虚拟主控参考时钟与5G网络收发架构探索，虚拟主控参考时钟与5G网络收发架构探索

Microchip Technology

高级应用程序工程师总监

Jim Olsen

据编辑介绍，作者以前也写过5G技术领域的文章《5G改变网络授受时架构》，其中详细介绍了如何将正确的时间协议（PTP）作为主要架构实现5G前授受时应用。了解5G网络、传输技术和体系结构的另一个重要组成部分：虚拟主基准时钟（vPRTC）

5G网络技术致力于与蜂窝移动运营商在长期演进（LTE）专用网络环境中的推广。5G新空（NR）采用时分双工技术，该技术使所有新空部署均对基于全球协调时（UTC）全球导航卫星系统（GNSS）的授时源保持相位对准，精度为+/1.5μs的范围内。网络运营商需要理解在5G时间授受架构中使用正确的时间协议（PTP）进行基于网络的时间授受所需的时间误差抑制技术和虚拟主基准时钟（vPRTC）的概念这对于做出合理的基础架构决策至关重要。

在5G前导码应用中使用PTP实现的基于网络的时间授受架构需要时间误差分配步骤，以确保支持时间授受请求，因为时间授受是基础架构的重要组成部分。

在无线通信中，关于授受时的最常见的问题是同信道无线干扰。如果接收机精确地跟踪卫星，则在蜂窝基站上部署全局导航卫星系统（GNSS）（例如GPS、Galileo和北斗）的接收机允许时隙发射分配以防止相邻或邻近频率的无线电干扰。在重叠覆盖范围的无线群集中，如果GNSS接收器发生故障或停止正确的跟踪，则由于定时恶化或相位误差的累积，连接到GNSS接收器的无线与相邻无线发生干扰。由于无线使用的是低成本、低性能的振荡器（无线设计目标之一是通过使用规格低的组件来降低成本），所以会突然发生定时下降。

为了避免干扰问题，一旦临时开始降级，就必须停止使用无线或暂时停止受降级影响的服务。为了减少这种故障，可以引入基于网络的PTP定时服务，其中集群中的无线与集成GNSS接收机的PTP主时钟同步。当PTP主时钟中的GNSS发生故障或出现跟踪问题时，与主时钟同步的无线对相邻无线保持相位对准，不发生干扰问题。可以在PTP主时钟上放置高质量振荡器以长时间保持与UTC的时间对准，并且可以在架构中包括用于在故障情况下保持UTC可跟踪时间的基于PTP的替代方案。PTP主时钟基于网络的时间授受服务方法非常灵活，具有成本效益。在GNSS故障的情况下，您可以在集中式存在点放置GNSS，同时为卫星星座设计安全、良好的视距，从而提供无线集群相位对齐的额外优点。

下面的图描述了基于网络光传输技术实现的从PTP到5G无线集群的分布。使用PTP提供基于网络的时间授受服务的业务和技术事例正在迅速发展。

图1.示出具有主时钟功能的GNSS收发接收机，其是前向架构中的分布式收发架构的一例。时间授受通过网络公共无线接口（eCPRI）链路从主时钟发送到无线。

随着时间授受及传输技术的发展和进步，它们为前传输应用的5G时间授受架构提供了增强功能和替代方案。本文引入了虚拟主基准时钟（vPRTC）的概念，探究了这些概念，并详细说明了相关课时和传输技术和体系结构的一些优点。

上图所示的架构是基于网络的PTP收发服务，该服务利用分布式GNSS收发接收机。在PTP数据流的完整路径支持方面的技术进步为交换机和其他设备引入了新的边界时钟。这样的时钟能够降低这些装置在使用PTP的授受时的路径中产生的时间误差。目前，5G应用的严格授权要求，例如1.5μ不需要在5G无线中的PTP客户机附近使用GNSS收发接收机/PPP主时钟功能，而是s或260ns。

在将基于网络的PTP授时架构用于诸如5G授时应用等高精度应用时，由于每纳秒的时间误差影响较大，应确保尽可能多地消除或减少授时误差源。关于抑制授时误差的方法以作为时间误差预算分配项目一部分的两个概念为中心。

第一概念着重于由GNSS时间授受接收机和PTP主时钟功能构成的GNSS时间源。用于在电信应用中进行授受的GNSS授受接收机被称为主基准时钟（PRTC）根据GNSS在跟踪和提取GNSS卫星星座的时间时维持UTC的时间精度的大小，将PRTC技术分为三类。PRTCA类要求PRTCA在UTC的+/-100ns范围内。UTC是在精确跟踪GNSS卫星星座时提取的时间参考。PRTCB类要求PRTCB在正确跟踪时在UTC的+/-40ns范围内。增强型PRTC（ePRTC）类要求ePRTC在正确跟踪时在UTC的+/-30ns范围内。如果GNSS接收失败或受到影响，ePRTC还具有附加的GNSS漏洞要求，该GNSS漏洞要求添加保持规范，该保持规范在UTC的100ns范围内保持至少两周。这通过将铯原子钟参考和GNSS授受时接收机功能配置在相同位置来实现。ePRTC具有能够学习铯原子钟的读取和GNSS UTC基准之间的偏移的学习算法。如果参考不可用，则这些算法可以补偿铯原子钟的偏移并延长UTC可跟踪时间的保留期。

第二个概念侧重于被称为全路径支持的传输网络和设备。在完整路径支持模型中，PTP时间戳不通过基于GNSS的PRTC质量主时钟与无线单元（RU）中的最终应用程序PTP客户端之间的路径上的交换机和路由器。PTP时间戳流在开关入口点结束，通过主时钟功能在开关入口点再生。该过程称为边界时钟（BC）功能，用于通过测量和补偿由开关的开关结构引入的时间戳可变延迟来减小开关元件的时间误差。随着时间的推移，在交换机内使用的BC技术得到了发展，在使用PTP实现基于网络的时间授受服务时可以减少时间授受误差。BC技术首次引入了一个分类来定义开关（包括BC功能）所允许的最大时间误差。减少最大时间误差的交换机包括多个BC分类，所述BC分类在网络中较远的距离处部署基于GNSS的主时钟功能，并从RU中的PTP客户机通过更多的切换跳。边界时钟功能可以恢复来自PTP输入的接收，并且属于ITU标准G.8273.2中定义的电信时间次级/客户时钟（TTSC）的范畴。边界时钟分类和T-TSC时间误差功能以最大允许的恒定时间误差（cTE）为边界，cTE是用单个数字表示的时间误差平均值，可以与精度规格进行比较。请记住，BC技术可以减少更换设备的时间授受误差，但不能减少基于网络的附加不对称性引入带来的时间误差。

下表介绍了基于ITU标准的边界时钟/T-TSC分类和相关的cTE边界。

图2.该表确定了各种边界时钟分类及其相关联的时间误差分配预算要求。

由于主基准时钟和边界时钟功能的技术进步，使用PTP实现基于网络的时间授受服务，将时间授受服务的范围从GNSS时间源扩展到终端RU应用（适合距离和开关跳数）在GNSS架构中，GNSS时间源可以位于更靠近网络核心的中心位置，以保持超高精度并允许分布式GNSS时间授受架构的替代。该概念被称为虚拟主基准时钟（vPRTC），并且可以通过网络/分组交换或高密度波分复用（DWDM）光传输网络进行工程设计。

vPRTC体系结构由三部分组成。第一部分是具有PTP主时钟功能的GNSS时间源，可满足prt B（+/40ns）或eprt（+/30 ns）的质量标准。对于GNSS错误的问题和保持性能，ePRTC建议添加铯原子钟并将其放置在与GNSS定时接收机相同的位置。由此，提高GNSS接收机对UTC的定时精度，并且提供在GNSS信令中断时延长GNSS接收机的保持时间的能力。（对UTC）至少两周，可以切100ns。第二部分是网络本身与GNSS时间源和终端RU PTP应用之间的网络传输架构。vPRTC的这个传输级必须提供完整的路径支持，具有类C或类D的边界时钟分类功能，以允许精确的时间误差分配和抑制。vPRTC的第三部分是网络边缘接入位置，其中PTP时间戳流被发送到终端RU PTP定时应用。此位置必须生成并重新生成PTP定时流，以生成vPRTC功能，并满足PRTC规范（对于UTC）小于100ns。然后，该PTP定时流经由前一网络段发送到终端RU PTP定时应用。

图3显示类C边界时钟全通支持传输网络中的vPRTC概念。

图3示出了使用C类边界时钟时间误差分配步骤被配置为虚拟主基准时钟（vPRTC）的分组网络。

总结

随着网络技术的进步，支持在更远距离更长的网络要素链上实现高精度定时，运营商可以选择在从边缘到网络核心的各个地方在5G定时架构中引入基于GNSS的时间源。vPRTC体系结构在灵活性和冗余方面具有很好的技术优势。vPRTC可在东西方向配置，具有GNSS时间源和两个位置，配置较高的时钟功能，以实现ePRTC或PRTC冗余。此外，该配置还支持环网和内衬网络体系结构中的双向PTP定时流，在这种体系结构中发生光纤中断时，可以从反方向进行定时和通信，从而提高体系结构的灵活性和冗余性。

随着5G网络的不断发展，分布式GNSS PTP时序架构和集中式vPRTC PTP架构将成为全球运营商和5G LTE专用网络的可行业务和技术选择。运营商必须意识到，如果基础网络拓扑可用，则必须考虑设计的严格性，以构建最稳健、最可靠的时序体系结构。