1　引言
      5G牌照已經(jīng)發(fā)放，5G商用開始有序部署。5G網(wǎng)絡(luò)處于產(chǎn)業(yè)化培育應(yīng)用的關(guān)鍵時(shí)期，5G高精度同步網(wǎng)作為必不可少的基礎(chǔ)支撐網(wǎng)絡(luò)，急需在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面盡快推動(dòng)，以有力支撐5G商用的順利開展。
    本文首先分析5G系統(tǒng)時(shí)間同步需求，闡述采用地面同步組網(wǎng)解決5G系統(tǒng)同步的必要性,提出高精度同步通用組網(wǎng)模型，并重點(diǎn)分析面向5G系統(tǒng)同步的高精度源頭、高精度同步傳輸、高精度同步監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，為我國(guó)后續(xù)5G同步技術(shù)方案選擇及組網(wǎng)策略制定、國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)、同步網(wǎng)平滑演進(jìn)等提供參考。
    2　5G高精度時(shí)間同步需求
    5G同步用于支撐5G網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)，包括頻率同步和時(shí)間同步，其中頻率同步需求與其他無線通信系統(tǒng)相同，即優(yōu)于±0.05ppm，而時(shí)間同步要求則更加嚴(yán)格，本文重點(diǎn)關(guān)注5G時(shí)間同步。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和同步精度的不同，5G系統(tǒng)時(shí)間同步需求包括基本同步需求、站間協(xié)同增強(qiáng)同步需求以及5G所支撐的新業(yè)務(wù)提出的高精度同步需求。
    5G系統(tǒng)基本同步需求是所有時(shí)分復(fù)用（TDD）制式無線通信系統(tǒng)的共性要求，主要是為避免上下行時(shí)隙干擾，從而需對(duì)基站空口時(shí)間偏差進(jìn)行嚴(yán)格限定。對(duì)于4G TDD系統(tǒng)，采用固定子載波間隔15kHz，保護(hù)周期GP（Guard Period）配置單符號(hào)，在一定覆蓋范圍內(nèi)，其要求基站間時(shí)間偏差應(yīng)小于3μs。5G系統(tǒng)均采用TDD制式，其具有子載波間隔可靈活擴(kuò)展的特點(diǎn)，通過在GP中靈活配置多個(gè)符號(hào)的方式，使得基站間時(shí)間偏差要求仍為小于3μs，與4G TDD一致。
    5G系統(tǒng)站間協(xié)同增強(qiáng)主要包括多天線MIMO、多點(diǎn)協(xié)調(diào)、載波聚合等，為確保協(xié)同有效，來自不同協(xié)同點(diǎn)信號(hào)的時(shí)間差不能超過循環(huán)前綴CP ( Cyclic Prefix），從而對(duì)協(xié)同點(diǎn)之間的時(shí)間偏差提出了100ns量級(jí)甚至更高的苛刻時(shí)間同步要求。
    在5G網(wǎng)絡(luò)支撐的多種新業(yè)務(wù)中，典型的是基站定位服務(wù)。隨著高精度定位服務(wù)需求爆炸式增長(zhǎng)，作為定位服務(wù)提供的重要手段，基于5G系統(tǒng)基站定位極具潛力。一般來說，定位精度與時(shí)間同步精度直接相關(guān)，例如要實(shí)現(xiàn)3m的定位精度，要求基站間的空口信號(hào)同步偏差為±10ns。
    3　5G高精度時(shí)間同步組網(wǎng)模型
    3.1　5G高精度同步地面組網(wǎng)必要性分析

長(zhǎng)期以來，運(yùn)營(yíng)商主要采用在基站加裝衛(wèi)星接收機(jī)的方式滿足無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的同步需求。在4G時(shí)代，部分運(yùn)營(yíng)商通過地面同步組網(wǎng)方式解決無線基站的同步問題，但一般作為備用，或者用于解決衛(wèi)星信號(hào)難以覆蓋區(qū)域的基站同步，如地鐵、地下車庫、部分城區(qū)高樓等。
    相對(duì)于4G系統(tǒng)，5G系統(tǒng)具有如下新的同步需求特點(diǎn)。
    （1）同步需求精度更高。5G系統(tǒng)既有μs量級(jí)的基本業(yè)務(wù)同步需求，也有100ns量級(jí)的協(xié)同增強(qiáng)技術(shù)同步需求，還有其他新業(yè)務(wù)的更高精度同步需求，基站直接通過普通衛(wèi)星接收機(jī)單站授時(shí)難以完全滿足要求。
    （2）同步應(yīng)用場(chǎng)景更加復(fù)雜。5G系統(tǒng)的一大特點(diǎn)是部分應(yīng)用場(chǎng)景基站部署密度大，隨著中國(guó)城市化不斷推進(jìn)，室內(nèi)基站占比增大，將會(huì)存在大量無法獲取衛(wèi)星信號(hào)的5G基站部署場(chǎng)景。
    （3）同步的安全可靠性要求更加嚴(yán)格。同步是確保5G系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的前提，鑒于5G系統(tǒng)本身及其所支撐業(yè)務(wù)的重要性，相應(yīng)對(duì)同步的安全可靠性也提出更高的要求。考慮到衛(wèi)星信號(hào)受到無意或有意干擾導(dǎo)致失效的情況越來越多，衛(wèi)星信號(hào)被攻擊（如偽衛(wèi)星欺騙）的案例時(shí)有發(fā)生，5G同步完全依賴于衛(wèi)星授時(shí)將會(huì)帶來極大的安全隱患。
    （4）成本方面更加敏感。5G基站部署規(guī)模大，若每個(gè)基站均加裝衛(wèi)星接收機(jī)，設(shè)備投資和運(yùn)維成本巨大，而通過承載網(wǎng)絡(luò)帶內(nèi)方式實(shí)現(xiàn)地面高精度同步組網(wǎng)，建設(shè)與運(yùn)維成本相對(duì)較低。
    鑒于上述分析，為滿足5G系統(tǒng)的同步需求，解決衛(wèi)星覆蓋盲點(diǎn)問題，提升安全可靠性，節(jié)約建設(shè)和運(yùn)維成本，研究建設(shè)自主可控、安全可靠的高精度時(shí)間同步網(wǎng)是大勢(shì)所趨。需要說明的是，建設(shè)高精度地面時(shí)間同步網(wǎng)，并不會(huì)一步到位完全替代基站衛(wèi)星授時(shí)方案，兩者是天地互備的關(guān)系，將會(huì)長(zhǎng)期共存、相互補(bǔ)充。
    3.2　5G高精度同步通用組網(wǎng)模型

國(guó)內(nèi)CCSA，國(guó)外ITU-T、3GPP、CPRI、IEEE以及ORAN等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化和行業(yè)組織正針對(duì)5G同步解決方案開展研究。目前來看，相對(duì)于光纖授時(shí)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP（Network Time Protocol）等技術(shù)，基于高精度時(shí)間協(xié)議PTP（Precision Time Protocol）組網(wǎng)是5G高精度時(shí)間同步的最主要實(shí)現(xiàn)方案。
基于PTP的5G高精度時(shí)間同步通用組網(wǎng)模型如圖1所示。作為源頭設(shè)備的高精度時(shí)間服務(wù)器（PRTC/ePRTC）可采用衛(wèi)星授時(shí)關(guān)鍵技術(shù)，在衛(wèi)星不可用的情況下，可通過地面獲取超高精度時(shí)間同步信號(hào)（如通過光纖授時(shí)溯源至國(guó)家守時(shí)單位），從而確保5G時(shí)間同步網(wǎng)自主可控。PRTC/ePRTC通常同時(shí)實(shí)現(xiàn)祖時(shí)鐘GM（GrandMaster）功能，因此圖1參考點(diǎn)A一般位于設(shè)備內(nèi)部，在這種情況下無需對(duì)其性能要求進(jìn)行規(guī)范。

                                                        圖1　5G 高精度時(shí)間同步通用組網(wǎng)模型
    高精度時(shí)間服務(wù)器的性能指標(biāo)應(yīng)滿足ITU-TG. 8272.1標(biāo)準(zhǔn)的要求，即時(shí)間精度應(yīng)優(yōu)于±30ns。圖1參考點(diǎn)B和C之間屬于5G時(shí)間同步網(wǎng)的核心部分，可采用高精度同步傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度同步承載，屬于由多個(gè)電信用邊界時(shí)鐘（T-BC）組成的同步鏈。需要強(qiáng)調(diào)的是，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步性能和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模（時(shí)間同步鏈的跳數(shù)）是B與C之間承載部分同步指標(biāo)的兩個(gè)重要制約參數(shù)。為了提升端到端同步性能，擴(kuò)大組網(wǎng)規(guī)模，要求傳輸設(shè)備單節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步精度應(yīng)優(yōu)于一定的限值（如ITU-T G.8273.2規(guī)定類型C和類型D的T-BC的時(shí)間誤差在10ns量級(jí)甚至更小）。
    圖1中參考點(diǎn)C或D屬于5G時(shí)間同步網(wǎng)與無線末端設(shè)備（如5G基站）的連接點(diǎn)，可考慮采用高精度同步接口（如帶內(nèi)10GE/25GE）進(jìn)行對(duì)接，降低局內(nèi)互聯(lián)引入的時(shí)間誤差。在5G組網(wǎng)中，通過對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)無線接入網(wǎng)（RAN）側(cè)功能的重新劃分，以及基于以太網(wǎng)的eCPRI接口在前傳中的使用，圖1中從時(shí)鐘（Slave）可能和末端應(yīng)用（如AAU）集成在同一設(shè)備中，因此參考點(diǎn)D有可能位于無線設(shè)備內(nèi)部。
    5G同步需求一般是以無線空口（圖1參考點(diǎn)E）間的相對(duì)時(shí)間偏差來衡量，而同步網(wǎng)一般通過實(shí)現(xiàn)相對(duì)于協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）的絕對(duì)時(shí)間精度來滿足無線側(cè)的相對(duì)時(shí)間精度要求。例如，為了滿足兩個(gè)AAU的無線空口參考點(diǎn)E之間的相對(duì)時(shí)間偏差（如3μs），要求每個(gè)AAU無線空口輸出相對(duì)于UTC的絕對(duì)時(shí)間偏差滿足一定的限值即可（如±1.5μs）。
需要強(qiáng)調(diào)的是，高精度時(shí)間同步網(wǎng)通常采用逐級(jí)主從組網(wǎng)方式，這是一種經(jīng)典的組網(wǎng)模式，在傳統(tǒng)頻率同步網(wǎng)建設(shè)中已得到成功應(yīng)用。逐級(jí)主從組網(wǎng)方式的鮮明特點(diǎn)是，由于噪聲累積效應(yīng)，傳輸鏈路越長(zhǎng)，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，信號(hào)劣化就越顯著。因此，在實(shí)際組建高精度時(shí)間同步網(wǎng)時(shí)，應(yīng)考慮需要縮小組網(wǎng)范圍，如基于地縣的區(qū)域性組網(wǎng)；另外一種組網(wǎng)思路是將源頭設(shè)備下沉，盡量靠近網(wǎng)絡(luò)末端基站，降低網(wǎng)絡(luò)承載部分對(duì)同步性能的影響，實(shí)現(xiàn)扁平化組網(wǎng)。
    4　5G 高精度同步關(guān)鍵技術(shù)分析
    同步網(wǎng)一般由同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備以及用于連接節(jié)點(diǎn)設(shè)備的定時(shí)鏈路構(gòu)成，5G高精度地面時(shí)間同步網(wǎng)也不例外。組建5G高精度地面時(shí)間同步網(wǎng)，涉及若干關(guān)鍵技術(shù)，包括作為節(jié)點(diǎn)設(shè)備的高精度源頭技術(shù)、用于組建地面定時(shí)鏈路的1588技術(shù)、進(jìn)行全網(wǎng)管理的監(jiān)測(cè)技術(shù)等。
    4.1　高精度同步源頭技術(shù)

    高精度同步源頭的實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)密不可分。衛(wèi)星授時(shí)的精度取決于衛(wèi)星系統(tǒng)、大氣層、接收系統(tǒng)、本地鐘源、鎖相環(huán)和分發(fā)接口等多個(gè)要素。在眾多衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)中，衛(wèi)星單頻授時(shí)應(yīng)用最為廣泛，但由于受到大氣環(huán)境多方面因素影響，授時(shí)精度受限，只能實(shí)現(xiàn)百納秒級(jí)同步精度，無法滿足高精度同步設(shè)備30ns量級(jí)的需求。衛(wèi)星雙頻技術(shù)可以消除大氣電離層延遲誤差，可顯著提升授時(shí)精度，可以作為今后高精同步源頭設(shè)備的主要實(shí)現(xiàn)技術(shù)。衛(wèi)星共視技術(shù)可進(jìn)一步消除衛(wèi)星鐘和傳播路徑的有關(guān)誤差，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高精度溯源，可以作為高精度同步的測(cè)量技術(shù)選擇。

    需要說明的是，近年來，我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不斷完善并加緊部署應(yīng)用，其中北斗二代已于2012年正式商用，北斗三代將于2020年年底前完成組網(wǎng)并投入商用，北斗系統(tǒng)在通信網(wǎng)中的應(yīng)用規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，從而有助于擺脫對(duì)其他國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴，提升了通信網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性。采用基于北斗系統(tǒng)的雙頻技術(shù)將是未來高精度同步源頭設(shè)備主流實(shí)現(xiàn)技術(shù)的選擇。
    4.2　高精度同步傳輸技術(shù)

    高精度同步傳輸用于組織定時(shí)鏈路，是5G高精度同步組網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前來看，1588v2技術(shù)在電信網(wǎng)中應(yīng)用規(guī)模大、成熟度高、互聯(lián)互通性好，建議在現(xiàn)有配置的基礎(chǔ)上通過優(yōu)化實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)提升精度，包括打戳位置盡量靠近物理接口、提升打戳分辨率、提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）同步精度、加強(qiáng)模塊間協(xié)作、選取優(yōu)質(zhì)晶振等，這樣有利于5G高精度時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)的快速部署和成熟商用。此外，業(yè)界也比較關(guān)注白兔子（WR）、1588v2.1等其他高精度同步傳輸技術(shù)，但無論是WR技術(shù)，還是新版本1588標(biāo)準(zhǔn)，均屬于全新的高精度傳輸實(shí)現(xiàn)方案，相對(duì)于1588v2優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)難度大，目前暫時(shí)不作為高精度同步傳輸技術(shù)。
    考慮到1588v2技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中易受光纖不對(duì)稱性影響，建議5G時(shí)間同步網(wǎng)在條件具備時(shí)盡量采用單纖雙向方式進(jìn)行1588v2的部署應(yīng)用。另外，針對(duì)1588v2開通和運(yùn)維，建議引入軟件定義同步網(wǎng)功能，增強(qiáng)同步網(wǎng)絡(luò)安全可靠性，提高運(yùn)維管理效率。
    4.3　高精度同步監(jiān)測(cè)技術(shù)

    對(duì)于5G高精度同步網(wǎng)，安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要，有必要建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)全網(wǎng)同步運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。在監(jiān)測(cè)方式方面，包括基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自身監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)的相對(duì)性能監(jiān)測(cè)，以及采用探針等外部設(shè)備進(jìn)行的絕對(duì)性能監(jiān)測(cè)。
對(duì)于基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自身監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)的相對(duì)性能監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)要求在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中已有規(guī)范[4]；對(duì)于采用外部設(shè)備進(jìn)行的絕對(duì)性能監(jiān)測(cè)，在網(wǎng)絡(luò)中的適當(dāng)位置部署支持衛(wèi)星共視功能的外部探針設(shè)備作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)全網(wǎng)配置一個(gè)公共的參考基準(zhǔn)站和數(shù)據(jù)處理中心，基于衛(wèi)星共視法，可以獲取網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與公共參考基準(zhǔn)站之間的時(shí)間偏差，通過數(shù)據(jù)處理中心的大數(shù)據(jù)分析處理，可以準(zhǔn)確掌握全網(wǎng)同步的運(yùn)行狀況。
    基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)置功能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，相對(duì)來說實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，無需額外設(shè)備，但由于該監(jiān)測(cè)方式只是對(duì)網(wǎng)絡(luò)局部進(jìn)行相對(duì)監(jiān)測(cè)，無法對(duì)全局網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且要求所涉全部設(shè)備都需支持特定的監(jiān)測(cè)功能，因此實(shí)際應(yīng)用起來存在一些弊端。通過外置設(shè)備基于共視法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看是一種較好的監(jiān)測(cè)方式，但初期需要一定的建設(shè)成本，并且具體監(jiān)測(cè)方案有待進(jìn)一步研究，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量和位置選擇、權(quán)威公共參考基準(zhǔn)站的選擇或建設(shè)、如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)站及數(shù)據(jù)處理中心的傳送、合理的數(shù)據(jù)處理算法、監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)的確定等。
    5　結(jié)束語
    面向5G的同步需求特性明確，既有與4G相同的微秒量級(jí)基本同步需求，也有5G協(xié)同增強(qiáng)提出的百納秒級(jí)同步需求，還有以定位需求為代表的納秒級(jí)同步要求。通過5G高精度同步組網(wǎng)，滿足5G系統(tǒng)多種業(yè)務(wù)的同步需求，解決5G網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜部署場(chǎng)景同步問題，實(shí)現(xiàn)天地互備，避免完全依賴衛(wèi)星授時(shí)帶來的安全隱患，進(jìn)一步提升5G應(yīng)用的安全可靠性。
    為了滿足5G系統(tǒng)高精度同步需求，支撐各種具有高精度同步要求的應(yīng)用場(chǎng)景，業(yè)界正抓緊對(duì)同步源頭技術(shù)、同步傳輸技術(shù)、同步監(jiān)視技術(shù)等方面持續(xù)開展研究。從源頭技術(shù)來看，雙頻技術(shù)更適合于高精度時(shí)間同步網(wǎng)的建設(shè)部署，尤其是基于自主北斗系統(tǒng)的雙頻技術(shù)會(huì)成為應(yīng)用主流；從同步傳輸技術(shù)來看，1588v2技術(shù)目前仍是高精度同步的基本傳輸技術(shù)，可以進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行改良及增強(qiáng)以滿足多場(chǎng)景高精度同步傳送需求；從高精度同步監(jiān)測(cè)技術(shù)來看，存在基于衛(wèi)星信號(hào)的絕對(duì)監(jiān)測(cè)和基于設(shè)備自身功能的相對(duì)監(jiān)測(cè)等方式，可根據(jù)業(yè)務(wù)要求、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、成本預(yù)算等因素綜合選擇，預(yù)計(jì)最終基于衛(wèi)星共視法的絕對(duì)性能監(jiān)測(cè)方式將是今后應(yīng)用的方向。
    總體來看，隨著5G系統(tǒng)商用化的不斷推進(jìn)，作為基礎(chǔ)支撐網(wǎng)絡(luò)，5G同步網(wǎng)研究及方案部署需進(jìn)一步加速推動(dòng)。結(jié)合運(yùn)營(yíng)商5G承載技術(shù)及組網(wǎng)架構(gòu)，繼續(xù)研究5G同步網(wǎng)演進(jìn)策略、高精度同步測(cè)試技術(shù)、同步網(wǎng)安全等內(nèi)容，推動(dòng)制定和完善5G高精度同步方案，全力支撐5G系統(tǒng)商用部署。