吳 宇

(中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司 規(guī)劃技術(shù)部，南京 210029)

0 引 言

第四代移動(dòng)通信(The 4th Generation Mobile Communication,4G)基站的地面授時(shí)已在現(xiàn)網(wǎng)得到規(guī)模應(yīng)用，精度要求在±1 500 ns水平。第五代移動(dòng)通信(The 5th Generation Mobile Communication,5G)基站是否需要地面授時(shí)，目前仍存在一定爭(zhēng)議，其中5G基站需要的地面授時(shí)精度是否大幅超過(guò)4G基站，是爭(zhēng)議的關(guān)鍵。本文認(rèn)為，面向5G基站構(gòu)建高精度地面授時(shí)鏈路是必要的，也是可行的。綜合考慮需求和實(shí)現(xiàn)成本，5G地面授時(shí)精度向ns級(jí)演進(jìn)是未來(lái)發(fā)展的必然方向，但不宜追求短期內(nèi)一步到位，應(yīng)分為兩個(gè)階段來(lái)達(dá)到。第一階段目標(biāo)是端到端授時(shí)精度從±1 500 ns提升到±300 ns(5倍于現(xiàn)有4G地面授時(shí)精度水平)，實(shí)現(xiàn)5G基站地面授時(shí)鏈路的全覆蓋和地基組網(wǎng)框架搭建，為此需在授時(shí)鏈路各環(huán)節(jié)均引入新的構(gòu)建方法，本文展示了現(xiàn)網(wǎng)部署驗(yàn)證這些方法的實(shí)例數(shù)據(jù)；第二階段目標(biāo)是在第一階段工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)技術(shù)升級(jí)將授時(shí)精度提升至ns量級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)天基(衛(wèi)星)授時(shí)精度的全面超越。本文主要討論第一階段相關(guān)的構(gòu)建方法及其驗(yàn)證。

1 構(gòu)建目標(biāo)

5G地面授時(shí)鏈路的構(gòu)建目標(biāo)包含以下4個(gè)方面：天地互補(bǔ)、加快基站小區(qū)切換、為新業(yè)務(wù)做能力儲(chǔ)備和為前傳網(wǎng)同步打基礎(chǔ)。

1.1 天地互補(bǔ)

天基授時(shí)和地面授時(shí)形成互補(bǔ)關(guān)系，有利于提高授時(shí)的整體可靠性。5G的新空口(New Radio, NR)與4G的時(shí)分復(fù)用長(zhǎng)期演進(jìn)空口(Long-Term Evolution Time-Division Duplex, TDD-LTE)的基本同步指標(biāo)相同，但同步誤差容限小于TDD-LTE，5G基站失步后會(huì)比TDD-LTE更易受到干擾且可能引起更大的干擾放大比例[1]，因此授時(shí)可靠性對(duì)5G的影響將大于4G，為基站提供空中為主、地面為備的兩路授時(shí)信號(hào)是得到業(yè)界較多認(rèn)同的方案[2]。天基(衛(wèi)星)授時(shí)的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需地面組網(wǎng)且授時(shí)均為一跳完成(結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單)，缺點(diǎn)是需要大量部署獨(dú)立衛(wèi)星接收天饋線、短穩(wěn)相對(duì)較差和經(jīng)常出現(xiàn)性能降質(zhì)現(xiàn)象[3]；而地基(光纖)授時(shí)的技術(shù)特點(diǎn)正好與天基形成性能互補(bǔ)。此外，在樓宇室內(nèi)、隧道內(nèi)或高樓林立區(qū)域時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)接收弱，地面授時(shí)可以在此類場(chǎng)景很好地輔助并有利于加速5G建站進(jìn)程，這一點(diǎn)已經(jīng)在4G建站過(guò)程中得到了驗(yàn)證。

1.2 加快基站小區(qū)切換

5G基站采用TDD制式，如果切換前的無(wú)線小區(qū)(Source Cell)和切換后的無(wú)線小區(qū)(Target Cell)之間彼此精確同步，則用戶終端(User Equipment, UE)只需測(cè)量自身至Source Cell和Target Cell之間的路徑時(shí)延差，即可直接得到切換后的定時(shí)提前值[4](Timing Advance, TA)，從而平滑地在新的無(wú)線小區(qū)中盡快開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，優(yōu)化切換性能[1]。

1.3 為新業(yè)務(wù)做能力儲(chǔ)備

5G垂直行業(yè)市場(chǎng)應(yīng)用的重要性甚于個(gè)人市場(chǎng)，未來(lái)將圍繞基站定位功能開(kāi)發(fā)精確定位服務(wù)類新業(yè)務(wù)?；径ㄎ还δ苤饕罁?jù)UE到基站的到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival, TOA)測(cè)量或差分(Time Difference of Arrival, TDOA)測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，5G基站的高精度地面授時(shí)是提供此類新業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)能力基礎(chǔ)條件之一，近期可實(shí)現(xiàn)不依賴衛(wèi)星的百米級(jí)定位精度，未來(lái)可將高精度授時(shí)或米級(jí)精確定位作為一種增值服務(wù)產(chǎn)品向外部市場(chǎng)提供[2]。

1.4 為前傳網(wǎng)同步打基礎(chǔ)

根據(jù)第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)規(guī)范TS 38.104，帶內(nèi)連續(xù)載波聚合(Intra-band Contiguous Carrier Aggregation, Inband CA)可能會(huì)發(fā)生在同一個(gè)基站的各有源天線單元(Active Antenna Unit, AAU)之間，兩個(gè)AAU之間的時(shí)間對(duì)齊誤差(Time Alignment Error, TAE)應(yīng)<260 ns，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)同步精度要求是±130 ns[5]，此時(shí)需要前傳來(lái)提供網(wǎng)同步。根據(jù)通用無(wú)線接口規(guī)范(Common Public Radio Interface, eCPRI)，各AAU和分布單元(Distributed Unit, DU)均應(yīng)連接至同一個(gè)時(shí)間參考源[6]，若網(wǎng)同步由傳輸網(wǎng)來(lái)提供，則為滿足上述TAE指標(biāo)，依據(jù)eCPRI傳輸承載需求規(guī)范，傳輸網(wǎng)的用戶側(cè)接口(User Network Interfac, UNI)即AAU與傳輸設(shè)備互聯(lián)接口處的相對(duì)時(shí)間誤差(Time Error, TE)應(yīng)<200 ns[7]，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)同步精度要求是±100 ns。當(dāng)前，傳輸網(wǎng)暫時(shí)難以滿足該指標(biāo)要求(成本過(guò)高)，但考慮前傳位于網(wǎng)絡(luò)邊緣，如果現(xiàn)階段先提升集中單元(Central Unit, CU)/ DU處的時(shí)間同步精度，就為前傳網(wǎng)提供了穩(wěn)定的參考源，未來(lái)精度繼續(xù)提升之后無(wú)需再重新組織同步網(wǎng)改造，即可一并解決前傳網(wǎng)同步問(wèn)題。

2 指標(biāo)分配和技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)上述構(gòu)建目標(biāo)，本文提出以下指標(biāo)分配和技術(shù)方案。

2.1 授時(shí)鏈路指標(biāo)分配

5G基站地面授時(shí)鏈路中的各基本元素仍與現(xiàn)網(wǎng)4G相同，包括時(shí)間源、精確時(shí)間協(xié)議(Precision Time Protocol, PTP)，例如：IEEE 1588V2的光纖傳遞、末端協(xié)議解析和應(yīng)用等，各段指標(biāo)分配方案如圖1所示。

圖1 5G基站地面授時(shí)鏈路邏輯結(jié)構(gòu)及指標(biāo)分配示意圖

以端到端±300 ns精度為總體目標(biāo)，則各環(huán)節(jié)指標(biāo)均需較大幅度地提升，與現(xiàn)網(wǎng)4G基站地面授時(shí)鏈路指標(biāo)分配情況進(jìn)行比較，如表1所示。

表1 與現(xiàn)網(wǎng)指標(biāo)比較表

2.2 指標(biāo)難點(diǎn)和技術(shù)方案

指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)和相應(yīng)技術(shù)解決方案分析如表2所示。

表2 指標(biāo)實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)和技術(shù)方案

2.3 衛(wèi)星雙頻接收或衛(wèi)星共視技術(shù)

地球大氣中的電離層干擾是目前衛(wèi)星接收機(jī)最大的誤差來(lái)源，其對(duì)授時(shí)精度的影響約在25～100 ns范圍。電離層對(duì)衛(wèi)星信號(hào)傳播的影響主要取決于層內(nèi)電子密度分布，可用總電子含量(Total Electron Content, TEC)來(lái)概要表征，TEC存在較大幅度的隨機(jī)擾動(dòng)，難以在末端進(jìn)行模型化的定值補(bǔ)償。但信號(hào)通過(guò)電離層時(shí)的額外延遲與信號(hào)頻率的平方成反比，因此可利用該特性(信號(hào)延遲與頻率的相關(guān)性)對(duì)同一個(gè)衛(wèi)星在兩個(gè)不同頻率上發(fā)射的相同信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，實(shí)時(shí)反演TEC，從而推算較為精確的電離層延遲[9-10]。

依據(jù)上述衛(wèi)星雙頻接收基本原理，工程上采用雙頻接收機(jī)同時(shí)接收解算兩個(gè)不同頻點(diǎn)的載波信號(hào)，配合算法調(diào)優(yōu)即可有效補(bǔ)償電離層延遲，從而將衛(wèi)星接收機(jī)的輸出精度提升至±30 ns。雙頻接收機(jī)的單機(jī)成本目前雖然大幅高于普通單頻接收機(jī)，但它對(duì)全網(wǎng)授時(shí)精度的提升是基礎(chǔ)性的，整體效益突出，應(yīng)成為后續(xù)新建授時(shí)中心的首選。

再進(jìn)一步的精度提升就需引入基于衛(wèi)星共視的共鐘比對(duì)技術(shù)，基本原理是兩地接收機(jī)同時(shí)觀測(cè)同一顆衛(wèi)星，將該衛(wèi)星作為遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)的中間媒介，周期性解算測(cè)量結(jié)果后，得到本地鐘與遠(yuǎn)程原子鐘之間的時(shí)間偏差參數(shù)，再用此參數(shù)對(duì)本地鐘進(jìn)行駕馭，可提高本地鐘的輸出精度至±10 ns水平[11-12]。搭建衛(wèi)星共視觀測(cè)環(huán)境需要配置亞 ns級(jí)高精度時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器(直接影響遠(yuǎn)程復(fù)現(xiàn)精度)[13]，還需長(zhǎng)期購(gòu)買和周期性接收國(guó)家級(jí)守時(shí)服務(wù)單位的數(shù)據(jù)服務(wù)，對(duì)站內(nèi)線纜長(zhǎng)度精確測(cè)量及補(bǔ)償?shù)囊笠草^高，部署復(fù)雜度和成本高于雙頻接收，因此工程實(shí)踐宜謹(jǐn)慎。

2.4 單跳PTP處理精度提升

存量的基站PTN傳輸設(shè)備主要面向±1 500 ns授時(shí)精度設(shè)計(jì)，單跳PTP處理精度約在±30 ns，需要進(jìn)行多個(gè)環(huán)節(jié)的軟硬件優(yōu)化才能有效提升精度。對(duì)于投產(chǎn)時(shí)間超過(guò)兩年的PTN設(shè)備，就涉及到大量板卡硬件甚至機(jī)框的更換。而新型SPN傳輸設(shè)備的開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)中已完成了上述大部分優(yōu)化工作，單跳協(xié)議處理精度已提升至±5 ns以內(nèi)，因此建議結(jié)合SPN系統(tǒng)的新建部署進(jìn)度，優(yōu)選SPN系統(tǒng)來(lái)承載PTP。

精度提升思路主要圍繞打時(shí)間戳誤差、設(shè)備內(nèi)部傳遞時(shí)延誤差、芯片收發(fā)誤差和頻率穩(wěn)定度誤差等方面來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，對(duì)于配置了新型靈活以太網(wǎng)(Flexible Ethernet, FlexE)線路接口的PTN或SPN設(shè)備，還需支持通過(guò)FlexE開(kāi)銷幀進(jìn)行PTP報(bào)文的轉(zhuǎn)換、插入、傳遞和提取[14]。精度提升工作具體包括打戳位置下移靠近物理接口、動(dòng)態(tài)測(cè)量和補(bǔ)償內(nèi)部信號(hào)分發(fā)時(shí)延、采用恒溫晶振減少基準(zhǔn)頻率漂移、抑制報(bào)文交換板卡的時(shí)間抖動(dòng)等，目前新型商用設(shè)備已可穩(wěn)定地達(dá)到單跳±3 ns協(xié)議處理精度。

2.5 授時(shí)組網(wǎng)架構(gòu)優(yōu)化

擴(kuò)展現(xiàn)有省-地市兩級(jí)授時(shí)架構(gòu)，將時(shí)間源服務(wù)器下沉至新增的區(qū)縣授時(shí)中心，形成省-地市-區(qū)縣3級(jí)授時(shí)架構(gòu)，從而縮短偏遠(yuǎn)基站至授時(shí)中心的距離。限制傳輸系統(tǒng)各層次環(huán)路上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量(環(huán)路的大小)，減少授時(shí)鏈路傳遞總跳數(shù)，建議城域網(wǎng)接入層<8跳，匯聚層<6跳，核心層<4跳。

2.6 單纖雙向線路接口

通過(guò)采用單纖雙向傳輸線路接口來(lái)承載PTP可減少地面光纖網(wǎng)絡(luò)中鏈路收發(fā)路徑長(zhǎng)度差異所導(dǎo)致的PTP解算誤差。建議城域網(wǎng)接入層采用單纖雙向10 GE/50 GE組環(huán)，匯聚層和核心層獨(dú)立組建GE同步環(huán)，長(zhǎng)距傳輸采用波分復(fù)用系統(tǒng)單纖雙向光監(jiān)控信道(Optical Supervisory Channel, OSC)傳遞。

需特別指出，采用單纖雙向技術(shù)并不能保證精確的收發(fā)對(duì)稱，其包括兩個(gè)影響因素，一是不同中心波長(zhǎng)的光信號(hào)存在傳播時(shí)延差異，二是激光器發(fā)光波長(zhǎng)在溫控允許范圍內(nèi)的漂移。以收發(fā)波長(zhǎng)分別為1 310/1 550 nm為例，這兩個(gè)因素引入的收發(fā)路徑時(shí)延差分別約為3.0和0.3 ns / km，距離較長(zhǎng)時(shí)該誤差仍不可忽視。建議工程部署應(yīng)優(yōu)選波長(zhǎng)數(shù)值差異較小的成對(duì)波長(zhǎng)，例如1 310/1 490 nm(用于GE接口)、1 270/1 330 nm(用于GE/10 GE接口)、1 490/1 510 nm(用于波分OSC接口)和1 295/1 309 nm(用于50 GE接口)等，設(shè)備考慮支持自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償上述時(shí)延差。建議后續(xù)面向更高精度的應(yīng)用，宜采用同波長(zhǎng)單纖雙向光模塊(例如內(nèi)置光環(huán)行器實(shí)現(xiàn)同波長(zhǎng)雙向通信)，專門用于承載PTP。

2.7 PTP協(xié)議遠(yuǎn)端延伸

由5G基站設(shè)備自行完成末端PTP解算，需要無(wú)線基站支持PTP并開(kāi)啟協(xié)議接收和解算功能(5G基站設(shè)備均已支持)，可避免末端電纜(傳輸設(shè)備至基站設(shè)備之間的1PPS+ToD外接口線纜)長(zhǎng)度測(cè)量不準(zhǔn)確導(dǎo)致的時(shí)延補(bǔ)償誤差。這樣，PTP傳遞過(guò)程就一直延伸到基站設(shè)備內(nèi)部，而不是終結(jié)在傳輸接入設(shè)備上，改善了在基站內(nèi)部的局內(nèi)傳遞精度。

3 授時(shí)鏈路構(gòu)建方法

基于上述技術(shù)方案，整體構(gòu)建方法如下。

3.1 組建授時(shí)中心

在一個(gè)省范圍內(nèi)，組建3個(gè)等級(jí)的授時(shí)中心，設(shè)置原則如表3所示。

表3 授時(shí)中心設(shè)置原則

上述授時(shí)中心選擇的機(jī)房需具備可靠性和利于穩(wěn)定收星的條件，包括雙路由光纜進(jìn)出、機(jī)房周邊衛(wèi)星接收路徑無(wú)遮擋等，機(jī)房?jī)?nèi)應(yīng)配置雙模(北斗/全球定位系統(tǒng))雙頻衛(wèi)星接收機(jī)和雙銣鐘基準(zhǔn)參考源。同等級(jí)的主備授時(shí)中心之間，不設(shè)置授時(shí)分發(fā)關(guān)系[8]。上級(jí)中心可向下級(jí)主備中心同時(shí)進(jìn)行授時(shí)分發(fā)，建議一般不做越級(jí)授時(shí)分發(fā)。

這里還需對(duì)設(shè)置主/備授時(shí)中心的必要性進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)本級(jí)主中心出現(xiàn)衛(wèi)星接收故障時(shí)(包括衛(wèi)星接收機(jī)故障、輸出設(shè)備和輸出線路故障)，下游設(shè)備會(huì)優(yōu)先切換到跟蹤同級(jí)備中心，由于統(tǒng)計(jì)主/備中心僅位置有差異，對(duì)下游設(shè)備來(lái)說(shuō)授時(shí)信號(hào)優(yōu)先級(jí)、跟蹤路徑和鏈路傳遞跳數(shù)的變動(dòng)都很小。若僅設(shè)置單一主授時(shí)中心，則本級(jí)主中心故障時(shí)，下游設(shè)備會(huì)切換到跟蹤再上一級(jí)授時(shí)中心，此時(shí)優(yōu)先級(jí)、路徑和跳數(shù)都產(chǎn)生大幅跳變。顯然設(shè)置主/備中心對(duì)提高下游跟蹤的穩(wěn)定性更為有利。

3.2 明確跟蹤關(guān)系和授時(shí)分發(fā)路徑

正常狀態(tài)下，省內(nèi)3級(jí)授時(shí)中心之間的跟蹤關(guān)系和授時(shí)分發(fā)路徑如圖2所示。

圖2 省內(nèi)3級(jí)授時(shí)中心跟蹤關(guān)系和分發(fā)路徑示意圖

由圖可知，增設(shè)第3級(jí)區(qū)縣授時(shí)中心，主要作用是縮短末端偏遠(yuǎn)基站的授時(shí)鏈路跳數(shù)。正常情況下，各級(jí)授時(shí)中心均以衛(wèi)星信號(hào)為跟蹤源頭，經(jīng)本地計(jì)算輸出。整體的構(gòu)建方案充分結(jié)合了天基、地面波分 / 分組傳輸系統(tǒng)和外部 / 內(nèi)部接口的優(yōu)點(diǎn)，以求盡可能達(dá)到工程部署的各方面要求。但該構(gòu)建方法仍存在以下兩個(gè)問(wèn)題需要解決。

3.3 PTP傳遞跳數(shù)超限問(wèn)題及其解決方案

省—地市—區(qū)縣授時(shí)中心之間的地面PTP傳遞是經(jīng)由波分系統(tǒng)的OSC進(jìn)行的，雖然已采用單纖雙向OSC，但每個(gè)光終端復(fù)用站(Optical Terminal Multiplexer, OTM)和光線路放大器站(Optical Line Amplifier, OLA)均需要對(duì)OSC通道數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析和重新封包操作，目的是獲取對(duì)端監(jiān)控信息和加載本站監(jiān)控信息，而PTP包是占用了監(jiān)控信道帶寬一并傳送的，所以PTP報(bào)文在各OLA站仍被逐跳解析[15]，每一跳都會(huì)增加時(shí)間誤差，如圖3所示。

圖3 波分系統(tǒng)OSC承載PTP的處理過(guò)程示意圖

在長(zhǎng)途波分傳輸系統(tǒng)中，通常每60～80 km需要設(shè)置一個(gè)OLA站(少數(shù)跨段可超過(guò)100 km)，因此需要消耗掉大量PTP傳遞跳數(shù)。以350～400 km的典型長(zhǎng)途波分傳輸為例，約需設(shè)置兩個(gè)OTM站和4個(gè)OLA站，涉及6跳PTP處理。

考慮端到端限值僅20跳，這樣的傳遞消耗容易導(dǎo)致兩種超限，一是波分環(huán)路上的長(zhǎng)路徑傳遞跳數(shù)超限，二是授時(shí)跟蹤從主用路徑切換到備用路徑之后的傳遞跳數(shù)超限。由此，也就易于理解圖2中的地市/區(qū)縣中心均以天基信號(hào)為主用跟蹤方向的原因。

對(duì)于第1種超限，解決方案是通過(guò)系統(tǒng)規(guī)劃盡量使用長(zhǎng)途波分系統(tǒng)環(huán)路上的短路徑OSC來(lái)承載PTP，避免使用長(zhǎng)路徑。東部省份通常可以找到地市至省中心的500 km以下短路徑，若無(wú)法滿足，則說(shuō)明該地市的現(xiàn)有光纜線路路由未能充分利用高速、高鐵等通道，應(yīng)盡快規(guī)劃建設(shè)新的直達(dá)線路。

第2種超限的場(chǎng)景是衛(wèi)星信號(hào)大范圍降質(zhì)或出現(xiàn)區(qū)域性強(qiáng)干擾，則部分地市主/備中心和區(qū)縣主/備中心可能同時(shí)丟失衛(wèi)星信號(hào)，下游設(shè)備只能選擇跟蹤再上一級(jí)的授時(shí)中心，此時(shí)授時(shí)鏈路中包含了較多的長(zhǎng)途OLA站，傳遞跳數(shù)明顯增加且無(wú)法通過(guò)比對(duì)衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)來(lái)改善精度，如圖4所示。

圖4 第二種超限場(chǎng)景下的傳遞跳數(shù)示意圖

對(duì)于第2種超限，近期解決方案是對(duì)設(shè)備處理的優(yōu)化，采用本文3.4節(jié)的思路對(duì)波分系統(tǒng)的PTP處理板卡進(jìn)行升級(jí)，并通過(guò)固定板卡適配槽位(使設(shè)備內(nèi)部的協(xié)議包轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延固定下來(lái)以便于精確補(bǔ)償)，將單跳處理精度提高到±3 ns水平。該方案無(wú)法解決跳數(shù)超限，但可顯著控制精度指標(biāo)劣化程度，且對(duì)系統(tǒng)無(wú)改動(dòng)，僅更新板卡，易于實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于第2種超限的遠(yuǎn)期解決方案是引入新的波分系統(tǒng)PTP傳遞技術(shù)，將OSC中的PTP包與普通監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包分離，其中普通監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包仍采用原有的方式逐站處理，而PTP包在各OLA站僅作再生并以固定時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)到下游，大幅降低長(zhǎng)途波分系統(tǒng)中引入的PTP傳遞跳數(shù)。具體做法是從OSC中分離出一部分獨(dú)立頻譜專門用于PTP傳遞[16]，該做法可獲得很高的傳遞精度，但該方案對(duì)系統(tǒng)改動(dòng)較大，需要新增專用板卡及定制濾波器和光模塊，實(shí)現(xiàn)有一定難度。還可選擇對(duì)主光通道中的波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行小信號(hào)調(diào)頂，疊加一路低速率信息專門用于傳遞PTP，只要控制調(diào)頂深度<15%，對(duì)波分系統(tǒng)性能的影響就很小[17]。

3.4 全網(wǎng)單一溯源依賴性問(wèn)題及其解決方案

按照?qǐng)D2的構(gòu)建方法，全網(wǎng)依然存在對(duì)衛(wèi)星時(shí)間源的單一溯源依賴，若發(fā)生全省范圍衛(wèi)星雙模接收長(zhǎng)期失效的故障(如太陽(yáng)風(fēng)暴或強(qiáng)電磁干擾)，因缺少地面?zhèn)溆酶呔葧r(shí)間源，整個(gè)省網(wǎng)將進(jìn)入保持狀態(tài)，該問(wèn)題有待圖4中的國(guó)家骨干光纖時(shí)間網(wǎng)授時(shí)節(jié)點(diǎn)的建成才能徹底得到解決。但是，不依賴衛(wèi)星的國(guó)家骨干光纖時(shí)間網(wǎng)需要實(shí)現(xiàn)光纖時(shí)頻信號(hào)的超遠(yuǎn)距離傳遞，摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)的噪聲積累仍會(huì)影響傳遞精度，改進(jìn)方案的驗(yàn)證應(yīng)用還需要時(shí)間[18]。

單一溯源依賴問(wèn)題對(duì)5G基站授時(shí)需求本身的影響可控，但對(duì)精確定位等增值服務(wù)的影響較大。在全網(wǎng)保持狀態(tài)下，只要3級(jí)授時(shí)跟蹤關(guān)系正常，同一區(qū)域內(nèi)的5G基站均能溯源至省授時(shí)中心時(shí)鐘。在該時(shí)鐘的頻率保持時(shí)間段內(nèi)(48～72 h)，基站的絕對(duì)時(shí)間精度雖已較大幅度地偏離基準(zhǔn)值(數(shù)μs)，不同基站之間的相對(duì)時(shí)間偏差仍可保持在百ns量級(jí)[19]，因此本文的構(gòu)建方法仍能為5G基站提供2～3天區(qū)域授時(shí)保底服務(wù)，等待衛(wèi)星接收恢復(fù)。

4 驗(yàn)證測(cè)試實(shí)例

4.1 驗(yàn)證部署實(shí)例

為驗(yàn)證構(gòu)建方法的可行性和性能，在蘇州5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，選擇SPN傳輸系統(tǒng)的部署實(shí)施工作，并進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)試環(huán)境涉及8個(gè)SPN網(wǎng)元、3個(gè)5G基站、兩套時(shí)間源服務(wù)器、雙頻/共視接收機(jī)和時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器等，如圖5所示。

圖5 驗(yàn)證部署實(shí)例組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

在圖5的組網(wǎng)中，共視接收機(jī)的輸出直接跟蹤遠(yuǎn)程標(biāo)準(zhǔn)源(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院守時(shí)實(shí)驗(yàn)室原子鐘)，并被用作本地測(cè)試的高精度參考源，配合使用高精度時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器進(jìn)行時(shí)間誤差判讀，測(cè)試操作前對(duì)接收饋線/接口線纜長(zhǎng)度等易產(chǎn)生誤差的因素均進(jìn)行了精準(zhǔn)測(cè)量和補(bǔ)償。

4.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)論

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)論如表4所示。

表4 實(shí)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)表

上表中的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的儀表記錄如圖6所示。

圖6 實(shí)測(cè)結(jié)果儀表記錄

通過(guò)實(shí)際部署驗(yàn)證了端到端授時(shí)鏈路構(gòu)建方法的可行性，能夠?yàn)?G基站提供穩(wěn)定可靠的高精度地面授時(shí)信號(hào)。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，改用雙頻接收機(jī)確實(shí)提升了時(shí)間源服務(wù)器輸出精度，鏈路傳遞精度符合預(yù)期，主備時(shí)間源倒換對(duì)授時(shí)精度影響較小。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳解了5G基站高精度地面授時(shí)鏈路構(gòu)建需求，分析提出了目標(biāo)、方法、關(guān)鍵技術(shù)和解決方案，亦探討了傳遞跳數(shù)超限和不依賴衛(wèi)星組網(wǎng)等關(guān)鍵問(wèn)題和需求，最后通過(guò)部署實(shí)例及實(shí)測(cè)結(jié)果全面驗(yàn)證了方案的可操作性。高精度地面授時(shí)鏈路將成為5G網(wǎng)絡(luò)中重要的組成部分，支撐后續(xù)5G網(wǎng)絡(luò)商用運(yùn)營(yíng)，并為未來(lái)對(duì)外提供授時(shí)服務(wù)做好準(zhǔn)備。