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在5G世界中透过光纤网路进行高精确的授时
 

【作者: Eric Colard】2021年04月16日 星期五

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行动营运商正在LTE-Advanced网路和5G网路基地台的建置而大举投资,这将为行动蜂巢式通讯和连接带来重大变革。不过,他们面临着巨大的风险:透过这些网路所提供的高效能行动服务是非常依赖GPS和其他被称为全球导航卫星系统(GNSS)的类似区域性卫星星座所提供的精确时间,以便同步无线电通讯、支援新应用并最大程度地减少干扰。如果由於干扰、欺骗、故障或其他事件导致GPS/GNSS无法使用,则会引起服务中断这将对系统效能造成灾难性的影响。


正如电源输配网极易受到大规模的火灾(如最近美国加州发生的大火)、炎热的气候、飓风和沙尘暴的影响。5G网路也很容易受到精确时间分配中断的影响,进而导致整个系统中断。新技术能使行动营运商保护其网路免受这些威胁的影响。这些技术在利用现有部署的同时,创造了在长距离上分配超高精确时间的新架构。它们不仅将附加成本降至最低,还提供了必要的效能来满足5G的高要求。


技术趋势

最新的LTE-Advanced和5G行动网路带来了巨大的容量和增益频宽,可用於像消费性、工业、城市和特定细分市场提供新服务。从智慧手机的高频宽影片传输,到自动驾驶汽车、智慧城市以及智慧工厂的物联网(IoT),这些新服务都依赖於大量的感测器、基地台和其他设备的同步。


要做到这一点,就需要在长距离上传递非常精确的时间。没有它,行动营运商将因无法降低中断和风险以致影响部署投资的效益。此外,他们还必须制定能够在GPS / GNSS故障时发挥作用的计画。与此同时,他们需要有效利用光纤网路和其他现有基础设施,这样便无需在备用光纤(dark fiber)上进行昂贵的新投资。


标准机构对精确的时间和同步定义了非常严格的要求,例如主叁考时钟(PRTC),其中包括100奈秒(ns)的PRTC A类(PRTC-A)、40 ns的PRTC B类(PRTC-B)和30 ns的增强型PRTC(ePRTC)的效能规范。为了满足这些要求,必须要有高品质的时间源,并且需要一种非常具恢复力、快速且高效的分配机制来将时间从来源传输到各种使用时间的设备(即基地台、感测器和车辆等)。


依靠GPS / GNSS满足这些要求的问题在於,鉴於端点的密度越来越高,其部署成本可能会很高。此外,位於蜂巢式基地台的GNSS接收器存在一个技术上的漏洞。一旦GNSS接收器基於其他原因无法正确跟踪卫星时就必须迅速停止使用无线电,以避免因无线电使用振荡器技术只能提供短暂的准确时间周期而引起的干扰问题。由於这些技术和财务方面的考虑,营运商迫切需要一种对於GNSS倚赖较低甚至完全不倚赖的解决方案。


营运商的其他考虑因素包括:透过网路从源到端点进行授时的时间分配;网路节点;以及这些网路节点可以支援的各种同步功能。通常,精确时间协定(PTP)最高级时钟位於授时链的开头,并且符合100 ns PRTC-A或40 ns PRTC-B的效能规范,因此它可以在+/-1.5微秒内将精确时间传递到链的末端。路径上的网路节点通常嵌入了满足A类(50 ns)或B类(25 ns)的时间边界时钟(T-BC)功能。


需要一种新型时间分配架构来满足这些要求和考虑因素,以允许营运商保护其行动网路免受GNSS中断的影响,并在长距离上分配精确时间以覆盖全国。此外,这种架构还必须提供必要的效能,以满足5G端到端的要求。


一种不同的时间分配架构

高精确时间分配架构应具备多种功能,使营运商能以最有效的方式降低GPS/GNSS风险,并解决其5G网路中的其他挑战。此架构应该要能:


·充分利用现有的光纤网路(从而避免高昂的备用光纤费用)


·使用专用的lambda以便以最快的方式传输时间


·尽其所能地保护备援时间源,此时间源满足30 ns ePRTC的最高效能,并采用??原子钟和GNSS的组合


·提供两个时间流向(东和西),这样便可在从源到端点的过程中出现任何问题时利用备援路径


·拥有一系列高精确边界时钟(HP BCs),可满足当今标准(T-BC D类5 ns)规定的最高效能水准的要求


这种类型的多领域架构提供了备用机制、次微秒级的端到端授时功能,适合在数百英里范围内以较低的成本传递每节点5奈秒的高效能精确时间分配。


这种解决方案的一个案例是使用Microchip的TimeProvider 4100,它既可以配置为在授时链的源端具有PRTC-A和PRTC-B时间传递功能的ePRTC,也可以配置为光纤网路路径上的HP BC。此外,还可以根据特定应用的要求配置这类产品,以实现端到端授时,并在长距离上拥有达奈秒级的精确时间传递能力。


确保精确的授时

下一代高效能行动服务成功与否将取决於营运商能否顺利解决当今的关键GPS / GNSS风险。在干扰、欺骗、故障或其他事件下可能会破坏精确的GPS / GNSS授时中断,这将导致5G网路的同步无线电、启用应用程序和降低干扰受到限制。最新的高精确时间分配架构以最小的附加成本降低了这些风险,并为营运商提供了所需的效能来支援要求较高的新5G服务(例如: 从基於IoT的应用到在智慧手机上接收高频宽影片)。


(本文作者Eric Colard为Microchip 公司频率和时间系统新兴产品主管)


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