利用現(xiàn)有5G傳送網(wǎng)進(jìn)行1588v2同步改造

朱曉峰

中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司江蘇省分公司

0 引言

5G牌照發(fā)放后，各運營商正在如火如荼地開展5G建設(shè)。5G基站設(shè)備采用TDD（時分復(fù)用）技術(shù)，同步網(wǎng)作為基礎(chǔ)支撐網(wǎng)絡(luò)不可缺少。在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，時鐘與之前的無線網(wǎng)絡(luò)一樣通過基站獲取GPS、北斗等衛(wèi)星時鐘作為時鐘源，但5G新技術(shù)例如車輛無人駕駛等的應(yīng)用推廣需要更為精確的基站定位，這就對5G基站的時鐘同步提出了更高的要求。

5G網(wǎng)絡(luò)須對基站空口時間偏差進(jìn)行嚴(yán)格限定，目的是避免上下行時隙干擾。為了提升覆蓋效率和服務(wù)體驗，MIMO（多輸入多輸出）、CA（載波聚合）、CoMP（協(xié)作多點傳輸）等協(xié)同增強技術(shù)在5G系統(tǒng)中得到更廣泛地應(yīng)用。上述協(xié)同技術(shù)可以顯著增加無線帶寬，但需要時間同步才能開通，所以5G的TDD基站或作為錨點的4GFDD基站都需要時間同步。3GPP目前研究的技術(shù)已經(jīng)要求提供130 ns的精度。

和傳統(tǒng)的3G、4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)作為一個新興的網(wǎng)絡(luò)可以提供更高速的移動業(yè)務(wù)覆蓋，可以支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、新興物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等多種垂直行業(yè)應(yīng)用，這些行業(yè)應(yīng)用都對5G網(wǎng)絡(luò)同步精度提出更高的要求，比如高精基站定位服務(wù)要滿足小于3 m的定位精度，基站間的空口信號同步偏差必須小于10 ns。

1 移動網(wǎng)同步現(xiàn)狀及5G對同步的需求

1.1 同步概述

同步方式一般分為頻率同步、相位同步和時間同步。同步方式是由系統(tǒng)的特性確定的，如SDH網(wǎng)絡(luò)就是一個頻率同步系統(tǒng)，要求不同網(wǎng)元之間的頻率要同步起來，以保證SDH業(yè)務(wù)的正常傳送；基于TDD技術(shù)的無線基站系統(tǒng)是一個時間同步系統(tǒng)，要求相鄰基站之間的時間要同步起來，以保證空口正常工作。

1.2 移動網(wǎng)同步現(xiàn)狀

長期以來，運營商主要利用基站設(shè)備自帶衛(wèi)星接收裝置，通過饋線外接衛(wèi)星天線的方式從衛(wèi)星獲取時鐘源以滿足系統(tǒng)的同步需求。在4G時代，使用TDD制式的運營商通過建設(shè)地面同步組網(wǎng)，作為無線基站同步的備用，或者用于解決如地鐵、地下車庫等衛(wèi)星信號覆蓋不到區(qū)域的基站同步；使用FDD制式的運營商由于設(shè)備對時間精度要求不高，甚至在有些區(qū)域直接用系統(tǒng)時鐘而不采用外部時鐘。目前5G網(wǎng)絡(luò)宏站多數(shù)采用雙星（GPS/北斗）的方式來解決同步問題，但很多室分站和少部分宏站在利用衛(wèi)星進(jìn)行同步時出現(xiàn)無法接入的情況。

1.3 衛(wèi)星同步存在的問題

衛(wèi)星授時同步存在安裝要求高、成本高、故障率高等問題，同時存在遠(yuǎn)期的安全隱患。

（1）選址安裝困難，特別是用于室內(nèi)覆蓋的基站，衛(wèi)星接收天線有時無法安裝；

（2）部分區(qū)域比如高速高鐵的隧道、地鐵等場景維護(hù)困難，一旦出現(xiàn)衛(wèi)星授時故障時難以及時上站維護(hù)；

（3）基站設(shè)備外接天線需要增加饋線，根據(jù)增長情況需考慮加裝信號放大器及加入饋電，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。

根據(jù)前述分析，5G系統(tǒng)既有微秒級基本業(yè)務(wù)同步要求，又有百納秒級的協(xié)同增強技術(shù)同步要求；與此同時，5G新業(yè)務(wù)對同步也提出了更高精度的要求。由于部分基站利用衛(wèi)星授時存在一定問題，所以在5G建設(shè)時，各運營商需采用一種高精度的同步地面?zhèn)魉蜁r間的方案，由此基于1588v2的同步系統(tǒng)應(yīng)運而生。

2 1588v2同步網(wǎng)方案及工程應(yīng)用

2.1 1588v2同步傳送方案

1588v2精確時間傳送協(xié)議可以實現(xiàn)納秒級時間同步的精度，與當(dāng)前的衛(wèi)星精度一致。在建設(shè)成本、維護(hù)難易和網(wǎng)絡(luò)安全方面具有優(yōu)勢，符合網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型趨勢。

一個完整的1588v2同步無線網(wǎng)絡(luò)由時鐘源、傳送網(wǎng)、無線基站組成，如圖1所示。

圖1 1588v2網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖中時鐘源包含了衛(wèi)星時間同步和1588v2功能的BITS，一般選擇放置在網(wǎng)絡(luò)的核心層，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大的情況下，可選擇放置在匯聚層。和傳統(tǒng)的時鐘網(wǎng)一樣，1588v2同步網(wǎng)絡(luò)一般配置主從兩個時鐘源設(shè)備，通過設(shè)置不同的優(yōu)先級來實現(xiàn)備份。

時鐘的傳送，目前利用的是現(xiàn)有的傳送網(wǎng)，如SDH、OTN或分組設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)。和傳送網(wǎng)一樣，同步網(wǎng)也可分為核心、匯聚和接入三個層次，同步網(wǎng)絡(luò)需要由網(wǎng)絡(luò)成環(huán)來實現(xiàn)保護(hù)，在末端采用鏈狀組網(wǎng)。

無線基站是同步網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)末端節(jié)點。基站同步的問題直接影響到無線通信業(yè)務(wù)的同步質(zhì)量。在關(guān)注無線掉話率、接通率、尋呼成功率等指標(biāo)的同時，也需要關(guān)注基站的同步，使得良好的同步性能延伸到網(wǎng)絡(luò)末端，從而改善網(wǎng)絡(luò)整體運行質(zhì)量。

從時間源經(jīng)傳送網(wǎng)到無線基站，若網(wǎng)絡(luò)鏈路能夠確保具有延時對稱性，1588v2時間同步鏈路上的網(wǎng)元數(shù)量應(yīng)不超過30個；若無法確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)延時具有對稱性、且不能逐點測量延時是否對稱的情況下，時間同步鏈路上的網(wǎng)元數(shù)量最好不要超過20個。

2.2 光纖不對稱情況的工程考慮

1588v2時間同步建立在主從時間之間的收發(fā)鏈路延時對稱的基礎(chǔ)上，如果主從時間之間的收發(fā)鏈路延時不對稱將產(chǎn)生同步誤差，其誤差的大小為鏈路延時的二分之一。

計算光纖的傳輸延時，介質(zhì)的折射率等于光在真空中的速度c跟光在介質(zhì)中的傳播速度v之比：n＝c/v，其中真空中光速為c=299,792,458 m/s，n代表光纖折射率。不同類型的光纖折射率不一樣，一般采用經(jīng)驗值1.458進(jìn)行推算，那么光在光纖中的傳播速度為v＝c/n＝299,792,458/1.458=205,618,969 m/s，1m光纖的延時為1/v＝4.86 ns，也就是說1 m光纖的傳輸延時是5 ns，那么1 m的不對稱將引入2.5 ns的時間同步誤差，400 m的不對稱將引入1 us的時間同步誤差。

在實際工程中，很難將全網(wǎng)端到端的光纖不對稱控制在400 m以內(nèi)，對于基站要求小于1.5 us的同步來講，顯然是不能容忍1us誤差的。因此，在1588v2同步網(wǎng)建設(shè)或改造時要充分考慮這個問題。目前主要有以下四種方案解決光纖不對稱問題：

（1）儀表逐點測量法。用1588v2儀表逐點測量設(shè)備的時間同步精度，根據(jù)測量到的時間同步精度反推出光纖不對稱后進(jìn)行補償；也可以采用OTDR測試儀直接測量每一對光纖的不對稱再進(jìn)行補償。如果是現(xiàn)網(wǎng)改造，通過OTDR測試儀測量在用纖芯是需要中斷業(yè)務(wù)且不能直觀得到同步結(jié)果的，一般傾向直接采用1588v2儀表進(jìn)行測量。

（2）單纖雙向改造法。傳送網(wǎng)設(shè)備采用單纖雙向光模塊進(jìn)行改造，使得收發(fā)使用同一根纖芯，可以徹底解決雙纖收發(fā)鏈路延時不對稱的問題。在此方案中，由于收發(fā)波長不同引起的雙向鏈路延時不對稱一般比較小，且可以由設(shè)備自動計算和補償。根據(jù)G.652的定義，可以計算出FE單纖雙向引入的時間誤差約為每公里1.06 ns，GE單纖雙向引入的時間誤差約為每公里0.544 ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通雙纖1m2.5 ns的時間誤差。采用單纖雙向光模塊后，無論是新建或是改造同步網(wǎng)均不存在光纖不對稱的問題。

（3）直接開通法。經(jīng)過在多個現(xiàn)網(wǎng)實際測試以及和多家運營商的交流發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)網(wǎng)光纖尤其是傳送網(wǎng)接入層面不對稱的概率非常小，在1588v2的現(xiàn)網(wǎng)部署中可以直接忽略。

（4）二分定位法。大致思路為得知某路徑上存在光纖不對稱后，可選取該路徑的中間節(jié)點繼續(xù)進(jìn)行測量（以N個節(jié)點的路徑為例，選取第N/2個節(jié)點），分別測量該節(jié)點從主路徑跟蹤的時間與GPS的偏差以及從備路徑跟蹤的時間與GPS的偏差，以判斷不對稱的光纖出現(xiàn)在主路徑還是備路徑上，循環(huán)執(zhí)行該操作直到找出光纖不對稱的位置所在并進(jìn)行補償。（在排查光纖不對稱情況時，也可先對上下行不同光纜或者租用光纖的節(jié)點重點排查。）

3 5G傳送網(wǎng)1588v2規(guī)模改造方案

3.1 目前同步傳送網(wǎng)的問題

在建設(shè)初期，有的5G傳送網(wǎng)使用對原先的4G傳送網(wǎng)擴(kuò)容的方式進(jìn)行5G回傳的承載，有些雖然新建傳送網(wǎng)給5G回傳使用，但沒有考慮同步建設(shè)1588v2同步網(wǎng)，5G基站的時鐘仍采用諸如GPS、北斗等衛(wèi)星時鐘。

現(xiàn)有的傳送網(wǎng)，如OTN和分組網(wǎng)，在建網(wǎng)時并沒有考慮到需要傳輸1588v2的時鐘，有些在設(shè)備主控、業(yè)務(wù)等相關(guān)板卡配置上可能不具備支持時鐘傳遞的能力，有些在組網(wǎng)方式上或線路纖芯選用上也不能進(jìn)行時鐘傳遞。

隨著5G建站規(guī)模的增加，5G行業(yè)應(yīng)用的研發(fā)推廣，5G無線網(wǎng)絡(luò)對時鐘精度的要求越來越高，在后期新建5G傳送網(wǎng)時，運營商已經(jīng)開始考慮同步時鐘網(wǎng)的建設(shè)問題。但對于前期已經(jīng)建成或依托已有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行5G傳送網(wǎng)建設(shè)的場景，就需對現(xiàn)有傳送網(wǎng)進(jìn)行1588V2時間同步網(wǎng)的改造。

3.2 改造方案

基于上述時鐘不對稱的考慮，本文建議在傳送網(wǎng)改造時一方面采用鏈路的單纖雙向改造，另一方面對現(xiàn)在傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、使用的板卡類型進(jìn)行更換等，以此將現(xiàn)有的傳送網(wǎng)改造成能承載1588v2的時鐘同步網(wǎng)，具體改造的方案如下：

（1）純IPRAN/PTN承載的場景

此場景中原有分組網(wǎng)設(shè)備的核心環(huán)、匯聚環(huán)及接入環(huán)都是按雙纖雙向進(jìn)行組環(huán)，未考慮利用傳送網(wǎng)傳送時鐘，5G基站的時鐘是從基站側(cè)直接接入衛(wèi)星信號。在此場景下實施1588V2同步網(wǎng)建設(shè)或改造時，時鐘源直接從核心IPRAN/PTN引入，核心、匯聚層采用單纖雙向改造，接入層進(jìn)行直接開通，具體如圖2所示。

核心、匯聚層單纖雙向改造可分為兩種方式：一是組網(wǎng)線路側(cè)的光模塊更換為單纖雙向光模塊；二是在核心、匯聚層設(shè)備上新增GE接口板，配置GE單纖雙向光模塊，通過GE光口組環(huán)，新建一個獨立的時鐘環(huán)網(wǎng)。

如采用第一種方式，鑒于目前的分組傳送網(wǎng)都是基于10G及以上速率的組網(wǎng)，線路側(cè)的光模塊需要更換，投資比較大，且需中斷現(xiàn)有光路，但不需要額外增加線路纖芯，施工較為方便。而第二種方式中，由于采用新增單纖雙向GE光模塊組時鐘環(huán)，光模塊投資較為節(jié)約，但需新增使用線路側(cè)一根光纖，對于線路專業(yè)需要投入較多工作量。

圖2 純IPRAN/PTN承載場景

（2）IPRAN/PTNoverOTN的場景

此場景中，OTN設(shè)備的核心環(huán)、匯聚環(huán)都是按雙纖雙向進(jìn)行組環(huán)，OSC信號也是按雙纖雙向進(jìn)行傳送。由于未考慮傳送網(wǎng)傳送時鐘，5G基站的時鐘引入在基站側(cè)直接接入衛(wèi)星信號。在此場景下實施1588V2同步網(wǎng)建設(shè)或改造時，時間源直接從核心OTN引入，核心、匯聚層采用OTN單纖雙向，接入層進(jìn)行直接開通，具體如圖3所示。

圖3 IPRAN/PTNoverOTN場景

OTN單纖雙向改造可以分為兩種方式：一是通過OTU帶內(nèi)進(jìn)行時鐘的傳遞，在OTN和分組設(shè)備對接的地方進(jìn)行單纖雙向改造，這種改造適用于OTN設(shè)備和分組設(shè)備之間距離比較長的情況；二是對OTU帶外OSC信號進(jìn)行單纖雙向的改造，OTN與分組設(shè)備采用時鐘板對接傳遞，OTN內(nèi)部通過OSC傳遞時間。

以華為公司OTN設(shè)備為例來說明這兩種方式的優(yōu)缺點。第一種方式中，與分組設(shè)備對接的OTN上的波道，其線路側(cè)的OTU要支持時鐘傳遞。在很多已經(jīng)建成的OTN網(wǎng)絡(luò)中，很少使用支持時鐘傳遞的OTU線路側(cè)板卡，所以在對現(xiàn)網(wǎng)OTN設(shè)備進(jìn)行1588V2改造時，涉及到時鐘傳輸?shù)腛TU板塊都需要調(diào)整為支持時鐘傳遞的OTU單板，改造費用及改造的工作量非常大。而該方式的優(yōu)點在于OTN和分組對接時不需要做額外時鐘對接，直接使用帶內(nèi)信號，適用于OTN設(shè)備和分組設(shè)備之間距離比較長的情況；如果現(xiàn)網(wǎng)已經(jīng)是支持時鐘傳遞的OTN單板時，改造較為方便，只需要在核心匯聚層接入時鐘源就可以完成。

第二種方式需將OTN的FIU板卡更換為SFIU板卡，其作用是將ST2板產(chǎn)生的OSC信號選擇OTN設(shè)備群路的收纖或發(fā)纖的其中一根進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)時鐘在實際傳輸上為單纖雙向。這種改造方式費用較低，比較容易實現(xiàn)。但由于OTN與分組設(shè)備采用時鐘板對接傳遞距離受限，若上述兩個設(shè)備不在同一機房時實現(xiàn)較為困難。

（3）IPRAN/PTNoverOTN，一對波分下掛多個IPRAN/PTN環(huán)的場景

這種場景下的建設(shè)或改造可分為兩種方式：

一是按IPRAN/PTNoverOTN場景進(jìn)行，通過帶外OSC傳遞時鐘信號后，在OTN設(shè)備和分組匯聚設(shè)備間通過時鐘板對接傳遞時鐘，同時對分組設(shè)備不同匯聚環(huán)按IPRAN/PTN承載的場景二疊加一個單纖雙向跨平面的GE環(huán)作為傳遞時鐘使用，將匯聚環(huán)按純IPRAN/PTN承載的場景做單纖雙向改造，具體如圖4所示。

圖4 IPRAN/PTNoverOTN時一對波分下掛多個IPRAN/PTN環(huán)場景

二是對于一對波分下掛多個IPRAN/PTN環(huán)與IPRAN/PTN環(huán)不穿越OTN的混合組網(wǎng)時，將分組網(wǎng)的核心匯聚設(shè)備（圖4中綠色框里的設(shè)備）通過GE光口新組一個跨平面的單纖雙向同步時鐘環(huán)網(wǎng)，同時通過純IPRAN/PTN承載方式對不穿越OTN的核心環(huán)做單纖雙向改造及對穿越OTN的匯聚環(huán)做單纖雙向改造，在不穿越OTN核心層設(shè)備通過時鐘板接入時鐘信號，匯聚如圖5所示。

圖5 一對波分下掛多個IPRAN/PTN與IPRAN/PTN不穿越OTN混合場景

4 結(jié)束語

本文旨在為5G網(wǎng)絡(luò)提供安全有效的時鐘同步網(wǎng)建設(shè)思路，提出了多種利用現(xiàn)有IPRAN及OTN組網(wǎng)建設(shè)5G傳送網(wǎng)的1588v2時鐘建設(shè)改造方案。同時也為后續(xù)在5G傳送網(wǎng)的建設(shè)、同步考慮1588v2網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供了可行的建議，有利于提前進(jìn)行1588v2同步網(wǎng)絡(luò)布局，從而減少后期改造的工作量。在實際工作中，可綜合分析網(wǎng)絡(luò)情況、工程難易程度、投資大小等方面，進(jìn)行1588v2時鐘方案的選取。此外，在建設(shè)1588v2同步網(wǎng)時還應(yīng)考慮1588v2特性規(guī)劃檢查、1588v2特性配置檢查、時鐘保護(hù)倒換功能驗收和性能驗收工作等因素。