使用增強(qiáng)型主參考時(shí)鐘（ePRTC）標(biāo)準(zhǔn)，通過精確時(shí)間架構(gòu)應(yīng)對5G彈性挑戰(zhàn)

移動(dòng)運(yùn)營商需要為其5G網(wǎng)絡(luò)提供高精度時(shí)間和相位保護(hù)，但是當(dāng)依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）時(shí)很難做到這一點(diǎn)，因?yàn)槿驅(qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)很容易因人為干擾、欺騙或自然現(xiàn)象而導(dǎo)致長時(shí)間無法使用。增強(qiáng)型主參考時(shí)鐘（ePRTC）為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供一種令人高枕無憂的解決方案：即保持功能，它擁有解決問題所需的精度、可靠性和性能。要成功部署ePRTC，需要充分了解構(gòu)建可靠、彈性的精確時(shí)間架構(gòu)所需的關(guān)鍵要素，包括最符合網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商要求的時(shí)鐘和其他相關(guān)系統(tǒng)。

保持5G正常運(yùn)行

設(shè)想一下：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)速度很快，支持快速下載視頻，并且提供的密集5G服務(wù)能夠滿足多地客戶的要求。突然，一切都中斷了。移動(dòng)服務(wù)關(guān)閉，客戶指責(zé)移動(dòng)運(yùn)營商，運(yùn)營商聲譽(yù)受損，導(dǎo)致用戶流失。GNSS中斷期間很容易發(fā)生這種情況。

負(fù)責(zé)國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的移動(dòng)運(yùn)營商和團(tuán)隊(duì)一直在考慮采用各種方法來提供GNSS備份或者總體減少對GNSS技術(shù)的依賴。即使在最近的3G或4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，流行的無線電技術(shù)也主要采用基于頻率的同步策略。這項(xiàng)技術(shù)為業(yè)內(nèi)所熟知，已廣泛部署并且效果卓著。隨著5G的到來，必須有非常嚴(yán)格的時(shí)間和相位精度才能最大程度地利用移動(dòng)運(yùn)營商所投資的珍貴頻譜。避免數(shù)據(jù)沖突和頻率干擾至關(guān)重要，與此同時(shí)，還需要最大程度地縮小防護(hù)頻帶的范圍，以增強(qiáng)和更有效地利用其頻譜。此時(shí)，憑借精確的計(jì)時(shí)便可實(shí)現(xiàn)此目的。

這種精度級別所需的時(shí)間源主要通過GNSS提供。不過，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的密集化，將不再考慮這種選項(xiàng)。無線電臺(tái)或基站中缺少GNSS接收器時(shí)，需要無線電臺(tái)或基站迅速停止運(yùn)行，以避免由于無線電臺(tái)或基站中缺少高質(zhì)量保持振蕩器而出現(xiàn)干擾問題。這種技術(shù)考慮可使基站計(jì)時(shí)減少對GPS的依賴，并逐步遷移到精確時(shí)間協(xié)議（PTP）架構(gòu)。移動(dòng)運(yùn)營商需要最大程度地減少使用GPS的站點(diǎn)，同時(shí)保留極具彈性的精確時(shí)間架構(gòu)，以確保GNSS中斷期間客戶服務(wù)的連續(xù)性。

ePRTC標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的理想選擇。它是ITU-T（ITU電信標(biāo)準(zhǔn)化部門）為提高時(shí)間精度而定義的主參考時(shí)鐘（PRTC）的幾個(gè)版本之一。PRTC A類可以滿足相對于協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）的100 ns（納秒）精度要求。PRTC B類更精確，精度達(dá)40 ns。增強(qiáng)型PRTC具有符合ITU-T G.8272.1定義的30 ns最高精度。

ePRTC的獨(dú)特設(shè)計(jì)使其具有最大彈性，能夠使用銫鐘作為參考時(shí)鐘保持14天或更長時(shí)間，同時(shí)在整個(gè)長時(shí)間中斷期內(nèi)與UTC的最大偏差維持在100 ns。這將成為5G移動(dòng)運(yùn)營商部署ePRTC的關(guān)鍵優(yōu)勢。如果GPS關(guān)閉，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的服務(wù)交付都將保持無縫切換。這樣可確保所需時(shí)間來修復(fù)GPS中斷或在GPS長時(shí)間不可用的情況下保持運(yùn)行。

時(shí)鐘與配件的重要性

ePRTC不能單獨(dú)運(yùn)行。高質(zhì)量ePRTC的核心原理是通過產(chǎn)生獨(dú)立自主的時(shí)標(biāo)來產(chǎn)生時(shí)間。時(shí)標(biāo)將提供時(shí)間、相位和頻率，隨著時(shí)間的推移，這幾個(gè)參數(shù)會(huì)根據(jù)GNSS信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)。高質(zhì)量ePRTC引擎使用獲得專利的測量算法來評估和測量其相對于GNSS的自主時(shí)標(biāo)偏移。

ePRTC系統(tǒng)的方法可為自主的主時(shí)間源設(shè)置時(shí)標(biāo)，而銫原子鐘和GNSS可幫助保持ePRTC時(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確性。

因此，在理想情況下，應(yīng)將ePRTC連接到GPS時(shí)鐘和原子鐘（銫原子鐘通常用于最大程度地提高彈性，因此建議使用兩個(gè)銫原子鐘）。ePRTC不是僅僅鎖定到一個(gè)原子鐘，而是在適當(dāng)加權(quán)的時(shí)標(biāo)集合中主動(dòng)無縫鎖定到兩個(gè)時(shí)鐘。例如，如果一個(gè)原子鐘的性能下降，則ePRTC將平穩(wěn)地降低其權(quán)重，以避免影響傳出時(shí)間和頻率服務(wù)。

要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，高質(zhì)量ePRTC需要通過適當(dāng)?shù)闹悄芑瘉韺?shí)現(xiàn)集合和自主時(shí)標(biāo)功能，同時(shí)還要善于與高質(zhì)量原子鐘“耦合”。對于保持功能尤其如此。最高質(zhì)量的銫原子鐘將為ePRTC系統(tǒng)本身提供最佳的保持性能。

設(shè)置和調(diào)試要求

成功構(gòu)建優(yōu)化的時(shí)標(biāo)系統(tǒng)包括成功構(gòu)建銫原子鐘和ePRTC系統(tǒng)，需要格外小心地進(jìn)行設(shè)置和調(diào)試。ITU標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了需要執(zhí)行的調(diào)試驗(yàn)證，包括：

●   ePRTC已完全鎖定到傳入的參考時(shí)間信號(hào)，并且未在預(yù)熱過程中運(yùn)行

●   參考路徑中沒有故障或設(shè)備錯(cuò)誤，包括但不限于天線故障

●   環(huán)境條件處于設(shè)備規(guī)定的工作限值內(nèi)。

●   設(shè)備的固定偏移經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)試和校準(zhǔn)，例如天線電纜長度、電纜放大器和接收器延時(shí)以及參考時(shí)間信號(hào)（例如，GNSS信號(hào)在相關(guān)運(yùn)營機(jī)構(gòu)確定的限值內(nèi)運(yùn)行）。

●   如果參考時(shí)間信號(hào)是通過GNSS等無線電系統(tǒng)運(yùn)行的，則必須將多路反射和來自其他本地發(fā)射的干擾（例如人為干擾）盡可能減小到可接受的水平。

●   沒有極端的傳播異常，例如嚴(yán)重的雷暴或太陽耀斑。

●   根據(jù)原子鐘，時(shí)間參考為GNSS，頻率參考為1 pps/10 MHz。常見的錯(cuò)誤是將GNSS的時(shí)間和頻率設(shè)置為最高優(yōu)先級，這會(huì)使原子鐘成為經(jīng)典備用角色，從而無法發(fā)揮ePRTC的運(yùn)行優(yōu)勢。

在考慮了這些調(diào)試要求后，選擇ePRTC解決方案的下一步是系統(tǒng)驗(yàn)證和測試。

驗(yàn)證和測試

測試和驗(yàn)證分為3個(gè)主要階段：

1.   21天“學(xué)習(xí)”期

2.   14天“保持”期

3.   7天“恢復(fù)”期

21天的學(xué)習(xí)期有助于以超高精度確定ePRTC時(shí)標(biāo)的UTC校準(zhǔn)校正參數(shù)和本地銫原子鐘的頻率偏移估值。GNSS子系統(tǒng)報(bào)告本地時(shí)標(biāo)相對于UTC的一組連續(xù)時(shí)間誤差測量結(jié)果，以便可以緩慢地調(diào)整本地時(shí)標(biāo)速率。這段為期三周的學(xué)習(xí)期（第一階段）有助于驗(yàn)證ePRTC是否確實(shí)符合ITU-T的時(shí)間精度規(guī)范。

圖1   21天后顯示符合ITU-T G.8272.1時(shí)間精度標(biāo)準(zhǔn)

在14天的保持期內(nèi)，GNSS信號(hào)斷開，ePRTC必須驗(yàn)證其是否可以在14天的保持期內(nèi)保持100 ns。銫原子鐘越出色，此測試的性能就越高。

如圖2所示，經(jīng)過測試的ePRTC在幾乎整個(gè)中斷期內(nèi)都將時(shí)間誤差性能限制保持在100 ns標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，并維持了25 ns的時(shí)鐘類。使用高性能銫原子鐘可提供比標(biāo)準(zhǔn)要求高四倍的保持性能。

圖2 在Microchip的 TimeProvider 4100 的ePRTC測試過程中，經(jīng)過14天的中斷期（+1天的恢復(fù)期）后，時(shí)間誤差完全處于100 ns要求（42 ns）之內(nèi)。重新連接GNSS時(shí)返回零

恢復(fù)期是為了驗(yàn)證將GNSS重新連接到ePRTC單元時(shí)，一切是否恢復(fù)正常。目標(biāo)是驗(yàn)證能否成功重新收斂和重新建立100%的正常時(shí)標(biāo)保護(hù)操作，如圖3所示。

圖3 與G.8272.1標(biāo)準(zhǔn)相比，后保持期與主UTC-NIST參考的時(shí)間偏差（TDEV）—— 顯示7天后保持期的結(jié)果

保持“油表”的重要性

“油表”特別有用，因?yàn)樗梢詭椭苿?dòng)運(yùn)營商充分了解ePRTC保持功能能夠保持100 ns精度（相對于UTC）的時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)要求是14天。

圖4   保持“油表”（拉出GNSS天線之前）的時(shí)間估值為40天（遠(yuǎn)優(yōu)于要求的14天）

ePRTC標(biāo)準(zhǔn)滿足5G對保證交付一致、高精度的相位和時(shí)間的要求。它實(shí)現(xiàn)此功能的難易程度取決于是否作為完整解決方案的一部分正確部署，包括已充分驗(yàn)證、測試和調(diào)試的正確時(shí)鐘和相關(guān)系統(tǒng)。