5G網絡C-RAN機房時鐘同步解決方案初探

宗春

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯通以及中國廣電發布了4張5G商用牌照。

“4G改變生活，5G改變社會”，全社會對5G充滿了期待，5G網絡可以滿足大帶寬（eMBB）、低功耗大連接（mMTC）、低時延高可靠（uRLLC）三大場景應用需求，將極大程度地滿足物聯網、AI（人工智能）、VR（虛擬現實）、車聯網（V2X）等前沿科技的實現。

5G相比4G網絡將提供20倍的小區容量、10倍的用戶體驗速率、10分之一的空口時延。具體來說，5G控制面時延要求為10ms，eMBB用戶面時延要求為4ms，uRLLC用戶面時延要求僅為0.5ms。高速率、低時延對5G網絡的同步提出了更精準更高效的要求。

C-RAN（Centralized、Collaborative、Cloud-Radio Acess Network，集中化、協作化、云化無線接入網）架構2009年第三代移動通信時就由中國移動提出來了，當時主要為滿足載波忙閑調度，提升網絡利用率，節能減排。到了5G（The Fifth Generation，第五代）網絡時代，C-RAN架構真正被應用，電源、傳輸等配套資源保障成為關注重點，同時，由于C-RAN機房物理位置的局限，5G基站系統時鐘同步部署的便捷性、可實現性也成為網絡建設中的一個瓶頸問題。

1 5G網絡架構

4G 網絡的基站分為基帶處理單元BBU （部署在機房內）、射頻處理單元RRU （上塔或天面安裝）、天線三部分。

5G 網絡的基站將BBU分離為實現PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數據匯聚協議）層及以上的無線協議功能的CU（基站集中單元）、實現PDCP 以下的無線協議功能的DU（基站分布單元），將RRU和天線合二為一組成AAU（基站射頻天線單元），形成了CU+DU+AAU 的全新無線網架構。CU和DU可以分離，實現對多個DU的集中化管理，降低成本；亦可以和DU 合設，實現協議棧全部功能，降低時延，滿足特殊場景需求。

5G承載網總體架構如圖1所示：

圖1 5G承載網總體架構

上圖中各元素含義如下：

gNB：5G基站；

5G CN：5G核心網；

MEC：移動邊緣計算；

CU：基站集中單元；

DU：基站分布單元；

AAU：基站射頻天線單元。

5G承載網由以下三部分構成：

（1）前傳（Fronthaul：AAU-DU）：傳遞無線側AAU和DU間的數據；

（2）中傳（Middlehaul：DU-CU）：傳遞無線側DU和CU間的數據；

（3）回傳（Backhaul：CU-核心網）：傳遞無線側CU和核心網網元間的數據。

為節省大量的基站機房電源、空調等配套成本，5G無線網絡將CU+DU資源集中化，中國移動提出了C-RAN解決方案，同時為后續滿足移動邊緣計算應用的需要奠定了基礎。

2 C-RAN機房

C-RAN契合了5G網絡CU+DU分級集中部署、AAU光纖拉遠接入的要求，該解決方案與接入網綜合業務區劃分、網格化劃分相結合，利舊部分匯聚機房和綜合接入機房，大量減少了無線機房的需求，既降低了無線基站建設難度，又節省了機房投資成本和維護成本，同時有利于提升無線載波利用率以及抗干擾能力。

D-RAN區域根據光纖資源、網絡安全、蓄電池備電時長、投資平衡等限制條件，城市各區域一般可按如下規模進行CU+DU集中，如表1所示。

表1 分場景C-RAN區域CU+DU規模表

考慮5G網絡建設初期CU+DU均為合設，如18個CU+DU集中于同一個C-RAN機房，根據常規方案需要18路時鐘同步信號。

C-RAN機房利舊的匯聚機房和綜合接入機房大多僅為傳輸專業使用，部分位于建筑物底層和中層，多個GPS/北斗天線安裝和饋線敷設難以實現。

3 5G網絡C-RAN機房時鐘解決方案

針對多個GPS/北斗天線安裝和饋線敷設困難的問題，結合理論研究和工程實踐，研究兩種5G網絡C-RAN機房時鐘解決方案，具體闡釋如下。

3.1 GPS/北斗天線信號分路時鐘同步方案

GPS/北斗天線以衛星星載原子鐘作為標準時間，無累積誤差，是首選的高精度對時設備。如表2所示。

表2 GPS/北斗天線基礎參數

C-RAN機房同時安裝兩個或多個GPS/北斗天線時，因饋線的雙重敷設、且兩個或多個GPS/北斗天線安裝時要保持2米以上的間距，綜合施工難度較單個GPS/北斗天線安裝和饋線敷設增加50%以上。

安裝1個GPS/北斗天線分成多路信號供多個CU+DU時鐘同步使用，主要考慮天線安裝位置是否符合要求、饋線敷設路由、饋線長度損耗、增加分路器之后的時鐘同步信號損耗等問題。

（1）天線安裝位置是否符合要求

安裝位置要求在天面塔桅、女兒墻或者走線架等較空曠位置；安裝位置要求位于避雷針頂點下傾45度保護范圍內；安裝位置要求上方90度范圍內無建筑物遮擋；安裝位置要求距離周圍尺寸大于20厘米的金屬物體的距離大于等于2米；兩個或多個GPS/北斗天線安裝時要保持 2米以上的間距，避免同時受到干擾。

（2）饋線敷設路由

GPS/北斗天線饋線室內沿平層走線架、槽道、弱電井敷設至天面，或穿越饋線窗后沿室外墻爬梯敷設至天面。當機房位于建筑物低層時，存在著饋線過長，敷設困難等問題。

（3）GPS/北斗天線接收信號傳播損耗計算

GPS/北斗天線接收的信號經過饋線和無源器件傳播損耗后，信號強度需要滿足基站時鐘同步的需求。

GPS/北斗天線接收信號傳播路徑如圖2所示：

圖2 GPS/北斗天線接收信號傳播路徑圖

信號經饋線和無源器件的損耗如表3所示。

表3 饋線和無源器件損耗表

基站時鐘信號功率PB=PR+PA-PL-PN

上述公式中：

PB：基站時鐘信號功率要求大于-135dBm。

PA：GPS/北斗天線增益，一般為5dBi。

PR：GPS/北斗天線接收的信號，根據GPS/北斗天線射頻靈敏度要求，一般可設為-127.6dBm。

PL：饋線傳輸損耗。

PN：無源器件傳輸損耗。

根據上述公式可知，GPS/北斗天線接收信號傳播路徑衰耗最大為12.4dB。進而可以計算出典型條件下的線纜附屬長度范圍。如表4所示。

表4 典型條件下的線纜附屬長度范圍表

從上表可知，在滿足安裝位置要求的情況下，GPS/北斗天線饋線應盡量短，以降低線纜對信號的衰減，在不使用分路器時，一般0～70米線長可以采用1/4饋線；70～110米線長需要更換1/2饋線；超過110米線長，可以更換衰耗更小的7/8饋線，線纜最長不超過200米；如果使用功分器，則饋線敷設距離相應縮短，或者增加放大器。

綜上GPS/北斗天線安裝使用注意事項，在滿足GPS/北斗天線接收信號傳播路徑衰耗最大的條件下，可以采用GPS/北斗天線信號分路時鐘同步方案，以分路器+放大器的方式滿足GPS/北斗信號分路的要求；也可以將無分路器、放大器組合封裝，定制時鐘同步多路分配系統，實現一路GPS/北斗天線信號輸入，多路GPS/北斗天線信號輸出，供多臺基站設備共享使用。

3.2 協議時鐘同步方案

因GPS/北斗天線信號分路時鐘同步方案受限于硬件安裝條件、饋線損耗等問題，可以研究通過協議時鐘同步方案。

以太網組網時，為解決各網絡設備之間時鐘同步能力不足的問題，開發了一種軟件方式的網絡時鐘同步協議（NTP）。該網絡時鐘同步協議的同步精度可以達到微秒級，但是無法滿足5G網路時鐘同步所需的精度要求。

為了解決上述問題，IEEE1588協議誕生了。IEEE1588協議指“網絡測量和控制系統的精密時鐘同步協議標準”，是提升網絡系統定時同步能力的規范，使通信網絡能夠具有嚴格的定時同步，也可以應用于工業自動化系統。IEEE1588協議通過軟件和硬件結合的方式將分級網絡設備的下級時鐘與上級網絡設備的主時鐘實現同步，提供同步建立時間小于10μs的應用。IEEE1588協議采用時間分布機制和時間調度概念，下級時鐘通過軟件調度與主時鐘保持同步，過程簡單可靠。IEEE1588協議現已發展到v2版本。

IEEE1588v2協議對IEEE1588協議進行了完善，提高了同步的精度；引入透明時鐘TC模式，包括E2E透明時鐘和P2P透明時鐘，計算中間網絡設備引入的駐留時間，從而實現下級時鐘和主時鐘的精確時間同步，并新增端口間延時測量機制等，通過非對稱校正減少了大型網絡拓撲中的積聚錯誤。

IEEE1588v2協議在時鐘的同步過程中，主時鐘周期性發布PTP時間同步協議及時間信息，下級時鐘端口接收主時鐘端口發來的時間戳信息，系統計算出下級時鐘和主時鐘之間線路時間延遲及時間差，并利用該時間差調整本地時間，使從下級設備時間保持與上級設備時間一致的頻率與相位。

3.3 時鐘同步方案對比

各類型時鐘同步方案對比如表5所示：

表5 各類型時鐘同步方案對比

從上表可知：GPS/北斗天線時間同步方案的時鐘同步信號依賴于衛星覆蓋，同步時間精度高，穩定可靠，但受限于安裝條件，線纜和無源器件衰耗等原因，部分C-RAN機房無法正常部署。

IEEE1588v2協議通過軟件和硬件結合的方式將分級網絡設備的下級時鐘與上級網絡設備的主時鐘實現同步，精度達到納秒（ns）級，綜合成本低，能適應不同的網絡部署環境，但網絡安全性和穩定性存在一定的隱患。

綜上，5G網絡C-RAN機房時鐘同步解決方案優選安裝GPS/北斗天線方案，若確實不滿足GPS/北斗天線安裝條件，則亦可采用IEEE1588v2協議方案。

4 工程案例

江蘇某地市溫馨花園機房原為傳輸節點機房，位于溫馨花園小區一層，建筑共6層。在5G網絡建設中被確定為C-RAN機房，需要集中周邊8個基站的基帶設備。機房平面布置圖如圖3所示。

圖3 溫馨花園機房平面布置圖

建設初期，經建設單位、設計方、施工方多方聯合查勘，研究網絡基站側同步時鐘解決方案，確定該站點GPS/北斗天線安裝到6層頂后線纜無法敷設，后經反復確認，并現場試驗測試，臨時將GPS/北斗天線安裝至二樓平臺，并做好防雷保護，但由于GPS/北斗天線上空有部分遮擋，為保證時鐘信號的穩定性，同步在核心層部署IEEE1588v2服務器（Server），后期將切換至IEEE1588v2協議時鐘同步方案。如圖5所示。

圖4 IEEE1588v2協議時鐘同步方案

5 結束語

由于網絡架構的調整，C-RAN機房在網絡中占據著至關重要的位置，高精度的時鐘同步對5G網絡的質量和健康運行起著極大的作用。本論文立足于5G網絡C-RAN機房建設部署現狀，研究網絡基站側同步時鐘解決方案，為后續5G網絡的大規模建設提供借鑒和指導。