基于北斗和1588v2的5G基站时间同步应用探讨
作者：中国联通研究院 赵良 张贺 魏步征 / 中国联通集团云网运营中心 史正思
【慧聪通信网】5G基本业务对时间精度的指标相对于UTC要求为±1.5μs，对于运营商的同步网络而言，不仅需要满足时间同步的精度要求，也需满足网络安全及稳定性等要求。近年来，运营商网络受GPS干扰等影响时有发生，甚至造成了小范围的网络瘫痪，极大地影响了网络通信能力，存在一定的安全隐患。
随着2020年6月北斗三号完成全球组网，我国在定位、授时和导航等关键领域摆脱了过去只能依赖GPS定位的尴尬局面。此外，5G系统的基站部署密度大，尤其是室内基站数量呈现几何级数增长，势必存在大量无法获取卫星信号的基站部署场景，基于IEEE1588v2标准的地面同步授时技术可以很好地解决这一问题。
5G基站时间同步技术
目前，5G基站时间源的选择主要包括通过直挂GNSS获取时间和通过跟踪地面1588v2链路同步定时信息两种方案。
GPS和北斗卫星授时
GPS是美国拥有的卫星导航系统，它为使用者提供定位、导航和定时服务。GPS卫星的内钟采用铯原子钟和铷原子钟相结合的方式。北斗系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统。北斗三号组网卫星采用了更高性能的铷原子钟和氢原子钟，铷原子钟天稳定度为E-14量级，氢原子钟天稳定度为E-15量级。北斗系统创新融合了导航与通信功能，具备定位导航授时、星基增强、地基增强、精密单点定位、短报文通信和国际搜救等多种服务能力。
在利用卫星系统对5G基站授时时，需保证5G基站的卫星接收机在任意时刻同时接收其视野范围内4颗以上卫星的信号，卫星导航电文中提供了当前时刻所在的“周数”，这个周数是从北斗或者GPS系统的起始时间开始计数的，另外通过数字调制在载波上的伪随机码的码片可以知道当前的周内秒，接收机定位之后可以解算出接收机时间与卫星时间之间的钟差，进而修正秒以内的误差。卫星接收机的内部硬件电路和软件通过对接收到的信息进行编码和处理，能从中提取并输出两种时间信号：一个是间隔为1秒的同步脉冲信号1PPS，其脉冲前沿与UTC的同步误差不超过1ns；二是UTC绝对时间ToD（年、月、日、时、分、秒），它与1PPS脉冲相对应，能够做到时间同步。
1588v2地面授时
1588v1是IEEE电气电子工程师学会制定的用于工业自动化测量和控制系统的同步标准，适用于工业局域网应用；1588v2版本是在1588v1版本的基础上，专门针对通信网应用制定的标准。
1588v2协议的基本思路是通过软硬件配合，记录同步时钟信息的发出时间和接收时间，并给每条信息都打上时间戳。通过时间戳信息，接收方就可以计算出自己在网络中的时钟误差和延时，经过修正之后实现与网络时钟源同步的目的。1588v2的主时钟（Master）和从时钟（Slave）主要通过传递Sync、Follow_Up、Delay_Req以及Delay_Resp等消息实现时间同步，1588v2授时原理如图1所示。
图1 1588v2授时原理
在基于1588v2的本地高精度时间同步网络中，通过全网设备（包括时间服务器、中间时间链路传递承载设备、5G基站）配置1588v2功能，使得网络中间边界时钟（BC模式）节点的一个端口作为从时钟，与上级时钟保持同步，其他端口则作为下一级网元的主时钟，设备收到1588v2报文之后进行终结，然后生成新的报文再向下游传递。通过该方式将时间服务器的时间基准信号逐点传递至5G基站设备。
近年来，ITU-T、3GPP、IEEE、CCSA等业界主流的国内外标准组织都在研究能够满足5G网络应用需求的新一代网络同步技术并制定了系列标准，1588v2技术被认为是目前辅助GNSS卫星系统，实现地面高精度时间同步链路传递最有效的方式之一。
5G基站时间同步性能验证
测试方案
为了验证5G基站在分别跟踪不同时间源以及多个时间源切换场景下的时间同步性能，对运营商现网4个主流厂家的5G基站设备进行了同步性能验证测试。验证测试内容如表1所示。
表1 5G基站同步性能验证测试项目
现网测试拓扑如图2所示。被测5G基站设备配置双模接收北斗和GPS卫星信号；同时，同步参考源设备输出1588v2+SyncE信号，通过地面定时传送网络将定时信号传送至被测5G基站；采用仪表测试5G基站设备输出的频率和时间信号。
图2 现网测试拓扑
测试结果
整体测试结果如表2所示。被测4个厂家的现网5G基站设备均支持北斗和GPS双模接收，但支持模式有所不同。一种为北斗和GPS联合工作模式，即北斗和GPS不区分主备，卫星接收机对于北斗和GPS信号同时处理，由星卡内部处理好时钟源的关系，自动选择跟踪最优信号。另一种为北斗/GPS主备模式，卫星接收机在同一时刻只能选择一种类型的卫星跟踪。
表2 现网4个厂家5G基站同步性能测试结果
被测5G基站设备均支持跟踪1588v2地面时间源，且支持卫星和1588v2的天地互备保护。在跟踪方式上，除了C厂家设备支持SyncE辅助1588v2同步外，其余设备仅支持频率，时间都跟踪1588v2，不支持1588v2+SyncE。
在3个性能测试项目中，被测5G基站设备输出的同步频率和时间信号性能均正常。某厂家设备的测试结果示例如下。
5G基站GPS故障场景下的同步性能测试结果示例如图3所示。第0~56分钟基站跟踪GPS卫星；随后第56~112分钟为断开GPS卫星信号，基站切换到跟踪北斗卫星；最后第112~168分钟为基站再次切换到跟踪GPS卫星。可以看出基站输出性能符合要求，时间TE偏差范围在-58.56ns~120.88ns内。
图3 5G基站GPS /北斗切换场景下的同步性能测试结果
5G基站卫星/1588v2切换场景下的同步性能测试结果如图4所示。第0~28分钟为基站跟踪GNSS卫星；随后第28~53分钟为断开GNSS卫星，基站自动切换到地面1588v2；最后第53~75分钟为基站再次切换到跟踪GNSS卫星。可以看出基站输出性能符合要求，时间TE偏差范围在-193.26ns~161ns内。
图4 5G基站卫星/1588v2切换场景下的同步性能测试结果
5G基站长期跟踪北斗场景下的同步性能测试结果如图5所示。可以看出基站输出性能符合要求且稳定，时间TE偏差范围在-60.05ns~134.91ns内。
图5 5G基站长期跟踪北斗场景下的同步性能测试结果
经过测试验证，基站输出性能稳定，时间偏差小于±1.5μs，频率漂移满足ITU-T G.823相关MTIE模版要求，满足5G基站的基本业务时间同步指标要求，也可以很好地支撑未来5G物联网和工业互联网的诸多μs量级的时间同步需求。由此，时间同步网络建设转而从支撑性质的网络逐步演化为业务性质的网络，为高品质定制化业务提供高精度时间基准，为运营商拓展了新的业务范围。
5G基站时间同步部署方案建议
一方面，为了保证5G基站设备同步性能的最优稳定性、安全性及精度，建议5G基站设备配备北斗和GPS卫星信号双模接收机，且为北斗和GPS联合工作模式。联合双模可以弥补一部分天线位置安装不好导致的多径等问题，通过同时搜到两个卫星系统并从中选择信号最优的卫星，可以提供更高时间精度。
另一方面，基站直挂GNSS的方案需要增加相应成本。同时，GNSS天线的安装对净空、防雷和产权纠纷等有诸多施工要求，对于室内等不易部署GNSS天线的场景安装困难。而基于1588v2的地面时间链路同步技术可以很好地对GNSS进行补充和增强。建议在地面时间链路同步网络中采用1588v2+SyncE方式，以充分利用时间同步路径判决与频率层同步质量紧密结合的方式保证网内最优的时间同步传递精度。
综上所述，5G基站时间同步部署方案建议采用配置GNSS卫星接收（北斗和GPS卫星信号双模联合接收）的方式作为主用同步参考基准，同时采用基于1588v2技术的地面链路逐点传递方式从本地层面的时间服务器设备获取同步参考基准作为备用手段。当卫星接收信号中断或降质时，5G基站设备应能够自动进行卫星和地面同步源的切换。在具体配置时，需要考虑以下两个方面。
一是在配置GNSS卫星接收时，需为基站配置GNSS卫星接收天线，保证天面开阔，同时可用卫星数量在4颗以上。
二是在配置1588v2接收时，应在本地网核心节点部署1588v2时间服务器，中途承载网元配置为1588v2中的边界时钟BC，跟踪并逐点恢复高精度时间服务器输出的时间基准参考信号。5G基站可设置为边界时钟BC或普通时钟OC模式，5G基站应采用分组接口从移动回传网络末端承载网元接收PTP报文。未来为满足诸如5G协同业务等ns量级更高精度的时间同步需求时，可根据业务需求区域分布等具体情况配置低成本下沉式小型化时间服务器设备。
5G网络的规模建设，使得高精度时间同步技术的重要性日益显现。随着北斗导航系统建设逐渐完善，北斗系统已可稳定提供授时。我们应依靠成熟稳定且拥有自主产权的5G+北斗技术，持续推动高精度乃至超高精度时间同步网络技术的创新，推动北斗技术在运营商网络中的应用，积极促进5G+北斗的产业发展。
