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专家技术文章：《5G中分布式基带单元功能的授时影响》


Microchip Technology Inc.
资深技术顾问
Jim Olsen
自无线通信技术投入使用以来，网络授时一直是为无线服务提供支持的关键组成部分 。授时要求通常被称为“绝对”测量，这意味着授时必须可追溯到已知的源 。对于相位/时间应用，这种可追溯源通常是卫星星座 。全球定位系统（GPS）首次将卫星星座用于时间 。GPS主要为导航设计，旨在为GPS系统的用户提供三维定位数据，即经度、纬度和高度 。为了实现高水平的空间定位精度，必须将卫星与极其精确的授时源同步，并且能够再现该授时精度 。

借助精心设计的GPS授时接收机技术，GPS用户可以从GPS卫星上的同步原子钟中恢复极其精确的授时 。这种协调的授时允许相邻的接收机与相同的时间参考对齐 。GPS系统的天基原子钟由美国海军天文台（USNO）同步 。USNO与总部位于巴黎、负责全球范围计时的国际标准组织国际计量局（BIPM）一起进行连续的测量，以确保与世界其他地区协调一致的时间 。这种协调的世界时间或“绝对”时间被称为“协调世界时”，更常用的说法是UTC 。由美国国防部开发和维护的GPS则是第一个部署的定位、导航和授时（PNT）卫星星座，而现在全球范围内已部署了多个用于PNT的全球导航卫星系统（GNSS）技术 。其他GNSS系统的例子包括Galileo（欧盟）、Glonass（俄罗斯）、北斗（中国）、QZSS（日本）和IRNSS（印度） 。
随着无线技术从2G一路成功更新换代到5G，网络授时架构一直在并行发展 。2/3G分布式RAN使用了集成在宏蜂窝基站内的GPS授时接收机，5G网络则正朝着更加集中和/或中心加权的模型发展，其中GPS是一种用于授时分配的基于网络的时钟源 。
授时架构的发展分为三个不同的阶段 。在第1阶段中，针对频率网络设计了物理或数据包层级的授时，GPS本地部署在用于TDD（相位）应用的分布式RAN（DRAN）基站塔上 。第2阶段增加了更集中的GPS源，授时通过数据包传送到基带单元（BBU）的“池” 。第1阶段和第2阶段都使用了从BBU到无线电的专用授时链路 。第3阶段将时序分组协议直接扩展到无线电单元中，而不必依赖专用的授时，同时减少了DRAN基站对GPS的需求 。随着在5G中引入开放式RAN概念，BBU功能将分类为CU（集中式）和DU（分布式），并将发展为虚拟化和基于服务器的功能，这些功能将不需要包含在授时路径中 。
有一个重要的技术考虑是，将分布式GPS授时架构移植到基于网络的授时架构（基于精确时间协议（PTP）——IEEE 1588通过以太网授时协议的电信版本）的推动因素 。前者完全依赖GNSS接收机，而后者则引入了GNSS接收机和PTP最高级时钟技术相结合的概念 。在无线通信中，与授时有关的最普遍问题是同信道无线电干扰 。当GPS接收机正确追踪卫星时，在蜂窝基站上部署GPS接收机允许进行适当的时隙传输分配，从而防止以相邻或接近的频率运行的无线电相互干扰 。在覆盖范围重叠的无线电集群中，如果GPS接收机发生故障或停止正确追踪，则将导致连接到GPS接收机的无线电与相邻的无线电互相干扰，因为授时降级或积累了相位误差 。由于无线电使用低成本、低性能的振荡器（无线电设计目标之一是通过使用规格较低的组件来降低成本），因此授时降级发生得非常迅速 。
为了避免干扰问题，一旦授时开始降级，就需要立即停止使用无线电或关闭受授时降级影响的服务 。为了减少这种类型的故障情形，可以部署基于网络的PTP授时服务，在此服务中，集群中的无线电与集成了GPS接收机的PTP最高级时钟同步 。如果PTP最高级时钟中的GPS发生故障或出现追踪问题，同步到最高级时钟的无线电将相对于相邻无线电保持相位对齐，并且不会出现干扰问题 。可以在PTP最高级时钟中部署高品质振荡器，以在较长时间内保持与UTC的时间对齐，并且架构中可以包含基于PTP的备用方案，以帮助在故障情形下维持UTC可追踪时间 。PTP最高级时钟基于网络的授时服务方法非常灵活，且具有成本效益 。它可在GPS故障情形中提供无线电集群相位对齐的额外好处，同时将GNSS部署到集中式存在点，可在其中为卫星星座设计安全而良好的视距 。

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第1阶段：分布式GPS，宏蜂窝基站中的集成GPS授时接收机，适合CPRI授时应用
【专家技术文章：《5G中分布式基带单元功能的授时影响》】在此应用中，授时源是集成到BBU中的GPS接收机，该接收机通常与无线电头端（RH）位于同一蜂窝基站的底部 。BBU从GPS接收机中恢复授时，并使用公共无线电接口（CPRI）通过几米长的光纤将其传输到RH，如下面的图A所示 。

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