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探索虛擬主參考時脈和5G網路計時架構

作者 : Jim Olsen，Microchip Technology資深應用工程師主管

編者按：作者之前也寫過一篇5G技術領域文章《5G改變網路計時架構》，其中詳細介紹了如何以精確時間協議(PTP)為主要架構實現5G前傳計時應用。本文介紹虛擬主參考時脈(vPRTC)，它是5G網路、傳輸技術和架構的另一個關鍵要素。

隨著計時及傳輸技術的發展和進步，它們為前傳應用的5G計時架構提供了增強功能和替代方案。本文介紹虛擬主參考時脈(vPRTC)的概念，對這些概念進行探究，並詳細說明了相關計時和傳輸技術及架構的一些優勢。

5G網路技術在蜂巢式行動營運商和LTE私人網路絡環境中的推廣力度不斷加大。5G新無線電(New Radio；NR)採用時分雙工(TDD)技術，要求所有新無線電部署與世界協調時間(Universal Coordinated Time；UTC)全球導航衛星系統(GNSS)的計時源保持相位對齊，並確保精度在+/-1.5μs範圍內。網路營運商需要瞭解在5G計時架構中使用精確時間協議(PTP)進行基於網路的計時所需的時間誤差抑制技術和虛擬主參考時脈(vPRTC)的概念，這對於其制定合理的基礎設施決策至關重要。

5G前傳應用中使用PTP實現基於網路的計時架構需要時間誤差分配工程，以確保計時要求得到支持，因為計時是基礎設施的關鍵組成部分。

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在無線通訊中，與計時有關的最普遍問題是同通道無線電干擾。當接收機正確追蹤衛星時，在蜂巢式基地台上部署GNSS (例如GPS、Galileo和北斗)接收機允許進行時隙傳輸分配，從而防止相鄰或接近頻率的無線電相互干擾。在覆蓋範圍重疊的無線電叢集中，如果GNSS接收機發生故障或停止正確追蹤，則將導致連接到GNSS接收機的無線電與相鄰的無線電相互干擾，因為計時降級或累積了相位誤差。由於無線電使用低成本、低性能的振盪器(無線電設計目標之一是通過使用規格較低的元件來降低成本)，因此計時降級會突然發生。

為了避免干擾問題，一旦計時開始降級，就需要立即停止使用無線電或關閉受計時降級影響的服務。為了減少這類故障情形，可以部署基於網路的PTP計時服務，在這種服務中，叢集中的無線電與整合GNSS接收機的PTP主時脈(grandmaster)同步。如果PTP主時脈中的GNSS發生故障或出現追蹤問題，同步到主時脈的無線電將相對於相鄰無線電保持相位對齊，並且不會出現干擾問題。

可以在PTP主時脈中部署高品質振盪器，以在較長時間內保持與UTC的時間對齊，並且架構中可以包含基於PTP的備用方案，以有助於在故障情形下維持UTC可追蹤時間。PTP主時脈基於網路的計時服務方法非常靈活，且具有成本效益。它可在GNSS故障情形中提供無線電叢集中相位對齊的額外好處，同時將GNSS部署到集中式存在點，可在其中為衛星星座設計安全而良好的視距。

圖1說明基於乙太網路光學前傳技術實現PTP到5G無線電叢集的分佈。使用PTP提供基於網路的計時服務的業務和技術案例正迅速發展。

圖1：此圖顯示了具有主時脈功能的GNSS計時接收機，它是前傳架構中分散式計時架構的一個示例。計時透過乙太網路公共無線電介面(eCPRI)鏈路從主時脈傳送到無線電。

上圖所示架構為基於網路的PTP計時服務，這項服務利用了分散式GNSS計時接收機。與對PTP資料流程的全路徑支援相關的技術進步在交換機和其他設備中導入了新型邊界時脈。此類時脈可減小這些設備在使用PTP進行計時的路徑中產生的時間誤差。現在可以滿足5G應用的嚴格計時要求，如1.5μs或260ns，而無需在5G無線電中的PTP用戶端附近使用GNSS計時接收機/PTP主時脈功能。

將基於網路的PTP計時架構用於5G計時應用等高精度應用時，務必要確保消除或減少盡可能多的計時誤差來源，因為每一奈秒的時間誤差都有很大影響。與計時誤差抑制相關的方法以兩個概念為中心，這兩個概念是時間誤差預算分配工程的一部分。

第一個概念側重於GNSS時間源，它由GNSS計時接收機和PTP主時脈功能組成。電信應用中用於計時的GNSS計時接收機稱為主參考時脈(PRTC)。PRTC技術分為三類，取決於GNSS在追蹤和提取GNSS衛星星座的時間時保持相對於UTC的時間精度大小。PRTC A類要求PRTC A處於UTC的+/-100ns範圍內。UTC是正確追蹤時為GNSS衛星星座提取的時間參考。PRTC B類要求PRTC B在正確追蹤時處於UTC的+/-40ns範圍內。增強型PRTC (ePRTC)類要求ePRTC在正確追蹤時處於UTC的+/-30ns範圍內。ePRTC還具有與GNSS漏洞相關的額外要求，該要求增加了保持規範，即如果GNSS接收失敗或受到影響，ePRTC將保持在UTC的100ns範圍內至少兩週。這是透過將銫原子鐘參考與GNSS計時接收機功能部署在同一位置來實現的。ePRTC具有可學習銫原子鐘讀數和GNSS UTC參考之間偏移的學習演算法。如果參考不可用，這些演算法可以補償銫原子鐘的偏移，並延長UTC可追蹤時間的保持期限。

第二個概念側重於傳輸網路和設備，稱為全路徑支援。在全路徑支援模型中，PTP時間戳記不會透過基於GNSS的PRTC品質主時脈和無線電單元(RU)中最終應用PTP用戶端之間路徑上的交換機和路由器。PTP時間戳記流在交換機入口點終止，並透過主時脈功能在交換機出口點再生。這一過程稱為邊界時脈(BC)功能，其目的是透過測量和補償由交換機的交換結構導入的時間戳記可變延遲來減小開關元件的時間誤差。隨著時間的推移，交換機內使用的BC技術不斷發展，從而允許在使用PTP實現基於網路的計時服務時減小計時誤差。BC技術首次引入時採用單一分類，此分類定義了包含BC功能的交換機所允許的最大時間誤差。對於允許更低最大時間誤差的交換機，現在有多個BC分類，這些分類允許在網路中更遠的距離處部署基於GNSS的主時脈功能，並且從RU中的PTP用戶端經過更多交換躍點。

邊界時脈功能可恢復來自PTP輸入的計時，屬於ITU標準G.8273.2中定義的電信時間次級/用戶端時脈(T-TSC)範疇。邊界時脈分類和T-TSC時間誤差功能以最大允許恒計時間誤差(cTE)為界，cTE是用單一數字表示的時間誤差平均值，可與精度規範相比較。請記住，BC技術允許減小交換設備的計時誤差，但不允許減小由於導入任何額外基於網路的不對稱性而導致的時間誤差。

表1描述了基於ITU標準的邊界時脈/T-TSC分類和相關的cTE邊界。

表1：表中確定各種邊界時脈分類及其相關的時間誤差分配預算要求。

主參考時脈和邊界時脈功能的技術進步允許使用PTP實現基於網路的計時服務，以便將計時服務的範圍從GNSS時間源擴展到終端RU應用(適用於距離和交換躍點數)，並保持超高精度以允許替代分散式GNSS計時架構，在GNSS架構中，GNSS時間源可以位於更靠近網路核心的中心位置。這一概念稱為虛擬主參考時脈(vPRTC)，可以透過乙太網路/資料封包交換或密集波分多工(DWDM)光傳輸網路進行工程設計。

vPRTC架構由三個部份組成。第一部份是具有PTP主時脈功能的GNSS時間源，此時間源可達到PRTC B(+/-40ns)或ePRTC(+/-30ns)品質標準。對於GNSS漏洞問題和保持性能，建議ePRTC增加銫原子鐘並與GNSS計時接收機部署在同一位置，以提高GNSS接收機相對於UTC的計時精度，同時提供延長保持時間的能力，即在GNSS訊號中斷時，可以保持小於100ns (相對於UTC)至少兩週。

第二部份是網路本身以及GNSS時間源和終端RU PTP應用之間的網路傳輸架構。vPRTC的此傳輸段必須提供具有C類或D類邊界時脈分類功能的全路徑支援，以便實現正確的時間誤差分配和抑制。vPRTC的第三個部份是網路邊緣接取位置，其中PTP時間戳記流會傳送到終端RU PTP計時應用。此位置必須恢復和重新生成PTP計時流，從而創建vPRTC功能並滿足小於100ns (相對於UTC)的PRTC A規範要求。隨後，此PTP計時流透過前傳網路段傳送到終端RU PTP計時應用。

圖2給出了C類邊界時脈全路徑支援傳輸網路中的vPRTC概念。

圖2：圖中給出使用C類邊界時脈時間誤差分配工程配置為虛擬主參考時脈(vPRTC)的分組網路。

總結

隨著網路技術的進步，支援在更遠距離和更長的網路元素鏈上實現高精度計時，從而使營運商可以選擇從邊緣到網路核心的不同位置為5G計時架構導入基於GNSS的時間源。vPRTC架構在彈性和冗餘方面擁有顯著的技術優勢。vPRTC可以採用東西向配置，其中有兩個位置來部署GNSS時間源和最高級時脈功能，從而實現ePRTC或PRTC冗餘。此外，這種配置還支援環網或Liner環網路架構中的雙向PTP計時流，當這種架構中發生光纖切斷時，允許從相反方向計時和通信，從而提高架構的彈性和冗餘度。

隨著5G網路的不斷發展，分散式GNSS PTP計時架構和集中式vPRTC PTP架構將成為全球營運商和5G LTE私人網路絡的可行商業和技術選擇。營運商必須意識到，在底層網路拓撲可用的情況下，務必要考慮到設計的嚴密性，以便建構最穩健且最可靠的計時架構。