5G的高精度时间同步服务器网络实现方案

摘要：讨论面向5G的同步支撑网在网络架构、同步精度、安全性、可靠性、监测性等方面的需求，介绍一种基于光纤的高精度时间同步网的实现方案，并给出经过现网1300km、19个节点传递的时间同步测试结果。利用该方案既可以实现面向5G的时频一体化的支撑网，又可以对5G网络中重要节点的时频性能进行实时监测。

关键词：5G 网络 同步支撑网 时频监测

一、引言

随着通信技术的发展，移动通信从1G的模拟通信系统到2G的数字通信系统，再到3G、4G以及即将来临的5G，在不断地演进。正是人们对于更好、更快的追求才使得通信技 术不断地进步。目前热门的大数据、云计算、人工智能、VR/AR、4K/8K视频、无人驾驶等新兴产业对5G的需求非常迫切，因为只有5G才能满足这些应用对高速率、大容量和低时延通信的需求。因此，5G时代将迎来新一轮的科技浪潮。5G已成为通信行业未来发展的重点，加速5G的技术 研发、标准制定、商用推广已成为国际和国内社会的战略共识。由于5G应用前景广泛，5G战略制高点争夺战已风起云涌。我国企业已投入巨资，在5G技术和网络应用领域展开研发和布局，希望占据整个产业链的主导地位。

二、5G对时间同步的需求

近年来，ITU-T、3GPP、IEEE等业界主流的标准组 织都在研究同步问题。3GPP定义5G同步需求，ITU-T定 义同步解决方案，IEEE定义基础时间同步协议。2017年12 月，3GPP批准了Release 15 5G NR非独立（NSA）标准，该标准的独立（SA）部分将于2018年6月完成。虽然3GPP 对5G同步的具体精度要求目前尚未确定发布，但是同步要求精度越来越高的趋势已是必然。5G基站采用TDD制式， 除了传统的移动基站业务外，还可能承载其他各种行业的应用。一些特殊的业务对时间同步的精度要求可能更高，达到几百纳秒，甚至几十纳秒。例如，未来5G时代的物联 网络利用基站提供定位服务，时间同步精度要求在±10ns 左右，LTE-Advanced的关键技术CoMP-JP多点协同传输处理中要求相邻基站间的相对时间精度在百纳秒。5G网络中由于采用了MIMO+OFDM技术，其时序控制要求非常精确，如在3GPP TS 36 104中第6.5.3.1节定义的TAE（Time Alignment Error）最高要求不超过65ns。未来高精度的时间 同步将成为5G网络的基础功能和5G服务的使能开关。时钟 同步将变成一种增值服务，为5G网络运营商提供广阔的市场机会。

三、面向5G的同步网演进

在同步网的建设过程中，需要考虑网络发展的后向兼容性，保证面向5G需求的时间同步网能够实现平滑演进。5G同步网作为重要的通信基础设施，不仅需要进一步完 善同步网的架构，提高同步网的时间精度、安全性、可靠性和健壮性，而且需要提升同步网的可服务性和易用性。 面向高精度的时间同步解决方案的初步意向主要集中在提升PRTC、承载网、基站的时间同步精度，同时减少组网 的跳数。在基准源方面，在传统多制式卫星（G P S/北斗/ GLONASS）参考源的基础上，增加国家高精度地基授时系 统的专用光纤网络参考源，实现对天上卫星失效的可靠备份。通过建立基于光纤的地面时间同步网络，为基站提供空中和地面一主一备的两路时间同步信号是业界认同的最 佳方案。此外，利用高精度地基授时系统的专用光纤网络提供的参考源，还可以对5G同步网的重要节点进行实时的性能监测。在组网架构方面，采用共视法和高精度地基授时系统专用光纤网络参考源，可以实现真正的全网同步， 从而为5G网络提供一张安全可靠、自主可控的高精度时间同步支撑网。

四、实现方案

针对5G网络对时间同步网更高精度的需求，与时间同 步相关的产业链中的厂商都在为了设备实现更高精度进行技术攻关，5G运营商也在对网络如何应用时间同步技术满足 5G需求进行研究。四川泰富公司与国内某电信运营商联合开展了面向5G的同步网新技术研究。主要研究内容为：在通 信光纤上进行长距离、多节点、高精度时频传输的研究。由于在高精度定位方面，3GPP标准中已出现3m的定位需求， 若采用基站测时测距的方式，时间同步误差要小于±10ns。 因此，测试的目的是采用高精度光纤时间传递设备，在某电信运营商的光纤现网上进行长距离（≥1000km）、多节点 （≥10个）、高精度（≤±10ns）的时频传输验证和测试。 现网测试的示意如图1所示。钟源是铯钟源，授时结构采取 主从模式。主站M跟踪钟源，主从之间、从站之间使用光纤连接，可以任意级联。要求各站（M，S1，S2，…，S20）的输出相对于铯钟源≤±10ns。采用非全光中继的方法，使每个授时节点可以任意上下时频信号（且保证各节点的时间 同步精度均≤±10ns），具备灵活的时频业务调度能力。

4.1环回比对测试原理

由于这次现网测试属于高精度时间测量，目前还没有仪表能够在异地实时准确地测量待测信号，需要把待测信号传递回源点，与参考源进行实时的比对测量。因此，所有的被测信号都由时间传递设备通过光纤传输到时间传递设备 N+2，然后对时间传递设备 N+2的输出与参考源进行比对测 量，测试示意如图2所示。

在图2中，主设备（时间传递设备1）通过GPS/BD卫星 获得时间信息，也可以接收运营商标准的1PPS+TOD时间基 准信号并获得时间信息，频率通过铯钟获取。主站（Master） 时间信息通过SFP光模块传输到下一级从站（Slave）设备，并作为从站设备的时间参考源。时间传递设备2的时间信号通过两个方向传递，其中一个方向为备份路由，用于环路保护。 图2中的光纤是双纤，各代表一个传输方向。时间传递设备均可输出多路TOD+1PPS（差分）信号和频率信号，所有设备均可通过数据网由中心网管进行统一管理和控制。

采用环回法进行实时测试，因为其他中间站没有参考源进行比对，中间站只能通过网管查询输出信号和输入信号的相位偏差。如果任一中间站的性能指标超出，那么最后环回站的性能指标也一定会超出，因此可以推断出：如果最后环回站测试正常， 那么其他中间站一定均正常，并且测得最后环回站的测试结果范围后，其他中间站的性能指标也一定在这个范围之内。

4.2 现网测试方案及测试结果

5G统一授时是面向全网的，因此在现网测试时同步网的组网需要达到一定的规模，至少应组建大于 1000k m的带环网的光 纤链路，同时传输的节 点数不少于10个。为了 达到10n s的时间同步精度，主站的时间源头需要配置铯钟源。结合某电信运营商光纤网络的 实际情况，综合考虑测试的内容和光纤线路资源，高精度光纤时间传递设备主要布置在成 都、内江以及成都到内江沿线。现网测试的具体实施方案如图3所示。

以上光纤链路经过干线和本地环，传输距离超过1300k m，并且覆盖多种类型的光纤光 缆（其中有G.655光纤和G.652光纤）。不仅光纤类型不同，光缆的铺设环境也不同，包括管道光缆、架空光缆、直埋光缆及混合铺设等方式。时间源信号从主站（成都）输入，经过长距离传递后返回成都（环回测试）。

现网测试的内容分为以下几个阶段。

第一阶段主要进行基本功能测试、自动开局、1PPS+TOD 长期性能测试（大于7天）。

第二阶段主要进行传输协议、环路保护功能测试、 1PPS+TOD应用功能测试、保持守时功能测试、2.048MHz 频率性能测试、基站侧1PPS+TOD性能测试、1PPS+TOD性能测试（跟踪GPS/BD）和PTP性能测试（跟踪GPS/BD）。

第三阶段主要进行监测功能测试，通过监测盘测试输入 的2.048MHz性能并分析绘制图形（TIE、TDEV），与夏光 XG7010做比对测试，验证设备输入监控盘测试信号的正确性。

现网测试光纤网络的传递距离为1305.65k m，经过19 个节点，实测精度在±5ns左右，优于±10ns。测试时间为9 天，最大值4.859ns，最小值-4.452ns，峰值为9.310ns。测试 结果如图4所示。

现网的测试结果表明各个站点的时间同步精度在±5ns左右，满足未来5G时代的物联网利用基站提供定位服务时， 时间同步精度优于±10ns的要求。

五、基于光纤的高精度同步网在5G中的应用展望

基于光纤的高精度同步网在5G通信中主要有两个方面的应用，一是构建面向5G的时频一体化支撑网；二是对5G网络中的重要节点进行时频监测。由于基于光纤的高精度同步网通 过独立的地面光纤网络进行时间频率传递，时间频率信号与业务信号分离，形成独立的时频支撑网，实现对基站的统一授时。同时频率信号也提供给传输设备用作同步定时信号，从而形成面向5G网络的全网时频一体化支撑网。基于光纤的高精度时间同步网用于全网的时频同步场景，具体如图5所示。

由于现有的同步网缺乏有效的监测手段，难以实时监测网络中重要节点的时间频率性能指标。利用基于光纤的高精度时间同步网形成独立的时频支撑网，能够有效地解决现网 BITS同步网以及PTN传输链路中重要的频率或时间节点的时频信号性能指标的监测问题，可以对同步网的时钟性能进行在线实时监测。监测方案如图6所示。

如图6所示，对时钟性能监测最有效的方法即用绝对参考源（铯钟+GNSS）对时间频率监测点进行测量和比对。采 用铯钟+GNSS的绝对参考源后，利用基于光纤的高精度时间传递设备（图6中标识为“TF设备”）进行组网，组网后的 基准源输出能力可以达到：频率稳定度≤±5E10-14、时间 准确度≤±10ns。利用如此高精度的时间频率基准作为参考源，对现网设备的时钟同步性能进行比对测试，可以实时监控现网设备的同步性能。由于基准参考源的精度高于现网设备时间频率精度一个数量级以上，因此保证了监测数据的准确性和可靠性。

六、结束语

作为通信网络最重要的支撑网之一，同步网在5G网 的建设中具有非常重要的作用。面向5G的同步网必须进行全面和综合的考虑，使同步网在架构、精度、安全性、可靠 性、监测性等方面都进行全面提升，这样才能满足5G的应用需求。文中提出的基于光纤的高精度时频一体同步网的解决方案，不仅在精度上可以满足5G网络对时间同步精度更高的需求，而且可以用于5G网络重要节点的时间频率监测。现网测试表明，经过光纤传输1305.65km，连接19个网络节点， 实测同步精度优于±10ns，为面向5G的高精度时间同步网提供了一种可实现的方案。