FDD-LTE 4G基站同步授時安全應(yīng)對策略研究與試驗(yàn)

［洪春金 許向東 黃毅華 盧洪濤］

1 引言

目前國際形勢復(fù)雜，中美關(guān)系緊張，并有愈演愈烈的趨勢。目前全球GPS 同步衛(wèi)星服務(wù)由美國運(yùn)營掌控，而目前中國絕大部分4G基站均采用美國GPS 作為授時同步源，若由于種種原因，美國切斷中國區(qū)域的GPS 同步授時服務(wù)，中國絕大部分4G基站將由于丟失同步源而全部癱瘓，4G 業(yè)務(wù)無法使用，對中國的影響極大，后果不堪設(shè)想。在中美關(guān)系每況愈下的情況下，提前考慮中國4G移動通信網(wǎng)絡(luò)的同步授時安全問題及相應(yīng)對應(yīng)策略，將是極其重要及必要的。

2 FDD-LTE 4G基站同步模式選擇

FDD-LTE 4G基站采用頻分雙工機(jī)制，4G基站小區(qū)間不需要嚴(yán)格時間同步，采用頻率同步方式即可滿足4G基站同步要求，因此在5G NR TDD基站建網(wǎng)前，F(xiàn)DDLTE 4G基站在不需要時間同步應(yīng)用場景（例如COMP 等）的情況下，可以選擇如“以太同步、GPS 頻率同步”等方式。5G NR TDD基站建網(wǎng)后，由于涉及4G/5G 互操作，F(xiàn)DDLTE 4G基站要求選擇時間同步，原因分析如下。

（1）4G-FDD基站采用頻率同步，5G-TDD基站采用時間同步

如圖1 所示，因4G基站與5G基站間時鐘同步模式差異，標(biāo)準(zhǔn)5G 終端在現(xiàn)網(wǎng)4G網(wǎng)絡(luò)配置的LTE GAP 測量周期內(nèi)(測量周期Measurement Gap Repetition Period=40 ms，測量間隔Measurement Gap Length=6 ms)大概率測不到NR 鄰區(qū)SSB 信號，從而導(dǎo)致4G基站到5G基站切換不成功，極大影響5G 終端在SA 組網(wǎng)架構(gòu)下的4G 到5G 切換功能。

圖1 4G-FDD 頻率同步5G-TDD 時間同步

（2）4G-FDD基站和5G-TDD基站均采用時間同步

如圖2 所示，在4G-FDD基站和5G-TDD基站均采用時間同步的情況下，假設(shè)4G基站幀頭與5G基站幀頭對齊（站間Time Alignment 校準(zhǔn)Error，TAE=0 ms），所以考慮到5G基站SSB Offset 設(shè)置下（通常為0，SSB在第0 個子幀），4G基站的MG offset 設(shè)置和MGL 測量間隙時長能夠滿足在MGL 時間段內(nèi)能夠測量到5G SSB 信號，因此4G基站到5G基站能夠切換成功。

圖2 4G-FDD 時間同步5G-TDD 時間同步

3 4G基站丟失GPS 同步源的應(yīng)對策略

通過第2 章節(jié)的理論分析，第3 章節(jié)將結(jié)合每種同步技術(shù)方案實(shí)施的應(yīng)用場景、改造成本、實(shí)施難度等進(jìn)行多維度比較分析，并對以下4 種替代同步技術(shù)方案進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)評估或邏輯推導(dǎo)，得出具有實(shí)際應(yīng)用參考價值的部署方案。

3.1 應(yīng)對方案

（1）SyncE 同步以太方案

4G基站在GPS 同步源丟失的情況下，依賴4G基站自身晶振，基站一般能保持12～24 小時頻率同步，在此時間后，基站將無法保持嚴(yán)格頻率同步，從而導(dǎo)致滑碼、累積誤碼，影響基站切換，嚴(yán)重影響用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。通過第二章節(jié)的分析，在不考慮4/5G 互操作的場景，可以采用“SyncE 同步以太方案”，為4G-FDD基站提供頻率同步，從而保障4G網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

如圖3 所示，同步以太方案的雙BITS 時鐘的時鐘源為北斗BDS 系統(tǒng)，通過同步以太或外時鐘口接入CX600設(shè)備，同時每臺BITS 與設(shè)備間的接口最好進(jìn)行11 保護(hù)，中間網(wǎng)絡(luò)需要規(guī)劃好主備跟蹤路徑和時鐘跟蹤接口，并全網(wǎng)啟用SSM 協(xié)議。環(huán)上節(jié)點(diǎn)應(yīng)從最短路徑跟蹤。優(yōu)先級規(guī)劃建議10、20、30 類推，為后續(xù)增加時鐘源預(yù)留優(yōu)先級值。4G基站一般通過ETH 口從A 設(shè)備獲取時鐘。同步以太方案需要逐跳支持，另外中間網(wǎng)絡(luò)需符合以下原則：從BITS 設(shè)備到基站的同步路徑節(jié)點(diǎn)不超過20 個，超過20 個的場景，需要將時鐘源下移。目前傳輸網(wǎng)的傳輸設(shè)備均支持頻率同步信號傳遞，不需要進(jìn)行OTN 傳輸改造，因此該方案改造成本低，部署相對容易。

圖3 同步以太方案

（2）1588v2 時間同步方案

在考慮4/5G 互操作的場景，4G基站要求時間同步，此時可以采用1588v2 方案，但該方案涉及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的升級改造，包括BITS 時鐘需增加北斗星卡模塊、北斗天線模塊及時間輸出模塊，傳輸設(shè)備（主要是M-D 設(shè)備間波分設(shè)備）需升級支持PTP（1588v2）信號，因此該方案對現(xiàn)網(wǎng)影響較大，改造成本高，部署難度較大，適合在4G基站無法安裝GPS 同步天線的場景，作為有效補(bǔ)充。

如圖4 所示，1588v2 時間同步方案的時間源，采用雙BITS 部署1588v2 OC 模式，雙BITS 通過FE/GE 口或者1PPS ＋ToD 向核心匯聚點(diǎn)注入時間，同時IP RAN網(wǎng)絡(luò)將從時間服務(wù)器獲取的時間信號通過1588v2 協(xié)議傳送至4G基站。逐跳部署1588v2，承載網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)配置BC 模式，協(xié)議封裝格式一般采用L2 組播，BMC 算法支持破環(huán)。1588v2 需要保障每對光纖長度對稱性，否則進(jìn)行補(bǔ)償。和以太同步一致，實(shí)際部署一般控制在20 跳以內(nèi)。4G基站通過PTP 接口（FE/GE，1588v2 OC 模式）或（1PPS ＋ToD）&2M 外時鐘接口接收1588v2 時間同步信號。

圖4 1588v2 方案

（3）4G基站升級到支持北斗/GPS 雙模方案

2019 年9 月，中國北斗衛(wèi)星授時系統(tǒng)正式向全球提供服務(wù)，因此通過對4G基站星卡進(jìn)行升級或更換，更換或增加相應(yīng)板卡以及GNSS 天線，實(shí)現(xiàn)對北斗的適配，從而使4G基站可以通過中國北斗授時系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時間同步，該方案技術(shù)成熟，但改造成本相對較高，適合某些需要重點(diǎn)保障的4G 站點(diǎn)以及有緊急任務(wù)需求和保障的場景，例如應(yīng)急通信車上的4G基站。

（4）4G SyncE 同步以太方案+5G NR SSB 周期20 ms→5 ms 方案

如圖5 所示，在GPS 授時服務(wù)無法正常提供，1588v2時間同步方案無法全網(wǎng)部署的情況下，如果還要保證4G/5G 的互操作功能，則可以考慮4G基站采用“SyncE同步以太方案”，同時將5G NR SSB 周期從原來的20 ms 修改為5 ms，增加SSB 的發(fā)射頻率，從而保證5G 終端的4G 模塊，在LTE GAP 測量周期內(nèi)能夠搜索到NR SSB，同步到NR網(wǎng)絡(luò)從而成功切換到5G基站。

圖5 4G 頻率同步，5G 時間同步，SSB 發(fā)送周期5 ms

如表1 所示，以某運(yùn)營商5G基站上下行子幀配比為DDDSUDDSUU為例，由于該方案增加了SSB的發(fā)射頻率，因此會對5G網(wǎng)絡(luò)的下行性能造成一定的損失，經(jīng)計算對比，5G網(wǎng)絡(luò)的下行性能損失約為3%，該方案適合在戰(zhàn)時或緊急情況下，基本保證4G、5G網(wǎng)絡(luò)均能正常工作的場景。

表1 NR SSB 周期20 ms →5 ms，5G網(wǎng)絡(luò)下行性能損失計算表

3.2 小結(jié)

通過對“方案1”和“方案2”在某運(yùn)營商進(jìn)行試點(diǎn)評估，“方案3”和“方案4”邏輯推導(dǎo)等方式，并結(jié)合同步授時精度、4/5G 互操作功能、改造成本、實(shí)施難度、應(yīng)用場景等維度進(jìn)行綜合闡述分析，得出如表2 所示，具有實(shí)際應(yīng)用參考價值的結(jié)論。

表2 試驗(yàn)評估及邏輯推導(dǎo)結(jié)果

4 FDD-LTE 4G基站同步授時方案創(chuàng)新思考

雖然中國北斗授時系統(tǒng)已在2019 年正式啟用，但由于歷史原因，目前某運(yùn)營商FDD-LTE 4G基站絕大部分僅支持GPS 衛(wèi)星授時，如果對全網(wǎng)4G基站改造為支持BDS/GPS 雙模授時服務(wù)，改造成本高，不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)。因此可以研發(fā)一種參考中國北斗系統(tǒng)同步產(chǎn)生GPS 信號授時的轉(zhuǎn)換裝置，通過該轉(zhuǎn)換裝置，可以產(chǎn)生與中國北斗信號嚴(yán)格同步的GPS 信號，并向下集中授時，支持“一拖多”，可以對機(jī)房中多個4G BBU 進(jìn)行集中授時。如圖6、圖7 所示。

圖6 改造前后系統(tǒng)對比示意

圖7 北斗轉(zhuǎn)GPS 信號發(fā)生器原理

該系統(tǒng)滿足BBU 的GPS 同步信號輸入要求，并且頻率精度和時間精度均能滿足基站要求，僅需增加北斗同步GPS 信號發(fā)生器，而無需對現(xiàn)有4G基站和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行任何改動，可以實(shí)現(xiàn)改造最小化，以較低成本解決4G基站無GPS 同步授時的問題。此方案尤其適合某些重點(diǎn)區(qū)域的4G 站點(diǎn)或者應(yīng)急通信車的4G 站點(diǎn)，若國際形勢非常危險，在迫不得已的情況下，甚至可以考慮在整張4G網(wǎng)絡(luò)全部部署該裝置，以確保4G網(wǎng)絡(luò)可以正常運(yùn)行，4/5G 互操作正常，5G網(wǎng)絡(luò)性能無損失。

5 結(jié)束語

通過對4G基站丟失GPS 同步授時的4 種技術(shù)方案進(jìn)行多維度分析，經(jīng)現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)評估驗(yàn)證或推導(dǎo)分析進(jìn)行綜合闡述論證，得出具有實(shí)際意義的結(jié)論。同時，在中國北斗授時系統(tǒng)已正式啟用的情況下，創(chuàng)新性的提出可行性高的解決方案，具有很大應(yīng)用空間。眾所周知，網(wǎng)絡(luò)信息戰(zhàn)已然是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要一環(huán)，從國家網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略安全層面考慮，提前考慮及制定4G網(wǎng)絡(luò)同步授時應(yīng)對方案，借助中國自研的北斗授時系統(tǒng)，加快“參考中國北斗系統(tǒng)同步產(chǎn)生GPS 信號授時的轉(zhuǎn)換裝置”的研發(fā)及應(yīng)用，防范于未然，將可以使中國能夠更加從容應(yīng)對4G 移動網(wǎng)絡(luò)可能受到的安全攻擊問題。