù)骄€路上。
這一操作沿著線路重復(fù)進(jìn)行，從直接從全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）時(shí)鐘獲取時(shí)間信號(hào)的地方，一直到網(wǎng)絡(luò)邊緣的下游。這種恢復(fù)、清理和重新傳輸?shù)倪^程確保了下游節(jié)點(diǎn)與上游節(jié)點(diǎn)的頻率同步。
這種頻率同步使用抖動(dòng)衰減器來清理恢復(fù)后的時(shí)鐘信號(hào)。它們采用帶寬在1毫赫茲到10赫茲之間的低帶寬相位鎖環(huán)（PLL）來過濾抖動(dòng)和漂移。
這種衰減器還受益于本地振蕩器，通過輸入監(jiān)控和無中斷切換提供冗余和容錯(cuò)功能。本地振蕩器的作用是在上游連接暫時(shí)丟失時(shí)，維持一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間信號(hào)一段時(shí)間。這種保持功能對(duì)于路由器、中央單元（CU）和分布式單元（DU）來說尤其重要，以保持下游網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。
對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)者來說，本地振蕩器的保持（holdover）規(guī)格或許是最重要的參數(shù)。它決定了在沒有更準(zhǔn)確的參考時(shí)鐘的情況下，下游網(wǎng)絡(luò)能夠繼續(xù)在其規(guī)定的時(shí)間誤差范圍內(nèi)運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)度。圖2通過展示一個(gè)本地時(shí)鐘與從GNSS時(shí)序派生的上游參考時(shí)鐘的同步（或校準(zhǔn)）來說明保持功能。當(dāng)這個(gè)參考時(shí)鐘丟失時(shí)，本地時(shí)鐘開始在頻率上漂移，并在保持時(shí)間τh時(shí)產(chǎn)生時(shí)間誤差E(τh)。
圖2. 在參考時(shí)序丟失的保持期間，本地時(shí)鐘可能會(huì)在頻率上漂移，從而失去時(shí)間精度。
理想的保持時(shí)間取決于應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)備的容錯(cuò)能力。通常，恒溫控制振蕩器（OCXO）可以提供 1 到 12 小時(shí)的保持時(shí)間，但這種類型的時(shí)鐘體積大、功耗高且發(fā)熱量大。對(duì)于可以容忍較短保持時(shí)間的系統(tǒng)，通常會(huì)使用溫度補(bǔ)償振蕩器（TCXO），其保持時(shí)間可以維持在 1 到 4 小時(shí)。
對(duì)于中央單元（CU）和分布式單元（DU），硬件本身的特性也帶來了限制。這些網(wǎng)絡(luò)元素正逐漸轉(zhuǎn)向使用現(xiàn)成的服務(wù)器，這些服務(wù)器通常嵌入了開放計(jì)算項(xiàng)目（Open Compute Project, OCP）NIC 3.0 基于 PCIe 的卡。這些低矮的卡對(duì)組件高度有限制，因此需要使用高度小于 7 毫米的薄型 OCXO 來提供保持功能。
環(huán)境因素
PTP 數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳播以同步各個(gè)節(jié)點(diǎn)。例如，它們可能通過 CU 或 DU 中的電信邊界時(shí)鐘，以及 RU 中的普通時(shí)鐘。
在每個(gè)節(jié)點(diǎn)，PTP 伺服通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包導(dǎo)出的時(shí)間來校準(zhǔn)本地振蕩器。由于熱漂移是本地振蕩器的主要誤差來源，選擇具有出色短期穩(wěn)定性的振蕩器至關(guān)重要。這一性能指標(biāo)與電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)者通常評(píng)估的指標(biāo)不同，后者通常是設(shè)備生命周期內(nèi)的頻率穩(wěn)定性。
本地振蕩器會(huì)定期被校準(zhǔn)，可能每秒一次甚至更頻繁，因此生命周期穩(wěn)定性變得無關(guān)緊要。設(shè)備設(shè)計(jì)者需要關(guān)注頻率隨溫度變化的斜率（df/dt）：在給定溫度上升的情況下，斜率越陡，引入到時(shí)序信號(hào)中的誤差越大。反過來講，具有低 df/dt 的振蕩器可以減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)間誤差，通過啟用更低的 PTP 伺服帶寬來過濾更多的數(shù)據(jù)包延遲變化（PDV）。
因此，溫度變化是基于服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)元素（如 DU 和 CU）中時(shí)序誤差的重要原因。環(huán)境因素也可能干擾網(wǎng)絡(luò)邊緣的時(shí)序操作。5G 網(wǎng)絡(luò)的密集化通過在新型地點(diǎn)安裝小型基站來實(shí)現(xiàn)，包括安裝在下水道蓋板下、建筑物側(cè)面、路燈桿上等。與服務(wù)器機(jī)房的恒溫環(huán)境不同，這些地點(diǎn)會(huì)暴露在極端的高溫和低溫環(huán)境中。大多數(shù)無線電臺(tái)采用對(duì)流冷卻，因此外部溫度會(huì)直接影響機(jī)箱內(nèi)的溫度。
這意味著無線電臺(tái)需要能夠抵抗溫度變化的本地振蕩器，因此需要具有低 df/dt。它們還必須能夠在單一設(shè)計(jì)中處理從 -20°C 到 105°C 的溫度范圍，以實(shí)現(xiàn)全球部署。
溫度并非唯一影響本地振蕩器的環(huán)境壓力因素：靠近鐵路或電車軌道以及繁忙公路的無線電臺(tái)可能會(huì)受到?jīng)_擊和振動(dòng)的影響，而安裝在暴露位置（例如路燈桿上）的無線電臺(tái)可能會(huì)受到暴風(fēng)雨的搖晃。抗沖擊和抗振動(dòng)能力是評(píng)估 5G 無線電臺(tái)振蕩器的另一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。
高性能時(shí)序：5G 價(jià)值的關(guān)鍵
5G 網(wǎng)絡(luò)相比 4G 在吞吐量、延遲和連接性方面實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。CU 和 DU 服務(wù)器中的高速數(shù)據(jù)接口以及路由器中的交換芯片接口使得這種卓越的性能成為可能。這些接口都需要低抖動(dòng)時(shí)鐘或振蕩器，這些時(shí)鐘或振蕩器能夠高度抵抗電源噪聲。
在網(wǎng)絡(luò)邊緣，時(shí)鐘需要在溫度變化下提供高短期頻率穩(wěn)定性，并能夠承受沖擊和振動(dòng)。5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)者將從仔細(xì)研究時(shí)序組件的數(shù)據(jù)手冊(cè)中獲益，特別是那些強(qiáng)調(diào)低相位抖動(dòng)、能夠抑制電源噪聲引起的抖動(dòng)、保持時(shí)間、低 df/dt 以及出色的抗沖擊和抗振動(dòng)能力的重要性。
