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高精度授時如何改變5G基礎設施游戲規則

2021/8/30 8:12:50

作為連續4年被寫入中國政府工作報告、并領銜“新基建”的重要基礎科技，5G在擴展連接、帶動經濟增長、改善人們生活質量以及加速相關產業數字化轉型升級等各個方面的重要性不言而喻。

根據IHS Markit獨立研究的《5G經濟》報告2020年更新版，預計到2035年，5G將創造13.1萬億美元的全球經濟產出，全球5G資本支出和研發投入將增長10.8%，年均投入高達2650億美元。

工信部的最新數據顯示，截止2020年底，中國新增5G基站58萬個，推動共建共享5G基站33萬個，年初制定的“所有地市均實現5G覆蓋”的目標已經實現。

而全球5G連接數將在2023年突破10億，這比4G時代實現10億連接數的時間整整提前了2年�？梢钥闯觯M管全球經濟受到疫情影響，但5G賦能的經濟產出的增長趨勢幾乎保持不變。

打造電子系統最精準的心跳

解讀5G的角度很多，但今天我們想從被稱為“電子系統心跳”的時鐘談起。

“時鐘IC”是一個廣義上的術語，用于描述可在電子系統中生成、調制、操縱、分發或控制時序信號的集成電路。在目前最先進的電子和通信系統中應用時，時鐘IC還必須能夠生成精確的時鐘脈沖，并持續可靠地分發該信號以供系統中的各種計時設備使用，以滿足多類型應用對“高精度授時”的需要。

其實，我們所熟悉的4G/5G通信系統就是“高精度授時”的重要應用場景之一。由于4G/5G網絡采用TDD時分復用模式，在大速率數據傳輸過程中，對時間同步精度要求極高，例如以TD-LTE為代表的TDD時分系統時間同步要求在±1.5μs。如果通信設備之間時間不同步，就將影響基站切換和漫游等通信業務的正常進行。

?5G之前的網絡是如何授時的？

無線通信網絡精確時間的主要來源一直是全球定位系統（GPS）和構成全球導航衛星系統（GNSS）的區域衛星星座。其中，GPS是全球第一個部署的定位、導航和授時（PNT）的衛星星座。借助精心設計的GPS授時接收機技術，GPS用戶可以從GPS衛星上的同步原子鐘中恢復極其精確的授時。

目前，除GPS外，全球范圍內還部署了多個用于授時的GNSS技術，包括Galileo（歐盟）和北斗（中國）等。以北斗為例，北斗衛星導航系統的時間被稱作BDT，屬原子時，可以溯源到中國國家授時中心的協調世界時UTC，與UTC的時差控制準確度小于100ns。

再強的GNSS，也有短板

雖然GNSS衛星授時精度更高，覆蓋能力更強，但也面臨著巨大的風險——如果由于干擾、欺騙、故障或其他事件導致GPS/GNSS無法使用，引發的服務中斷將對系統性能造成災難性的影響。正如電網受到火災/雪災影響斷網一樣，5G網絡也很容易受到精確時間分配中斷的影響，甚至可能導致整個系統中斷。

此外，從智能手機的高帶寬視頻傳輸，到自動駕駛汽車、智能城市以及智能工廠的物聯網（IoT），5G移動網絡帶來的巨大容量和帶寬增長是此前無法想象的。這些新服務不但依賴于大量的傳感器、基站和其他設備的同步，還需要在長距離上傳遞非常精確的時間，導致5G網絡端點密度和依靠GPS/GNSS進行授時的成本越來越高。

- 新型時間分配架構

運營商迫切需要可以更多地減少甚至消除對GPS/GNSS依賴的解決方案。那么，有沒有這樣一種新型的時間分配架構，既能夠允許運營商保護其移動網絡免受GNSS中斷的影響，并在長距離上分配精確時間以覆蓋全國，還能夠提供必要的性能以滿足5G需求的端到端預算？答案是肯定的。

增強型PRTC（ePRTC）標準是應對新型授時架構挑戰的理想選擇。它是ITU-T（ITU電信標準化部門）為提高時間精度而定義的主參考時鐘（PRTC）的幾個版本之一。PRTC A類可以滿足相對于協調世界時（UTC）的100ns（納秒）精度要求；PRTC B類更精確，精度達40ns；增強型PRTC具有符合ITU-T G.8272.1定義的30ns最高精度。

ePRTC的獨特設計使其具有最大彈性，能夠使用銫鐘作為參考時鐘保持14天或更長時間，同時在整個長時間中斷期內與UTC的最大偏差維持在100ns，這將成為5G移動運營商部署ePRTC的關鍵優勢。如果GPS關閉，整個網絡范圍內的服務交付都將保持無縫切換，從而確保所需時間來修復GPS中斷或在GPS長時間不可用的情況下保持運行。

- TimeProvider 4100

ePRTC解決方案的典型示例來自Microchip的TimeProvider 4100，它既可以配置為在授時鏈的源端具有PRTC-A和PRTC-B時間傳遞功能的ePRTC，也可以配置為光網絡路徑上的HP BC。此外，還可以根據應用特定的要求配置這類產品，以實現端到端授時，并在長距離上擁有達納秒級的精確時間傳遞能力。

TimeProvider 4100是一種采用IEEE1588協議的主時鐘，包括最新的ITU-T G.8275.1和G.8275.2 1588相位規范，同時也符合中國通信行業YD /T 2375-2019高精度時間同步技術標準要求。TimeProvider 4100支持用于PTP、網絡時間協議（NTP）、同步以太網（SyncE）和E1/T1的廣泛端口擴展。2.1軟件版本在早期版本的基礎上增加了關鍵的軟件增強功能，提供一個虛擬的主參考時鐘（vPRTC）。虛擬PRTC能夠設計冗余的精確時間分布架構，以在光纖網絡上進行相位保護。

- TimeProvider 4100 1GE/10GE擴展模塊

Microchip的vPRTC多域架構是一種經濟高效的解決方案，可利用現有的光纖網絡和專用lambda精確、安全地傳輸時間，避免高成本的暗光纖費用使用，在地區和國家網絡上提供高性能、冗余、低于5納秒的精確時間分布。此外，2.1版本符合PRTC-B性能標準（根據ITU-T G.8272），支持單一形狀參數系統中的1G、10G、網絡時間協議（NTP）和精確時間協議（PTP），并引入了具有信息摘要（MD5）安全算法的網絡時間協議守護進程（NTPd）。

而Microchip在今年年初發布的2.2版TimeProvider? 4100主時鐘產品，更是在2.1版本的基礎上引入了創新的冗余架構以提供全新的彈性水平，從而滿足5G網絡對冗余、彈性和安全的精確授時和同步解決方案的基本需求。

結語

時序可能是5G系統中最大的潛在故障點，并可能影響性能、可靠性和營收。

考慮到如何最大程度地減少使用GPS站點，同時保留極具彈性的精確時間架構，以確保GNSS中斷期間客戶服務的連續性？使用5G網絡時從源到端點的網絡節點如何構成，時間如何分配，以及這些網絡節點可以支持哪些同步功能？等問題正成為運營商最大的關注點，作為一家能夠提供包括高性能時鐘同步、時鐘管理和多類型振蕩器在內的整體系統解決方案的公司，Microchip正攜手生態系統合作伙伴，共同打造“電子系統最精準的心跳”。（李子涵，霍夫曼公關/hoffman）

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