整合式GNSS主时钟显威 LTE网路突破同步瓶颈

作者:Eric Colard(美高森美市场行销和业务发展总监)
定时(Timing)和同步(Synchronization)曾是常规的网路功能,其要求正随著行动网路和回程(Backhaul)技术的演进而快速变化。电讯营运商借助IEEE1588精确时间协定(Precision Timing Protocol, PTP)和/或非同步乙太网(SyncE)成功解决了传送频率同步的问题。

分时双工长程演进计画(LTE-TDD)和先进长程演进计画(LTE-Advanced)已带来全新且非常严格的时间和相位同步要求,随著小型蜂巢基地台(Small Cell)问世,几种崭新的回程网路(Backhaul Network)技术也相继出现。

此外,定时(特别是全球定位系统全球卫星定位系统(GPS)提供的定时)对业界而言是一个关键的网路安全环节,因为GPS会受到不同形式的干扰而影响定时的结果,包括恶意攻击在内。严格的相位定时、新的回程技术及安全要求,使得小型蜂巢基地台的同步问题备受关注。每个网路适用哪些解决方案,要由几项根本条件决定,并且借助最适用的精确时间协定PTP母钟(Grandmaster)技术来实现。

另一个特殊情况,就是部署在高层大楼中的小型蜂巢基地台网路,直到现在长距离跨多层(Multi-floor)的线路运行,都只能透过架设于屋顶上的定时接收器及天线来连接小型蜂巢基地台,但其安装工作既困难又昂贵。现在,新型的全球导航卫星系统主时钟(GNSS Grandmaster)解决方案,将适用于这些小型蜂巢基地台,它在小型封装中整合了天线,是高成本效益而且随插即用的单一解决方案。

LTE网路催化定时/同步技术发展

定时和同步是数位网路运行的根本。以往只要求採用相对容易的频率同步,但现在LTE-TDD和LTE-A技术提高了对相位和时间的要求。图1可协助理解三者之间的差异。电信营运商的网路建基于非常精确和准确的主基准时钟(Primary Reference Clocks, PRC)性能,实现必要的精确度和准确性。在几乎所有情况下,该基准来自全球导航卫星系统(包含GPS、GLONASS或北斗)传送的讯号。

图1 频率、相位和时间同步的关系

高品质的GNSS接收器取得频率并根据卫星讯号计算时间,然后同步设备把这些资料作为网路定时的基准参考。最佳的定时和同步设备还将使用额外的频率输入,例如同步乙太网(Synchronous Ethernet, SyncE)或E1/T1讯号,使解决方案能够更快融合精确和准确的时间上,并在GNSS讯号受损或短暂中断时改善保持性能(Holdover)。

在LTE-TDD和LTE-A网路中,时间和相位基准必须追溯至协调世界时(Coordinated Universal Time, UTC)。ITU-T G.8272定义基准主时钟(Primary Reference Time Clock, PRTC)的要求,就是基于建立已久的主基准时钟标准和用于频率同步的主基准源(Primary Reference Sources, PRS)相比的时间和相位。

如果没有共同的UTC时间基准,蜂巢基地台(Cell Site)将无法如预期运作。值得一提的是,SyncE仅仅是一个频率基准,不能被PTP时钟(如边界时钟)做为主时间基准使用。

对于具有非常严格定时要求的无线通讯应用,无线基地台早已部署了原子钟振盪器,以应对GPS定时接收器无法处理卫星资料的情况。新技术LTE网路的部署也会採用高成本效益的PTP/IEEE1588技术。该技术不须透过基地台内的原子钟振盪器,就可以保留并维持时间及相位。

PTP/IEEE1588技术跟在24小时内保持误差小于1.5微秒(Microsecond)的严格定时准确性相比,较优先考虑成本问题。

作为第二或第三层时间戳协定的PTP可分配来自母钟(Grandmaster Clock)的准确定时源,可被分配给LTE基地台当作GNSS时钟源的后备,或是在没有GNSS讯号的地区当作主时钟源。GNSS接收器和PTP彼此互补,PTP可验证GNSS接收器是否提供准确的网路定时,而GNSS接收器同样也可以验证PTP是否传达准确的网路定时。

LTE网路同步有三大方法

满足LTE-TDD和LTE-A网路的严格相位和时间同步要求的技术主要有三种:无处不在的GNSS;完全路径上(On-path)支援的PTP;以及部分路径上支援和/或边缘母钟(Edge Grandmaster)的PTP。每种解决方案都各有优点和缺点。

.无处不在的GNSS:

在每一个行动基地台部署GNSS接收器,可以是一台单独设备或者嵌入到基地台中,还可以嵌入或搭配支援基地台同步传送的邻近蜂巢基地台路由器(Cell Site Router, CSR)及网路周边设备(Network Interface Device, NID),一般是使用PTP。

这种方法虽然简单直接,但并非每一个地点都可行(特别是公共存取小型基地台),而且它还会使得基地台容易受到GNSS讯号的干扰。GNSS讯号接受力弱的问题也日益受到关注,因为GNSS讯号在地球表面非常微弱,而且容易受干扰。由于一些地区难以实行无所不在的GNSS,选择採用这种方法的电讯营运商须要採用另一个替代解决方案,而且这种方法的最佳实践也必须备份定时源。无论是作为主要的定时方案,或作为GNSS无法部署地区的替代源,以及当GNSS受损时作为备份,电讯商也有必要同时使用其他解决方案。

.完全路径上的PTP(G.8275.1):

IEEE1588-2008精确时间协定应用在封包架构的回程网路上,可将同步资讯传输到要求频率同步的行动网路单元,是已经得到验证的技术。它一般是使用集中式PTP母钟(透过GNSS主基准来满足G.8272 PRTC要求)部署,然后与行动网路单元中的子时钟或客户端软体进行交互操作,使得使用者端设备能够确定频率并计算时间。

最适合使用完全路径上支援的情况,就是未开发地区(Greenfield)部署,即是在每一个位置都部署新网路回程设备;但是对于其他网路环境,这种方法却存在实际的缺点。

.部分路径上支援搭边缘母钟的PTP(G.8275.2):

部分路径上支援是指在网路中间位置部署高阶的边界时钟(Boundary Clock),以针对在未开发地区以外的现实网路环境中,更为可行的相位定时解决方案的需求。

这个方法的关键是限制母钟和使用者端设备之间的跳数以及路径的不对称。高阶的边界时钟配有优异的振盪器,并可利用额外的输入如SyncE和E1/T1电路作为频率基准,以维持直到路径中下一个使用者端设备的高准确度时间戳。

边缘母钟透过靠近使用者端设备部署的方式,以确保网路同步的准确性,从而减少跳数及回程网路的问题。边缘母钟包含GNSS基准,运行方式类似集中式PTP母钟设备,最大分别是它们为针对更靠近网路边缘的部署而调节扩大规模并使成本最佳化。

採用高阶边界时钟的边缘母钟和/或部分路径上支援提供许多优势,包括可灵活地在不同的网路场景中工作,能更为经济地部署小型蜂巢基地台,不必为了嵌入式边界时钟而升级回程网路(也可能为SyncE而升级)以节省成本。它还可避免与封包时延变化增大、不对称和/或协力厂商网路回程相关的问题。再者,定时和同步保护技术可保持行动网路的高可用性和性能,不会因为众多嵌入式边界时钟的其中一个失效而威胁到同步可靠性。

最后一点,它使扩展保持性能成为可能,因为一个优异的铷振盪器(Rubidium Oscillator)的成本能够由多个基地台来分担,而且可沿用在集中式PTP母钟和SyncE上的现有投资,同时保留为频率同步而实施的实践和多重通讯协定标籤交换(MPLS)网路和工程的流程。

新型GNSS主时钟受瞩目

电讯营运商小型蜂巢基地台的市场开始起飞。这种室内部署在2014年开始兴起。行动产业的专家表示,有64家电讯营运商提供小型蜂巢基地台给客户做网路使用,并有超过44家电讯营运商使用企业级小型蜂巢基地台。

当前室内小型蜂巢基地台同步面临三项挑战:

.部署室外GNSS天线产生的高营运费用。
.在屋顶设站存取的法律问题以及相关的设站授权许可费。
.安装GNSS天线和布线的营运团队,要负上的责任以及保险等各方面的问题。

室内小型蜂巢基地台须要准确定时,必须动用室外GNSS天线;对于相当少数的小型蜂巢基地台,目前为止安装GNSS天线都是十分昂贵的,而且通常十分複杂。iGR报告指出,部署小型蜂巢基地台的平均成本约为三万一千美元,比小型蜂巢基地台本身的成本高出很多。

同样地,在屋顶部署GPS天线的成本通常为一万五千至二万五千美元,在高层建筑中更可能高达六万美元,另外还有每年租用屋顶的支出费用。

另一个选择是在小型全封闭的封装中完全整合1588v2 PTP主时钟和GNSS接收器及天线的解决方案,这也是一款针对室内安装所设计的产品。这项解决方案毋须在屋顶安装天线和相关布线,从而大幅减少所需的成本,同时可提供所有1588主时钟的性能条件。

美高森美首创的整合式全球导航卫星系统主时钟(Integrated GNSS Master, IGM)解决方案开创了这类型解决方案的先河,由于省去了室外天线的需求,因此可显著降低典型GNSS天线系统的採购、安装和维护资源配置成本。

该GNSS接收器使用专利的演算法,可在许多不同的室内环境中进行配置。IGM使用标准乙太网设施,还可利用乙太网供电(Power-over-Ethernet, PoE)来简化安装,而且从乙太网电缆直接使用的功率不超过12.95W。就像安装典型的室内Wi-Fi热点一样,IGM能够安装在牆壁或天花板上,并透过PoE连接至网路。IGM可以自动配置并且锁定GNSS讯号,为小型蜂巢基地台的运作提供精确和准确的PTP主时钟同步。

这解决方案也可配合电讯运营商已经部署在自家网路中的PTP1588产品,从而为企业客户提供更可靠的服务,同时最大限度降低投资成本及营运成本。

该如何部署LTE-TDD和LTE-A同步网路的问题,并没有单一简单的答案。以往常用的「在回程网路上传送频率同步」技术已无法满足相位和定时的严格要求。只依赖无处不在的GNSS接收器和天线,无论就经济或技术上而言,也不能适合所有情况;而单独採用GNSS则会使基地台受制于卫星讯号系统的弱点。由于这些原因,使用IEEE1588 PTP并以网路传送时间为基础的设计将成为每家行动网路营运商网路的一部分。对于大部分的新建网路条件,完全途径上支援是最可行的,然而边缘母钟的部署或高阶的边界时钟则提供较高灵活性,可适用于广泛的网路场景,同时提供同步保护解决方案,以及交换机和路径不对称补偿。

最近,随著创新型网路定时解决方案及将其安装在室内的方法问世,为实现准确和精确PTP母钟同步开启了新局面,将可推动LTE小型蜂巢基地台大幅扩展。

来源:新通讯