[洪春金 許向東 黃毅華 盧洪濤]
目前國際形勢(shì)復(fù)雜,中美關(guān)系緊張,并有愈演愈烈的趨勢(shì)。目前全球GPS 同步衛(wèi)星服務(wù)由美國運(yùn)營掌控,而目前中國絕大部分4G基站均采用美國GPS 作為授時(shí)同步源,若由于種種原因,美國切斷中國區(qū)域的GPS 同步授時(shí)服務(wù),中國絕大部分4G基站將由于丟失同步源而全部癱瘓,4G 業(yè)務(wù)無法使用,對(duì)中國的影響極大,后果不堪設(shè)想。在中美關(guān)系每況愈下的情況下,提前考慮中國4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的同步授時(shí)安全問題及相應(yīng)對(duì)應(yīng)策略,將是極其重要及必要的。
FDD-LTE 4G基站采用頻分雙工機(jī)制,4G基站小區(qū)間不需要嚴(yán)格時(shí)間同步,采用頻率同步方式即可滿足4G基站同步要求,因此在5G NR TDD基站建網(wǎng)前,F(xiàn)DDLTE 4G基站在不需要時(shí)間同步應(yīng)用場(chǎng)景(例如COMP 等)的情況下,可以選擇如“以太同步、GPS 頻率同步”等方式。5G NR TDD基站建網(wǎng)后,由于涉及4G/5G 互操作,F(xiàn)DDLTE 4G基站要求選擇時(shí)間同步,原因分析如下。
(1)4G-FDD基站采用頻率同步,5G-TDD基站采用時(shí)間同步
如圖1 所示,因4G基站與5G基站間時(shí)鐘同步模式差異,標(biāo)準(zhǔn)5G 終端在現(xiàn)網(wǎng)4G網(wǎng)絡(luò)配置的LTE GAP 測(cè)量周期內(nèi)(測(cè)量周期Measurement Gap Repetition Period=40 ms,測(cè)量間隔Measurement Gap Length=6 ms)大概率測(cè)不到NR 鄰區(qū)SSB 信號(hào),從而導(dǎo)致4G基站到5G基站切換不成功,極大影響5G 終端在SA 組網(wǎng)架構(gòu)下的4G 到5G 切換功能。
圖1 4G-FDD 頻率同步5G-TDD 時(shí)間同步
(2)4G-FDD基站和5G-TDD基站均采用時(shí)間同步
如圖2 所示,在4G-FDD基站和5G-TDD基站均采用時(shí)間同步的情況下,假設(shè)4G基站幀頭與5G基站幀頭對(duì)齊(站間Time Alignment 校準(zhǔn)Error,TAE=0 ms),所以考慮到5G基站SSB Offset 設(shè)置下(通常為0,SSB在第0 個(gè)子幀),4G基站的MG offset 設(shè)置和MGL 測(cè)量間隙時(shí)長能夠滿足在MGL 時(shí)間段內(nèi)能夠測(cè)量到5G SSB 信號(hào),因此4G基站到5G基站能夠切換成功。
圖2 4G-FDD 時(shí)間同步5G-TDD 時(shí)間同步
通過第2 章節(jié)的理論分析,第3 章節(jié)將結(jié)合每種同步技術(shù)方案實(shí)施的應(yīng)用場(chǎng)景、改造成本、實(shí)施難度等進(jìn)行多維度比較分析,并對(duì)以下4 種替代同步技術(shù)方案進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)評(píng)估或邏輯推導(dǎo),得出具有實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值的部署方案。
(1)SyncE 同步以太方案
4G基站在GPS 同步源丟失的情況下,依賴4G基站自身晶振,基站一般能保持12~24 小時(shí)頻率同步,在此時(shí)間后,基站將無法保持嚴(yán)格頻率同步,從而導(dǎo)致滑碼、累積誤碼,影響基站切換,嚴(yán)重影響用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。通過第二章節(jié)的分析,在不考慮4/5G 互操作的場(chǎng)景,可以采用“SyncE 同步以太方案”,為4G-FDD基站提供頻率同步,從而保障4G網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。
如圖3 所示,同步以太方案的雙BITS 時(shí)鐘的時(shí)鐘源為北斗BDS 系統(tǒng),通過同步以太或外時(shí)鐘口接入CX600設(shè)備,同時(shí)每臺(tái)BITS 與設(shè)備間的接口最好進(jìn)行11 保護(hù),中間網(wǎng)絡(luò)需要規(guī)劃好主備跟蹤路徑和時(shí)鐘跟蹤接口,并全網(wǎng)啟用SSM 協(xié)議。環(huán)上節(jié)點(diǎn)應(yīng)從最短路徑跟蹤。優(yōu)先級(jí)規(guī)劃建議10、20、30 類推,為后續(xù)增加時(shí)鐘源預(yù)留優(yōu)先級(jí)值。4G基站一般通過ETH 口從A 設(shè)備獲取時(shí)鐘。同步以太方案需要逐跳支持,另外中間網(wǎng)絡(luò)需符合以下原則:從BITS 設(shè)備到基站的同步路徑節(jié)點(diǎn)不超過20 個(gè),超過20 個(gè)的場(chǎng)景,需要將時(shí)鐘源下移。目前傳輸網(wǎng)的傳輸設(shè)備均支持頻率同步信號(hào)傳遞,不需要進(jìn)行OTN 傳輸改造,因此該方案改造成本低,部署相對(duì)容易。
圖3 同步以太方案
(2)1588v2 時(shí)間同步方案
在考慮4/5G 互操作的場(chǎng)景,4G基站要求時(shí)間同步,此時(shí)可以采用1588v2 方案,但該方案涉及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的升級(jí)改造,包括BITS 時(shí)鐘需增加北斗星卡模塊、北斗天線模塊及時(shí)間輸出模塊,傳輸設(shè)備(主要是M-D 設(shè)備間波分設(shè)備)需升級(jí)支持PTP(1588v2)信號(hào),因此該方案對(duì)現(xiàn)網(wǎng)影響較大,改造成本高,部署難度較大,適合在4G基站無法安裝GPS 同步天線的場(chǎng)景,作為有效補(bǔ)充。
如圖4 所示,1588v2 時(shí)間同步方案的時(shí)間源,采用雙BITS 部署1588v2 OC 模式,雙BITS 通過FE/GE 口或者1PPS +ToD 向核心匯聚點(diǎn)注入時(shí)間,同時(shí)IP RAN網(wǎng)絡(luò)將從時(shí)間服務(wù)器獲取的時(shí)間信號(hào)通過1588v2 協(xié)議傳送至4G基站。逐跳部署1588v2,承載網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)配置BC 模式,協(xié)議封裝格式一般采用L2 組播,BMC 算法支持破環(huán)。1588v2 需要保障每對(duì)光纖長度對(duì)稱性,否則進(jìn)行補(bǔ)償。和以太同步一致,實(shí)際部署一般控制在20 跳以內(nèi)。4G基站通過PTP 接口(FE/GE,1588v2 OC 模式)或(1PPS +ToD)&2M 外時(shí)鐘接口接收1588v2 時(shí)間同步信號(hào)。
圖4 1588v2 方案
(3)4G基站升級(jí)到支持北斗/GPS 雙模方案
2019 年9 月,中國北斗衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)正式向全球提供服務(wù),因此通過對(duì)4G基站星卡進(jìn)行升級(jí)或更換,更換或增加相應(yīng)板卡以及GNSS 天線,實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗的適配,從而使4G基站可以通過中國北斗授時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步,該方案技術(shù)成熟,但改造成本相對(duì)較高,適合某些需要重點(diǎn)保障的4G 站點(diǎn)以及有緊急任務(wù)需求和保障的場(chǎng)景,例如應(yīng)急通信車上的4G基站。
(4)4G SyncE 同步以太方案+5G NR SSB 周期20 ms→5 ms 方案
如圖5 所示,在GPS 授時(shí)服務(wù)無法正常提供,1588v2時(shí)間同步方案無法全網(wǎng)部署的情況下,如果還要保證4G/5G 的互操作功能,則可以考慮4G基站采用“SyncE同步以太方案”,同時(shí)將5G NR SSB 周期從原來的20 ms 修改為5 ms,增加SSB 的發(fā)射頻率,從而保證5G 終端的4G 模塊,在LTE GAP 測(cè)量周期內(nèi)能夠搜索到NR SSB,同步到NR網(wǎng)絡(luò)從而成功切換到5G基站。
圖5 4G 頻率同步,5G 時(shí)間同步,SSB 發(fā)送周期5 ms
如表1 所示,以某運(yùn)營商5G基站上下行子幀配比為DDDSUDDSUU為例,由于該方案增加了SSB的發(fā)射頻率,因此會(huì)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的下行性能造成一定的損失,經(jīng)計(jì)算對(duì)比,5G網(wǎng)絡(luò)的下行性能損失約為3%,該方案適合在戰(zhàn)時(shí)或緊急情況下,基本保證4G、5G網(wǎng)絡(luò)均能正常工作的場(chǎng)景。
表1 NR SSB 周期20 ms →5 ms,5G網(wǎng)絡(luò)下行性能損失計(jì)算表
通過對(duì)“方案1”和“方案2”在某運(yùn)營商進(jìn)行試點(diǎn)評(píng)估,“方案3”和“方案4”邏輯推導(dǎo)等方式,并結(jié)合同步授時(shí)精度、4/5G 互操作功能、改造成本、實(shí)施難度、應(yīng)用場(chǎng)景等維度進(jìn)行綜合闡述分析,得出如表2 所示,具有實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值的結(jié)論。
表2 試驗(yàn)評(píng)估及邏輯推導(dǎo)結(jié)果
雖然中國北斗授時(shí)系統(tǒng)已在2019 年正式啟用,但由于歷史原因,目前某運(yùn)營商FDD-LTE 4G基站絕大部分僅支持GPS 衛(wèi)星授時(shí),如果對(duì)全網(wǎng)4G基站改造為支持BDS/GPS 雙模授時(shí)服務(wù),改造成本高,不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)。因此可以研發(fā)一種參考中國北斗系統(tǒng)同步產(chǎn)生GPS 信號(hào)授時(shí)的轉(zhuǎn)換裝置,通過該轉(zhuǎn)換裝置,可以產(chǎn)生與中國北斗信號(hào)嚴(yán)格同步的GPS 信號(hào),并向下集中授時(shí),支持“一拖多”,可以對(duì)機(jī)房中多個(gè)4G BBU 進(jìn)行集中授時(shí)。如圖6、圖7 所示。
圖6 改造前后系統(tǒng)對(duì)比示意
圖7 北斗轉(zhuǎn)GPS 信號(hào)發(fā)生器原理
該系統(tǒng)滿足BBU 的GPS 同步信號(hào)輸入要求,并且頻率精度和時(shí)間精度均能滿足基站要求,僅需增加北斗同步GPS 信號(hào)發(fā)生器,而無需對(duì)現(xiàn)有4G基站和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行任何改動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)改造最小化,以較低成本解決4G基站無GPS 同步授時(shí)的問題。此方案尤其適合某些重點(diǎn)區(qū)域的4G 站點(diǎn)或者應(yīng)急通信車的4G 站點(diǎn),若國際形勢(shì)非常危險(xiǎn),在迫不得已的情況下,甚至可以考慮在整張4G網(wǎng)絡(luò)全部部署該裝置,以確保4G網(wǎng)絡(luò)可以正常運(yùn)行,4/5G 互操作正常,5G網(wǎng)絡(luò)性能無損失。
通過對(duì)4G基站丟失GPS 同步授時(shí)的4 種技術(shù)方案進(jìn)行多維度分析,經(jīng)現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)評(píng)估驗(yàn)證或推導(dǎo)分析進(jìn)行綜合闡述論證,得出具有實(shí)際意義的結(jié)論。同時(shí),在中國北斗授時(shí)系統(tǒng)已正式啟用的情況下,創(chuàng)新性的提出可行性高的解決方案,具有很大應(yīng)用空間。眾所周知,網(wǎng)絡(luò)信息戰(zhàn)已然是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要一環(huán),從國家網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略安全層面考慮,提前考慮及制定4G網(wǎng)絡(luò)同步授時(shí)應(yīng)對(duì)方案,借助中國自研的北斗授時(shí)系統(tǒng),加快“參考中國北斗系統(tǒng)同步產(chǎn)生GPS 信號(hào)授時(shí)的轉(zhuǎn)換裝置”的研發(fā)及應(yīng)用,防范于未然,將可以使中國能夠更加從容應(yīng)對(duì)4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可能受到的安全攻擊問題。