4G基站時(shí)鐘信號(hào)獲取改造方案探討

武 飛，潘 濤

（中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 4G基站同步信號(hào)方案現(xiàn)狀及存在問題

4G承載采用了全I(xiàn)P化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，相比3G時(shí)期的MSTP方式極大地提高了傳輸效率，但同時(shí)也失去了可靠的時(shí)鐘信號(hào)來源。因此，LTE系統(tǒng)的正常運(yùn)行需有一個(gè)同步架構(gòu)實(shí)現(xiàn)時(shí)間和頻率的同步。根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)的要求，頻率準(zhǔn)確度達(dá)到0.05×10-6、時(shí)間準(zhǔn)確度在2.5 μs內(nèi)時(shí)，才能保證網(wǎng)絡(luò)最高效[1]。

目前運(yùn)營商4G基站主要以GPS作為時(shí)鐘源，在每個(gè)基站站點(diǎn)處安裝GPS信號(hào)接收裝置。若GPS失效，由于無第二時(shí)鐘信號(hào)源，因此4G基站將無法正常工作，造成非常嚴(yán)重的后果。

為進(jìn)一步保障業(yè)務(wù)的安全性，確保GPS失效時(shí)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，需要對基站時(shí)鐘信號(hào)獲取模式進(jìn)行升級優(yōu)化。

2 解決思路及方案

需引入備用同步源，并提供可靠的時(shí)鐘同步信號(hào)傳輸通道，保證高精度時(shí)鐘信號(hào)可從同步源穩(wěn)定傳送到4G基站。目前同步源有兩種選擇，分別為北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和運(yùn)營商時(shí)鐘同步系統(tǒng)。

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，經(jīng)過近20年的發(fā)展已成為繼GPS、GLONASS之后的第3個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會(huì)已認(rèn)定的供應(yīng)商。目前北斗相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)以及水文監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域，系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性已得到充分驗(yàn)證。將其作為4G基站的備用同步輸入，可有效保障GPS失效時(shí)4G基站可獲取精確的時(shí)鐘信號(hào)，進(jìn)而保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。

運(yùn)營商時(shí)鐘同步系統(tǒng)目前主要滿足語音核心網(wǎng)（TDM網(wǎng)元）和OTN/SDH網(wǎng)（基于VC的組網(wǎng)型專線）頻率同步需求，由骨干（PRC+LPR）+本地BITS設(shè)備構(gòu)成。PRC為最高等級的地面主基準(zhǔn)時(shí)鐘，由銫原子鐘+BITS組成，銫鐘頻率精度一般優(yōu)于0.01ppb（10-12）。LPR由衛(wèi)星系統(tǒng)+內(nèi)置銣鐘的BITS組成，銣鐘頻率精度一般優(yōu)于1ppb（10-8）[2]。PRC一般在區(qū)域中心城市設(shè)置，LPR一般在省會(huì)設(shè)置。此外，在各本地網(wǎng)設(shè)置本地2級鐘。同步網(wǎng)設(shè)備以GPS和北斗信號(hào)主用同步源，通過省際和省內(nèi)SDH系統(tǒng)進(jìn)行地面頻率同步傳遞，用于GPS故障時(shí)下級時(shí)鐘設(shè)備跟蹤上級時(shí)鐘設(shè)備。

由以上介紹可知，北斗和運(yùn)營商時(shí)鐘同步系統(tǒng)均為可靠的時(shí)鐘源，由此有兩種可供選擇的解決方案。方案一是所有4G基站均加裝北斗模塊，將北斗信號(hào)作為備用同步輸入。方案二是組建運(yùn)營商時(shí)鐘同步系統(tǒng)至4G基站的同步信號(hào)地面?zhèn)鬏旀溌罚瑢⒌孛嫱叫盘?hào)作為備用同步輸入。

3 方案對比及推薦

方案一需在每個(gè)4G基站安裝北斗模塊，并對現(xiàn)有基站設(shè)備和鏈接線纜進(jìn)行改造。經(jīng)測算，單站費(fèi)用約需14 112元。而方案二主要建設(shè)現(xiàn)有同步系統(tǒng)至4G基站的時(shí)鐘信號(hào)傳輸鏈路，成本較低。

目前可靠的時(shí)鐘信號(hào)傳送方式有兩種，一種為采用基于TDM技術(shù)的SDH系統(tǒng)進(jìn)行傳送，另一種為采用1588 V2協(xié)議在IP系統(tǒng)中傳送[3]。SDH是嚴(yán)格同步的，在保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠、誤碼少的同時(shí)，也具備傳送高精度時(shí)鐘同步信號(hào)的能力。

IEEE1588協(xié)議基本構(gòu)思是通過硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（客戶機(jī)）的內(nèi)時(shí)鐘與主控機(jī)的主時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步，提供同步建立時(shí)間小于10 μs的運(yùn)用[4]。目前協(xié)議已發(fā)展到V2版本，提高了同步的精度，引入了透明時(shí)鐘TC模式并新增端口間延時(shí)測量機(jī)制等，通過非對稱校正減少了大型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械姆e聚錯(cuò)誤[5]。各運(yùn)營商的4G基站承載系統(tǒng)均支持1588 V2協(xié)議，可直接用于傳送時(shí)鐘信號(hào)[6]。

考慮到現(xiàn)網(wǎng)4G基站數(shù)量龐大，采用方案一全部改造的成本將非常高，而且改造操作復(fù)雜、工作量大、施工周期長，基本不具可行性。方案二可直接利舊現(xiàn)有時(shí)鐘同步系統(tǒng)和傳輸網(wǎng)，改造成本低、周期短，是較為理想的選擇。

4 推薦方案介紹

為保障4G基站在GPS失效時(shí)仍可正常獲取時(shí)鐘信號(hào)，本方案將本地BITS設(shè)備與STN/IPRAN-ER對接，隨業(yè)務(wù)流傳遞SyncE+PTP（1588 V2）信息，向基站提供“時(shí)間+頻率”同步信號(hào)[7]。方案二實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

2002年至今，中國汽車產(chǎn)業(yè)從井噴式發(fā)展開始，近18年的高速增長期，產(chǎn)銷規(guī)模早已超越美國躍居世界第一。根據(jù)中汽協(xié)數(shù)據(jù)，2017年我國新車產(chǎn)銷量分別為2901.5萬輛和2887.9萬輛。經(jīng)銷商做為一個(gè)獨(dú)立的市場主體，為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出十分重要的貢獻(xiàn)，自身業(yè)態(tài)也日趨成熟。近兩年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和供給側(cè)改革的推進(jìn)，汽車產(chǎn)業(yè)步入低速增長期，行業(yè)競爭日趨激烈，也迫使汽車經(jīng)銷商尋求加速轉(zhuǎn)型升級。依托大數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)營銷，日漸成為汽車經(jīng)銷商可以借力的重要?jiǎng)?chuàng)新轉(zhuǎn)型渠道。

圖1 方案二實(shí)現(xiàn)原理

時(shí)間和頻率同步信息在城域ER注入，在STN/IPRAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)隨業(yè)務(wù)流帶內(nèi)傳遞，每臺(tái)B、A設(shè)備通過BMC算法優(yōu)選時(shí)間同步主master，通過SyncE逐跳鎖定頻率同步信息[8]。為保證信號(hào)精度，要求傳遞路徑上的光纖對稱，否則可能產(chǎn)生較大誤差[9]。

5 可能存在的問題及解決策略

5.1 現(xiàn)網(wǎng)部分時(shí)鐘設(shè)備老舊，存在功能缺失

地面時(shí)鐘設(shè)備一般由衛(wèi)星接收機(jī)、銣鐘以及BITS組成。在衛(wèi)星系統(tǒng)可用時(shí)，接收衛(wèi)星系統(tǒng)的授時(shí)信號(hào)；在衛(wèi)星系統(tǒng)故障時(shí)，內(nèi)部銣鐘開始工作，頻率精度為10ppb（10-8）。部分現(xiàn)網(wǎng)的時(shí)鐘設(shè)備只配置了GPS衛(wèi)星接收機(jī)，當(dāng)GPS故障時(shí)需依靠內(nèi)部銣鐘提供頻率信號(hào)。由于銣鐘精度較低，只能短期滿足4G基站同步要求，長期使用仍會(huì)出現(xiàn)信號(hào)損傷的情況。

此外，還有部分時(shí)鐘設(shè)備不支持SyncE+PTP（1588 v2）信息輸出，也就無法通過現(xiàn)有的IP承載網(wǎng)將同步信號(hào)傳送到基站端。

對于上述問題，需對現(xiàn)有時(shí)鐘設(shè)備進(jìn)行改造更新。對于不支持接受北斗信號(hào)的設(shè)備，應(yīng)加裝北斗模塊，保證BITS設(shè)備能同時(shí)接收到GPS和北斗的衛(wèi)星信號(hào)，當(dāng)GPS信號(hào)失效時(shí)可快速切換至北斗信號(hào)。對于不支持SyncE+PTP（1588 V2）信息輸出的設(shè)備，應(yīng)擴(kuò)容相關(guān)板卡，使設(shè)備具備相應(yīng)能力。對于部分不支持加裝北斗模塊或不支持升級1588V2信號(hào)輸出功能的老舊設(shè)備，應(yīng)采用新設(shè)備進(jìn)行替換。

5.2 部分采用波分承載的IP鏈路不支持1588 V2信號(hào)傳送

對來自BITS設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)需利用IP傳輸系統(tǒng)傳送到基站端，當(dāng)傳輸距離較短時(shí)采用裸纖方式組網(wǎng)，距離較長時(shí)（如縣城至所屬地市的鏈路）往往會(huì)通過波分系統(tǒng)承載。由于現(xiàn)網(wǎng)大部分波分設(shè)備建設(shè)時(shí)間早，不支持1588 V2時(shí)間同步傳送功能，因此在使用由波分系統(tǒng)承載的IP傳輸系統(tǒng)鏈路傳遞時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，若采用BIT透傳方式，處理過程中傳輸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行光電處理會(huì)引起抖動(dòng)。當(dāng)抖動(dòng)超過一定范圍，可能引起失鎖，進(jìn)而致使傳輸失敗[10]。一般來說，當(dāng)承載網(wǎng)存在大于±5 μs的抖動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象。

為解決此問題，需對不滿足要求的波分系統(tǒng)進(jìn)行改造。對于支持1588 V2時(shí)鐘信號(hào)傳輸?shù)磁渲孟嚓P(guān)板卡的波分設(shè)備，可直接擴(kuò)容時(shí)鐘板卡解決；對于不支持1588 V2時(shí)鐘信號(hào)傳輸?shù)脑O(shè)備，需采用旁掛時(shí)鐘專用光子架的方式來實(shí)現(xiàn)。不管采用上述哪種改造方式，都需要保證時(shí)鐘透傳站點(diǎn)連續(xù)不能超過4個(gè)，否則會(huì)影響時(shí)鐘時(shí)間傳輸質(zhì)量。在有條件的情況下，需增加時(shí)鐘處理單元。

波分設(shè)備與上游其他設(shè)備或BITS對接可以通過物理層接口的外部時(shí)鐘（CLK）和外部時(shí)間接口（TOD），也可以通過以太接口（SyncE）時(shí)鐘和PTP時(shí)間獲取外部時(shí)鐘時(shí)間，設(shè)備間對接可采用以下幾種方式。

（1）通過CLK+TOD兩個(gè)RJ45端口和BITS互聯(lián)，一個(gè)傳遞頻率信號(hào)，另一個(gè)傳遞時(shí)間信號(hào)，適用于現(xiàn)網(wǎng)大部分設(shè)備。

（2）通過GE光口互聯(lián)，可以是外時(shí)鐘GE，也可以是支持時(shí)間同步功能的業(yè)務(wù)端口(適用于有電層業(yè)務(wù)板卡的子架)。

（3）和IPRAN同機(jī)房時(shí)，可以是BITS連到IPRAN，然后IPRAN通過隨路時(shí)鐘送給波分設(shè)備(建議BITS直接連接波分光層子架，減少下游的累計(jì)跳數(shù))。

波分設(shè)備的光電子架間的跟蹤一般需要通過物理層外部時(shí)鐘、外部時(shí)間跟蹤，下游設(shè)備通過OSC通道進(jìn)行時(shí)鐘時(shí)間的跟蹤。下游設(shè)備與波分設(shè)備之間也可以通過物理層接口的外部時(shí)鐘（CLK）和外部時(shí)間接口（TOD）或以太接口（SyncE）時(shí)鐘和PTP時(shí)間獲取外部時(shí)鐘時(shí)間。波分設(shè)備外接時(shí)鐘總體如圖2所示。

圖2 波分設(shè)備外接時(shí)鐘

6 結(jié) 論

鑒于當(dāng)前的國際形勢，對4G基站時(shí)鐘信號(hào)獲取方式進(jìn)行升級改造，做到防患于未然，是非常有必要的。利舊現(xiàn)有時(shí)鐘同步系統(tǒng)、新建地面同步鏈路進(jìn)行改造的方案具有建設(shè)成本低、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，建設(shè)單位在選擇改造方案時(shí)可重點(diǎn)參考。