作為連續(xù)4年被寫(xiě)入中國(guó)政府工作報(bào)告,、并領(lǐng)銜“新基建”的重要基礎(chǔ)科技,，5G在擴(kuò)展連接、帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng),、改善人們生活質(zhì)量以及加速相關(guān)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)等各個(gè)方面的重要性不言而喻,。
根據(jù)IHS Markit獨(dú)立研究的《5G經(jīng)濟(jì)》報(bào)告2020年更新版,，預(yù)計(jì)到2035年，5G將創(chuàng)造13.1萬(wàn)億美元的全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出,，全球5G資本支出和研發(fā)投入將增長(zhǎng)10.8%,，年均投入高達(dá)2650億美元。
工信部的最新數(shù)據(jù)顯示，截止2020年底,，中國(guó)新增5G基站58萬(wàn)個(gè),，推動(dòng)共建共享5G基站33萬(wàn)個(gè)，年初制定的“所有地市均實(shí)現(xiàn)5G覆蓋”的目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn),。
而全球5G連接數(shù)將在2023年突破10億,，這比4G時(shí)代實(shí)現(xiàn)10億連接數(shù)的時(shí)間整整提前了2年?？梢钥闯?，盡管全球經(jīng)濟(jì)受到疫情影響，但5G賦能的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的增長(zhǎng)趨勢(shì)幾乎保持不變,。
打造電子系統(tǒng)最精準(zhǔn)的心跳
解讀5G的角度很多,，但今天我們想從被稱(chēng)為“電子系統(tǒng)心跳”的時(shí)鐘談起。
“時(shí)鐘IC”是一個(gè)廣義上的術(shù)語(yǔ),，用于描述可在電子系統(tǒng)中生成,、調(diào)制、操縱,、分發(fā)或控制時(shí)序信號(hào)的集成電路,。在目前最先進(jìn)的電子和通信系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，時(shí)鐘IC還必須能夠生成精確的時(shí)鐘脈沖,，并持續(xù)可靠地分發(fā)該信號(hào)以供系統(tǒng)中的各種計(jì)時(shí)設(shè)備使用,，以滿足多類(lèi)型應(yīng)用對(duì)“高精度授時(shí)”的需要。
其實(shí),，我們所熟悉的4G/5G通信系統(tǒng)就是“高精度授時(shí)”的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一,。由于4G/5G網(wǎng)絡(luò)采用TDD時(shí)分復(fù)用模式，在大速率數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中,，對(duì)時(shí)間同步精度要求極高,，例如以TD-LTE為代表的TDD時(shí)分系統(tǒng)時(shí)間同步要求在±1.5 μs。如果通信設(shè)備之間時(shí)間不同步,，就將影響基站切換和漫游等通信業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行,。
5G之前的網(wǎng)絡(luò)是如何授時(shí)的？
無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)精確時(shí)間的主要來(lái)源一直是全球定位系統(tǒng)（GPS）和構(gòu)成全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的區(qū)域衛(wèi)星星座,。其中,，GPS是全球第一個(gè)部署的定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）的衛(wèi)星星座,。借助精心設(shè)計(jì)的GPS授時(shí)接收機(jī)技術(shù),，GPS用戶可以從GPS衛(wèi)星上的同步原子鐘中恢復(fù)極其精確的授時(shí),。
目前,，除GPS外，全球范圍內(nèi)還部署了多個(gè)用于授時(shí)的GNSS技術(shù)，包括Galileo（歐盟）和北斗（中國(guó)）等,。以北斗為例,，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間被稱(chēng)作BDT，屬原子時(shí),，可以溯源到中國(guó)國(guó)家授時(shí)中心的協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC,，與UTC的時(shí)差控制準(zhǔn)確度小于100 ns。
再?gòu)?qiáng)的GNSS,，也有短板
雖然GNSS衛(wèi)星授時(shí)精度更高,，覆蓋能力更強(qiáng)，但也面臨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)--如果由于干擾,、欺騙,、故障或其他事件導(dǎo)致GPS/GNSS無(wú)法使用，引發(fā)的服務(wù)中斷將對(duì)系統(tǒng)性能造成災(zāi)難性的影響,。正如電網(wǎng)受到火災(zāi)/雪災(zāi)影響斷網(wǎng)一樣,，5G網(wǎng)絡(luò)也很容易受到精確時(shí)間分配中斷的影響，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)中斷,。
此外,，從智能手機(jī)的高帶寬視頻傳輸，到自動(dòng)駕駛汽車(chē),、智能城市以及智能工廠的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）,，5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的巨大容量和帶寬增長(zhǎng)是此前無(wú)法想象的。這些新服務(wù)不但依賴(lài)于大量的傳感器,、基站和其他設(shè)備的同步,，還需要在長(zhǎng)距離上傳遞非常精確的時(shí)間，導(dǎo)致5G網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)密度和依靠GPS/GNSS進(jìn)行授時(shí)的成本越來(lái)越高,。
新型時(shí)間分配架構(gòu)
運(yùn)營(yíng)商迫切需要可以更多地減少甚至消除對(duì)GPS/GNSS依賴(lài)的解決方案,。那么，有沒(méi)有這樣一種新型的時(shí)間分配架構(gòu),，既能夠允許運(yùn)營(yíng)商保護(hù)其移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)免受GNSS中斷的影響,，并在長(zhǎng)距離上分配精確時(shí)間以覆蓋全國(guó)，還能夠提供必要的性能以滿足5G需求的端到端預(yù)算,？
答案是肯定的,。
增強(qiáng)型PRTC（ePRTC）標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)對(duì)新型授時(shí)架構(gòu)挑戰(zhàn)的理想選擇。它是ITU-T（ITU電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)）為提高時(shí)間精度而定義的主參考時(shí)鐘（PRTC）的幾個(gè)版本之一,。PRTC A類(lèi)可以滿足相對(duì)于協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）的100 ns（納秒）精度要求,；PRTC B類(lèi)更精確，精度達(dá)40 ns,；增強(qiáng)型PRTC具有符合ITU-T G.8272.1定義的30 ns最高精度,。
ePRTC的獨(dú)特設(shè)計(jì)使其具有最大彈性,，能夠使用銫鐘作為參考時(shí)鐘保持14天或更長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)在整個(gè)長(zhǎng)時(shí)間中斷期內(nèi)與UTC的最大偏差維持在100 ns,，這將成為5G移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商部署ePRTC的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì),。如果GPS關(guān)閉，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的服務(wù)交付都將保持無(wú)縫切換,，從而確保所需時(shí)間來(lái)修復(fù)GPS中斷或在GPS長(zhǎng)時(shí)間不可用的情況下保持運(yùn)行,。
lTimeProvider 4100
ePRTC解決方案的典型示例來(lái)自Microchip的TimeProvider 4100，它既可以配置為在授時(shí)鏈的源端具有PRTC-A和PRTC-B時(shí)間傳遞功能的ePRTC,，也可以配置為光網(wǎng)絡(luò)路徑上的HP BC,。此外,，還可以根據(jù)應(yīng)用特定的要求配置這類(lèi)產(chǎn)品,，以實(shí)現(xiàn)端到端授時(shí)，并在長(zhǎng)距離上擁有達(dá)納秒級(jí)的精確時(shí)間傳遞能力,。
TimeProvider 4100是一種采用IEEE1588協(xié)議的主時(shí)鐘,，包括最新的ITU-T G.8275.1和G.8275.2 1588相位規(guī)范,，同時(shí)也符合中國(guó)通信行業(yè)YD /T 2375-2019高精度時(shí)間同步技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。TimeProvider 4100支持用于PTP,、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）,、同步以太網(wǎng)（SyncE）和E1/T1的廣泛端口擴(kuò)展。2.1軟件版本在早期版本的基礎(chǔ)上增加了關(guān)鍵的軟件增強(qiáng)功能,，提供一個(gè)虛擬的主參考時(shí)鐘（vPRTC）,。虛擬PRTC能夠設(shè)計(jì)冗余的精確時(shí)間分布架構(gòu)，以在光纖網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行相位保護(hù),。
TimeProvider 4100 1GE/10GE擴(kuò)展模塊
Microchip的vPRTC多域架構(gòu)是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案,，可利用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)和專(zhuān)用lambda精確、安全地傳輸時(shí)間,，避免高成本的暗光纖費(fèi)用使用,，在地區(qū)和國(guó)家網(wǎng)絡(luò)上提供高性能、冗余,、低于5納秒的精確時(shí)間分布,。此外，2.1版本符合PRTC-B性能標(biāo)準(zhǔn)（根據(jù)ITU-T G.8272）,，支持單一形狀參數(shù)系統(tǒng)中的1G,、10G、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）和精確時(shí)間協(xié)議（PTP）,，并引入了具有信息摘要（MD5）安全算法的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議守護(hù)進(jìn)程（NTPd）,。
而Microchip在今年年初發(fā)布的2.2版TimeProvider? 4100主時(shí)鐘產(chǎn)品，更是在2.1版本的基礎(chǔ)上引入了創(chuàng)新的冗余架構(gòu)以提供全新的彈性水平,，從而滿足5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)冗余,、彈性和安全的精確授時(shí)和同步解決方案的基本需求,。
結(jié)語(yǔ)：
時(shí)序可能是5G系統(tǒng)中最大的潛在故障點(diǎn)，并可能影響性能,、可靠性和營(yíng)收。
考慮到如何最大程度地減少使用GPS站點(diǎn),，同時(shí)保留極具彈性的精確時(shí)間架構(gòu),，以確保GNSS中斷期間客戶服務(wù)的連續(xù)性？使用5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)從源到端點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如何構(gòu)成,，時(shí)間如何分配,，以及這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以支持哪些同步功能？等問(wèn)題正成為運(yùn)營(yíng)商最大的關(guān)注點(diǎn),，作為一家能夠提供包括高性能時(shí)鐘同步,、時(shí)鐘管理和多類(lèi)型振蕩器在內(nèi)的整體系統(tǒng)解決方案的公司，Microchip正攜手生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴,，共同打造“電子系統(tǒng)最精準(zhǔn)的心跳”,。