編者按：作者之前也寫(xiě)過(guò)一篇5G技術(shù)領(lǐng)域文章《5G改變網(wǎng)絡(luò)授時(shí)架構(gòu)》，其中詳細(xì)介紹了如何以精確時(shí)間協(xié)議（PTP）為主要架構(gòu)實(shí)現(xiàn)5G前傳授時(shí)應(yīng)用,。下面介紹虛擬主參考時(shí)鐘（vPRTC）,，它是5G網(wǎng)絡(luò)、傳輸技術(shù)和架構(gòu)的另一個(gè)關(guān)鍵要素,。

　　5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在蜂窩移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商和長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的推廣力度不斷加大,。5G新空口（NR）采用時(shí)分雙工技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)要求所有新空口部署相對(duì)于基于協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的授時(shí)源保持相位對(duì)齊，并確保精度在+/-1.5 μs范圍內(nèi),。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商需要了解在5G授時(shí)架構(gòu)中使用精確時(shí)間協(xié)議（PTP）進(jìn)行基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)所需的時(shí)間誤差抑制技術(shù)和虛擬主參考時(shí)鐘（vPRTC）的概念,，這對(duì)于其制定合理的基礎(chǔ)設(shè)施決策至關(guān)重要。

　　5G前傳應(yīng)用中使用PTP實(shí)現(xiàn)的基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)架構(gòu)需要時(shí)間誤差分配工程,，以確保授時(shí)要求得到支持,，因?yàn)槭跁r(shí)是基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分。

　　在無(wú)線通信中,，與授時(shí)有關(guān)的最普遍問(wèn)題是同信道無(wú)線電干擾,。當(dāng)接收機(jī)正確追蹤衛(wèi)星時(shí)，在蜂窩基站上部署全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）（例如GPS,、Galileo和北斗）接收機(jī)允許進(jìn)行時(shí)隙傳輸分配,，從而防止相鄰或接近頻率的無(wú)線電相互干擾。在覆蓋范圍重疊的無(wú)線電集群中,，如果GNSS接收機(jī)發(fā)生故障或停止正確追蹤,，則將導(dǎo)致連接到GNSS接收機(jī)的無(wú)線電與相鄰的無(wú)線電相互干擾，因?yàn)槭跁r(shí)降級(jí)或積累了相位誤差,。由于無(wú)線電使用低成本,、低性能的振蕩器（無(wú)線電設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是通過(guò)使用規(guī)格較低的組件來(lái)降低成本），因此授時(shí)降級(jí)會(huì)突然發(fā)生,。

　　為了避免干擾問(wèn)題,，一旦授時(shí)開(kāi)始降級(jí)，就需要立即停止使用無(wú)線電或關(guān)閉受授時(shí)降級(jí)影響的服務(wù),。為了減少這類(lèi)故障情形,，可以部署基于網(wǎng)絡(luò)的PTP授時(shí)服務(wù)，在這種服務(wù)中,，集群中的無(wú)線電與集成了GNSS接收機(jī)的PTP主時(shí)鐘（grandmaster）同步。如果PTP主時(shí)鐘中的GNSS發(fā)生故障或出現(xiàn)追蹤問(wèn)題,，同步到主時(shí)鐘的無(wú)線電將相對(duì)于相鄰無(wú)線電保持相位對(duì)齊,，并且不會(huì)出現(xiàn)干擾問(wèn)題?？梢栽赑TP主時(shí)鐘中部署高品質(zhì)振蕩器,，以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持與UTC的時(shí)間對(duì)齊，并且架構(gòu)中可以包含基于PTP的備用方案,，以幫助在故障情形下維持UTC可追蹤時(shí)間,。PTP主時(shí)鐘基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)服務(wù)方法非常靈活，且具有成本效益,。它可在GNSS故障情形中提供無(wú)線電集群相位對(duì)齊的額外好處,，同時(shí)將GNSS部署到集中式存在點(diǎn)，可在其中為衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)安全而良好的視距。

　　下圖說(shuō)明了基于以太網(wǎng)光學(xué)前傳技術(shù)實(shí)現(xiàn)的PTP到5G無(wú)線電集群的分布,。使用PTP提供基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)服務(wù)的業(yè)務(wù)和技術(shù)案例正迅速發(fā)展,。

　　圖1.此圖顯示了具有主時(shí)鐘功能的GNSS授時(shí)接收機(jī)，它是前傳架構(gòu)中的分布式授時(shí)架構(gòu)的一個(gè)示例,。授時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)公共無(wú)線電接口（eCPRI）鏈路從主時(shí)鐘傳送到無(wú)線電,。

　　隨著授時(shí)及傳輸技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，它們?yōu)榍皞鲬?yīng)用的5G授時(shí)架構(gòu)提供了增強(qiáng)功能和替代方案,。本文引入虛擬主參考時(shí)鐘（vPRTC）的概念,，對(duì)這些概念進(jìn)行了探究，并詳細(xì)說(shuō)明了相關(guān)授時(shí)和傳輸技術(shù)及架構(gòu)的一些優(yōu)勢(shì),。

　　上圖所示架構(gòu)為基于網(wǎng)絡(luò)的PTP授時(shí)服務(wù),，這項(xiàng)服務(wù)利用了分布式GNSS授時(shí)接收機(jī)。與對(duì)PTP數(shù)據(jù)流的全路徑支持相關(guān)的技術(shù)進(jìn)步在交換機(jī)和其他設(shè)備中引入了新型邊界時(shí)鐘,。此類(lèi)時(shí)鐘可減小這些設(shè)備在使用PTP進(jìn)行授時(shí)的路徑中產(chǎn)生的時(shí)間誤差?，F(xiàn)在可以滿足5G應(yīng)用的嚴(yán)格授時(shí)要求，如1.5 μs或260 ns,，而無(wú)需在5G無(wú)線電中的PTP客戶端附近使用GNSS授時(shí)接收機(jī)/PTP主時(shí)鐘功能,。

　　將基于網(wǎng)絡(luò)的PTP授時(shí)架構(gòu)用于5G授時(shí)應(yīng)用等高精度應(yīng)用時(shí)，務(wù)必要確保消除或減少盡可能多的授時(shí)誤差來(lái)源,，因?yàn)槊恳患{秒的時(shí)間誤差都有很大影響,。與授時(shí)誤差抑制相關(guān)的方法以兩個(gè)概念為中心，這兩個(gè)概念是時(shí)間誤差預(yù)算分配工程的一部分,。

　　第一個(gè)概念側(cè)重于GNSS時(shí)間源,，它由GNSS授時(shí)接收機(jī)和PTP主時(shí)鐘功能組成。電信應(yīng)用中用于授時(shí)的GNSS授時(shí)接收機(jī)稱(chēng)為主參考時(shí)鐘（PRTC）,。PRTC技術(shù)分為三類(lèi),，取決于GNSS在追蹤和提取GNSS衛(wèi)星星座的時(shí)間時(shí)保持相對(duì)于UTC的時(shí)間精度大小。PRTC A類(lèi)要求PRTC A處于UTC的+/-100 ns范圍內(nèi),。UTC是正確追蹤時(shí)為GNSS衛(wèi)星星座提取的時(shí)間參考,。PRTC B類(lèi)要求PRTC B在正確追蹤時(shí)處于UTC的+/-40 ns范圍內(nèi)。增強(qiáng)型PRTC（ePRTC）類(lèi)要求ePRTC在正確追蹤時(shí)處于UTC的+/-30 ns范圍內(nèi),。ePRTC還具有與GNSS漏洞相關(guān)的額外要求,，該要求增加了保持規(guī)范，即如果GNSS接收失敗或受到影響,，ePRTC將保持在UTC的100 ns范圍內(nèi)至少兩周,。這是通過(guò)將銫原子鐘參考與GNSS授時(shí)接收機(jī)功能部署在同一位置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。ePRTC具有可學(xué)習(xí)銫原子鐘讀數(shù)和GNSS UTC參考之間偏移的學(xué)習(xí)算法,。如果參考不可用,，這些算法可以補(bǔ)償銫原子鐘的偏移,，并延長(zhǎng)UTC可追蹤時(shí)間的保持期限。

　　第二個(gè)概念側(cè)重于傳輸網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備,，稱(chēng)為全路徑支持,。在全路徑支持模型中，PTP時(shí)間戳不會(huì)通過(guò)基于GNSS的PRTC質(zhì)量主時(shí)鐘和無(wú)線電單元（RU）中最終應(yīng)用PTP客戶端之間路徑上的交換機(jī)和路由器,。PTP時(shí)間戳流在交換機(jī)入口點(diǎn)終止,，并通過(guò)主時(shí)鐘功能在交換機(jī)出口點(diǎn)再生。這一過(guò)程稱(chēng)為邊界時(shí)鐘（BC）功能,，其目的是通過(guò)測(cè)量和補(bǔ)償由交換機(jī)的交換結(jié)構(gòu)引入的時(shí)間戳可變延遲來(lái)減小開(kāi)關(guān)元件的時(shí)間誤差,。隨著時(shí)間的推移，交換機(jī)內(nèi)使用的BC技術(shù)不斷發(fā)展,，從而允許在使用PTP實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)服務(wù)時(shí)減小授時(shí)誤差,。BC技術(shù)首次引入時(shí)采用單一分類(lèi)，此分類(lèi)定義了包含BC功能的交換機(jī)所允許的最大時(shí)間誤差,。對(duì)于允許更低最大時(shí)間誤差的交換機(jī),，現(xiàn)在有多個(gè)BC分類(lèi)，這些分類(lèi)允許在網(wǎng)絡(luò)中更遠(yuǎn)的距離處部署基于GNSS的主時(shí)鐘功能,，并且從RU中的PTP客戶端經(jīng)過(guò)更多交換躍點(diǎn),。邊界時(shí)鐘功能可恢復(fù)來(lái)自PTP輸入的授時(shí)，屬于ITU標(biāo)準(zhǔn)G.8273.2中定義的電信時(shí)間次級(jí)/客戶端時(shí)鐘（T-TSC）范疇,。邊界時(shí)鐘分類(lèi)和T-TSC時(shí)間誤差功能以最大允許恒定時(shí)間誤差（cTE）為界,，cTE是用單一數(shù)字表示的時(shí)間誤差平均值，可與精度規(guī)范相比較,。請(qǐng)記住,，BC技術(shù)允許減小交換設(shè)備的授時(shí)誤差，但不允許減小由于引入任何額外基于網(wǎng)絡(luò)的不對(duì)稱(chēng)性而導(dǎo)致的時(shí)間誤差,。

　　下表描述了基于ITU標(biāo)準(zhǔn)的邊界時(shí)鐘/T-TSC分類(lèi)和相關(guān)的cTE邊界,。

　　圖2.這張表確定了各種邊界時(shí)鐘分類(lèi)及其相關(guān)的時(shí)間誤差分配預(yù)算要求。

　　主參考時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘功能的技術(shù)進(jìn)步允許使用PTP實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的授時(shí)服務(wù),，以將授時(shí)服務(wù)的范圍從GNSS時(shí)間源擴(kuò)展到終端RU應(yīng)用（適用于距離和交換躍點(diǎn)數(shù)）,，并保持超高精度以允許替代分布式GNSS授時(shí)架構(gòu)，在GNSS架構(gòu)中,，GNSS時(shí)間源可以位于更靠近網(wǎng)絡(luò)核心的中心位置。這一概念稱(chēng)為虛擬主參考時(shí)鐘（vPRTC）,，可以通過(guò)以太網(wǎng)/數(shù)據(jù)包交換或密集波分復(fù)用（DWDM）光傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工程設(shè)計(jì),。

　　vPRTC架構(gòu)由三個(gè)部分組成。第一部分是具有PTP主時(shí)鐘功能的GNSS時(shí)間源,，此時(shí)間源可達(dá)到PRTC B（+/-40 ns）或ePRTC（+/-30 ns）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),。對(duì)于GNSS漏洞問(wèn)題和保持性能，建議ePRTC增加銫原子鐘并與GNSS授時(shí)接收機(jī)部署在同一位置，以提高GNSS接收機(jī)相對(duì)于UTC的授時(shí)精度,，同時(shí)提供延長(zhǎng)保持時(shí)間的能力,，即在GNSS信號(hào)中斷時(shí)，可以保持小于100 ns（相對(duì)于UTC）至少兩周,。第二部分是網(wǎng)絡(luò)本身以及GNSS時(shí)間源和終端RU PTP應(yīng)用之間的網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu),。vPRTC的此傳輸段必須提供具有C類(lèi)或D類(lèi)邊界時(shí)鐘分類(lèi)功能的全路徑支持，以便實(shí)現(xiàn)正確的時(shí)間誤差分配和抑制,。vPRTC的第三個(gè)部分是網(wǎng)絡(luò)邊緣接入位置,，其中PTP時(shí)間戳流會(huì)傳送到終端RU PTP授時(shí)應(yīng)用。此位置必須恢復(fù)和重新生成PTP授時(shí)流,，從而創(chuàng)建vPRTC功能并滿足小于100 ns（相對(duì)于UTC）的PRTC A規(guī)范要求,。隨后，此PTP授時(shí)流通過(guò)前傳網(wǎng)絡(luò)段傳送到終端RU PTP授時(shí)應(yīng)用,。

　　圖3給出了C類(lèi)邊界時(shí)鐘全路徑支持傳輸網(wǎng)絡(luò)中的vPRTC概念,。　　

　　圖3.此圖給出了使用C類(lèi)邊界時(shí)鐘時(shí)間誤差分配工程配置為虛擬主參考時(shí)鐘（vPRTC）的分組網(wǎng)絡(luò),。

　　總結(jié)

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步,，支持在更遠(yuǎn)距離和更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)元素鏈上實(shí)現(xiàn)高精度授時(shí)，從而使運(yùn)營(yíng)商可以選擇在從邊緣到網(wǎng)絡(luò)核心的不同位置為5G授時(shí)架構(gòu)引入基于GNSS的時(shí)間源,。vPRTC架構(gòu)在彈性和冗余方面擁有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì),。vPRTC可以采用東西向配置，其中有兩個(gè)位置來(lái)部署GNSS時(shí)間源和最高級(jí)時(shí)鐘功能,，從而實(shí)現(xiàn)ePRTC或PRTC冗余,。此外，這種配置還支持環(huán)網(wǎng)或Liner環(huán)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的雙向PTP授時(shí)流,，當(dāng)這種架構(gòu)中發(fā)生光纖切斷時(shí),，允許從相反方向授時(shí)和通信，從而提高架構(gòu)的彈性和冗余度,。

　　隨著5G網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展,，分布式GNSS PTP授時(shí)架構(gòu)和集中式vPRTC PTP架構(gòu)將成為全球運(yùn)營(yíng)商和5G LTE專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)的可行商業(yè)和技術(shù)選擇。運(yùn)營(yíng)商必須意識(shí)到,，在底層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇捎玫那闆r下,，務(wù)必要考慮到設(shè)計(jì)的嚴(yán)密性，以便構(gòu)建最穩(wěn)健且最可靠的授時(shí)架構(gòu),。