智能城域網(wǎng)5G承載時(shí)鐘同步部署研究

作者簡(jiǎn)介：劉倩，中國聯(lián)通河南分公司云網(wǎng)運營(yíng)中心，E-mail：liuq46@chinaunicom.cn。

在5G 業(yè)務(wù)場(chǎng)景中，對于基本業(yè)務(wù)和協(xié)同業(yè)務(wù)我們主要采用的是TDD 模式，具體要求是對諸如eMBB 這些基本業(yè)務(wù)需要滿(mǎn)足微秒級的同步標準，即小于±1.5 μs，而對于協(xié)同業(yè)務(wù)以及更高時(shí)間精度的業(yè)務(wù)需要滿(mǎn)足納秒級的同步標準^[1]，即小于±350 ns。

傳統的時(shí)鐘同步方案主要有2 種，如圖1 所示，一種是GPS 同步方案，另一種是1588v2 同步方案。GPS同步方案一般是在每個(gè)基站隨站部署，無(wú)需經(jīng)過(guò)承載網(wǎng)。1588v2 同步方案利用1588v2 協(xié)議在核心側部署BITS設備，引入時(shí)間源并通過(guò)承載網(wǎng)將時(shí)間同步到基站側，以實(shí)現基站之間的時(shí)間同步^[1]。該方案需要在承載網(wǎng)中部署1588v2 協(xié)議。單GPS 方案精度較高且故障易定位，但存在選址難、設備易老化、壞損率高、缺少備份、安全隱患大等不足之處。1588v2 同步方案支持網(wǎng)絡(luò )保護倒換，可靠性高。GPS+1588v2 混合方案兼備GPS 和1588v2 的特點(diǎn)，在GPS 隨站部署的同時(shí)通過(guò)1588v2 來(lái)傳遞核心側的時(shí)鐘源，利用雙源部署方式具備高精度和高可靠性，在覆蓋方面也解決了GPS 天線(xiàn)選址難的問(wèn)題，可以實(shí)現100% 覆蓋。

圖1 傳統的時(shí)間同步方法

1   基于5G網(wǎng)絡(luò )的1588v2時(shí)間同步網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )架構

1.1 5G時(shí)鐘同步對智能城域網(wǎng)的需求

隨著(zhù)5G 新興業(yè)務(wù)的發(fā)展和需求，中國聯(lián)通在城域層面構建了一張“網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)化、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議簡(jiǎn)化、網(wǎng)絡(luò )設備簡(jiǎn)化、網(wǎng)絡(luò )控制和網(wǎng)絡(luò )管理智能化”的面向5G業(yè)務(wù)為主融合承載的新型智能城域網(wǎng)絡(luò )，即智能城域網(wǎng)。結合5G 用戶(hù)滲透率以及流量模型連續性增長(cháng)等因素，智能城域網(wǎng)前期承載以5G 基站業(yè)務(wù)為主。因此，作為5G 業(yè)務(wù)承載的智能城域網(wǎng)，設備都需要同步部署1588v2 協(xié)議作為5G 時(shí)鐘同步的備用手段，在5G 移動(dòng)回傳網(wǎng)內逐點(diǎn)傳遞高精度時(shí)間和頻率信號至需要同步的5G 基站，從而保證基站間的同步需求。

1.2 基于1588v2的本地高精度時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )架構

目前本地高精度時(shí)間同步網(wǎng)僅限于智能城域網(wǎng)本地網(wǎng)范圍內的移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò )使用，適用于5G 網(wǎng)絡(luò )中的諸如eMBB 的基本業(yè)務(wù)需求，對于協(xié)同業(yè)務(wù)以及未來(lái)更高時(shí)間精度的業(yè)務(wù)需求，將進(jìn)一步通過(guò)高精度時(shí)間源、時(shí)間源下移的高精度小BITS 等方案實(shí)現。

基于1588v2 的本地時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )架構實(shí)現為：在本地網(wǎng)核心節點(diǎn)即智能城域網(wǎng)MCR 節點(diǎn)配置一主一備2 套1588v2 高精度時(shí)間服務(wù)器，輸出標準的時(shí)間和頻率參考信號，傳輸承載網(wǎng)絡(luò )完成1588v2 端到端部署，具體實(shí)現為時(shí)間服務(wù)器至基站間的承載網(wǎng)元，如WDM/OTN、智能城域網(wǎng)設備等，設置為1588v2 中的邊界時(shí)鐘BC 模式，跟蹤并逐點(diǎn)恢復和傳遞高精度時(shí)間服務(wù)器輸出的時(shí)間及頻率基準參考信號。5G 基站可設置為邊界時(shí)鐘BC 或者普通時(shí)鐘OC 模式?；?588v2 的本地高精度時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )架構如圖2 所示。

圖2 基于1588v2的本地高精度時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò )架構

2   5G時(shí)間同步方案對比

2.1 5G時(shí)鐘同步支持情況及時(shí)鐘參考源

5G 基站gNodeB 時(shí)鐘同步推薦使用時(shí)間同步方式，gNodeB 時(shí)鐘具體精度要求為：5G NR 基本業(yè)務(wù)時(shí)間同步精度要求優(yōu)于3 μs（±1. μs）。

由于5G 分為T(mén)DD和FDD，對于這兩種不同的系統，滿(mǎn)足5G 時(shí)鐘同步的可選時(shí)鐘源解決方案^[2]如表1 所示。

2.2 5G時(shí)間同步方案

5G 時(shí)間同步方案大致可以分為如下2 種。

1）GPS 為主的方案

①隨站部署GPS；

② GPS 為主，1588v2 為輔（核心層BITS）：一階段隨站部署GPS，二階段承載網(wǎng)端到端開(kāi)通1588v2。

2）以1588v2 為主的方案

① 1588v2（ 核心層BITS）： 承載網(wǎng)全網(wǎng)開(kāi)通1588v2；

② 1588v2（接入層BITS）：BITS 下沉到接入層，局部開(kāi)通1588v2；

③ 1588v2（核心層+ 接入層BITS）：一階段承載網(wǎng)局部開(kāi)通1588v2，二階段承載網(wǎng)全網(wǎng)開(kāi)通1588v2。

3   智能城域網(wǎng)1588v2部署方案

3.1 智能城域網(wǎng)1588v2部署策略

根據當前網(wǎng)絡(luò )運維智能化發(fā)展要求，綜合考慮高精度時(shí)間同步網(wǎng)的時(shí)間傳遞精度、運維自動(dòng)化、端到端管理等因素，智能城域網(wǎng)1588v2 部署整體策略為全網(wǎng)部署1588v2 作為基站時(shí)間源的備份。

3.2 智能城域網(wǎng)與時(shí)鐘服務(wù)器對接原則

1588v2 高精度時(shí)間服務(wù)器輸出的標準頻率和時(shí)間參考信號通過(guò)智能城域網(wǎng)的核心/MCR、匯聚/MER、接入/MAR、WDM/OTN 網(wǎng)絡(luò )（部分場(chǎng)景）鏈路傳遞至5G 基站。

為保證精確時(shí)間傳遞，整個(gè)1588v2 時(shí)間域（包括時(shí)間服務(wù)器、WDM/OTN 網(wǎng)元、智能城域網(wǎng)網(wǎng)元、5G 基站）都需要頻率同步作為支持基礎，因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò )形成兩個(gè)邏輯層面^[3]：頻率層和時(shí)間層，通常采用SyncE+PTP 方式， 即頻率層同步采用同步以太技術(shù)，時(shí)間層同步采用PTP 技術(shù)。

3.3 高精度時(shí)間服務(wù)器部署原則

在需要部署的每個(gè)本地網(wǎng)內暫按配置一主一備2 套1588v2 高精度時(shí)間服務(wù)器（PRTC+GM）設備，應必須采用GPS/ 北斗雙模接收模式。

1588v2 高精度時(shí)間服務(wù)器原則上應部署于本地網(wǎng)核心節點(diǎn)機房，以便于將標準的頻率和時(shí)間基準信號經(jīng)不同的匯聚和接入環(huán)路傳遞至5G 基站設備。對于多核心節點(diǎn)結構網(wǎng)絡(luò )，應保證1588v2 高精度時(shí)間服務(wù)器（PRTC+GM）設備的同步服務(wù)能夠覆蓋全網(wǎng)，且服務(wù)能力形成主備關(guān)系。

3.4 智能城域網(wǎng)1588v2部署原則

智能城域網(wǎng)應用于5G 回傳網(wǎng)絡(luò )，具體部署需要滿(mǎn)足5G 要求的同步狀態(tài)機制。5G 移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò )中頻率同步信號與時(shí)間同步信號應盡量保證來(lái)自同一個(gè)參考源[4]，即時(shí)間同步（PTP）信號及頻率同步（SyncE）信號均溯源至部署在本地網(wǎng)核心節點(diǎn)的同一套高精度時(shí)間服務(wù)器設備的以太接口（默認GE 光口）。

移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò )傳遞1588v2 時(shí)，需要頻率同步進(jìn)行支撐。部署1588v2 前應提前配置好網(wǎng)絡(luò )頻率路徑，可根據現網(wǎng)情況進(jìn)行全網(wǎng)頻率主備用鏈路設計，應注意避免成環(huán)，保證頻率網(wǎng)絡(luò )穩健性。

3.5 智能城域網(wǎng)1588v2配置實(shí)現

以華為設備為例， 智能城域網(wǎng)全網(wǎng)MCR/MER/MAR 設備逐段使能1588v2 功能，使能端口時(shí)鐘同步功能，配置參與時(shí)鐘選源的端口優(yōu)先級。

MCR/MER/MAR 設備全局功能項配置，見(jiàn)表2。

MCR/MER/MAR 端口時(shí)鐘配置，見(jiàn)表3。

時(shí)鐘同步基于物理接口，不管接口是否加入了鏈路聚合組（Eth-Trunk），時(shí)鐘不受影響，時(shí)鐘報文逐跳端口終結，不會(huì )被Eth-Trunk 負載分擔。若設備之間通過(guò)Eth-Trunk 對接，建議只需要在Eth-Trunk 的任意一個(gè)成員接口配置時(shí)鐘同步即可，其他成員接口無(wú)需配置。

3.6 智能城域網(wǎng)線(xiàn)路時(shí)鐘優(yōu)先級和同步路徑規劃原則

當需要設置外部輸入時(shí)鐘信號或者1588 時(shí)鐘源參與系統選源時(shí)，需要指定該外部時(shí)鐘源等級，如果不指定則該時(shí)鐘信號不可以參與選源。缺省情況下，線(xiàn)路時(shí)鐘參考源的優(yōu)先級為0，此時(shí)該時(shí)鐘源不能參與選源。如要使該時(shí)鐘源參與系統選源，需要先為其配置選源優(yōu)先級。接口時(shí)鐘優(yōu)先級為本地優(yōu)先級，此參數只在本設備內部使用，不會(huì )通過(guò)報文傳遞給其他設備。

在實(shí)際選源過(guò)程中，時(shí)鐘源質(zhì)量等級（QL）的優(yōu)先級大于時(shí)鐘源優(yōu)先級。使能SSM 級別參與選源時(shí)，優(yōu)先根據時(shí)鐘源質(zhì)量等級的高低順序選擇同步參考源。未使能SSM 級別參與選源或使能SSM 級別參與選源但QL 相等時(shí)，系統依據時(shí)鐘源優(yōu)先級的高低順序選擇時(shí)鐘參考源^[5]。

智能城域網(wǎng)以太時(shí)鐘優(yōu)先級越小越優(yōu)先，優(yōu)先級取值范圍為1~255，0 不參與選源。智能城域網(wǎng)同步以太需要合理規劃，避免成環(huán)，總體原則為跟上不跟下，同級拆分。智能城域網(wǎng)線(xiàn)路時(shí)鐘優(yōu)先級典型組網(wǎng)如圖3 所示。

圖3 智能城域網(wǎng)線(xiàn)路時(shí)鐘優(yōu)先級典型組網(wǎng)

智能城域網(wǎng)部署主備雙時(shí)鐘源（BITS）， 接入MCR-1 和MCR-2，實(shí)現了1588v2 的多源保護機制。若現網(wǎng)發(fā)生鏈路故障或者網(wǎng)元整機故障，時(shí)鐘同步路徑將產(chǎn)生變化。

4   未來(lái)智能城域網(wǎng)如何提供高精度同步

技術(shù)的不斷發(fā)展，其同步要求越來(lái)越高，包括時(shí)鐘源、鎖相環(huán)等基本時(shí)鐘技術(shù)經(jīng)歷了多次更新?lián)Q代，同步技術(shù)也在不斷推陳出新，時(shí)間同步技術(shù)是當前業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)^[5]。在順應5G 的潮流中，中國聯(lián)通智能城域網(wǎng)可以通過(guò)協(xié)議增強和時(shí)鐘源下移等時(shí)鐘優(yōu)化方案提供更高精度標準。

隨著(zhù)各廠(chǎng)家小型化高精度時(shí)鐘源產(chǎn)品的發(fā)布，為時(shí)鐘源的下移提供了充足的動(dòng)力。例如華為公司開(kāi)發(fā)了AirBits，可以直接部署到接入側，大大減少了時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò )的跳數，從而提高了承載網(wǎng)輸出的時(shí)間精度。

5   結束語(yǔ)

智能城域網(wǎng)采用的1588v2 技術(shù)是當前唯一保證同步精度且建設成本低的方案，智能城域網(wǎng)時(shí)間同步傳遞由時(shí)間服務(wù)器至基站全程采用SyncE+PTP 方式，使用范圍包括時(shí)間服務(wù)器與回傳網(wǎng)絡(luò )之間、回傳網(wǎng)絡(luò )內部、回傳網(wǎng)絡(luò )不同設備形態(tài)之間和回傳網(wǎng)絡(luò )與基站之間，可以實(shí)現全網(wǎng)時(shí)鐘可視管理，快速故障定位，環(huán)網(wǎng)自動(dòng)測量，無(wú)需下站，高效運維。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）