探索虚拟主参考时钟和5G网络授时架构

作者：Microchip Technology资深应用工程师主管Jim Olsen

编者按：作者之前也写过一篇5G技术领域文章《5G改变网络授时架构》，其中详细介绍了如何以精确时间协议（PTP）为主要架构实现5G前传授时应用。下面介绍虚拟主参考时钟（vPRTC），它是5G网络、传输技术和架构的另一个关键要素。

5G网络技术在蜂窝移动运营商和长期演进（LTE）专用网络环境中的推广力度不断加大。5G新空口（NR）采用时分双工技术，这项技术要求所有新空口部署相对于基于协调世界时（UTC）全球导航卫星系统（GNSS）的授时源保持相位对齐，并确保精度在+/-1.5 μs范围内。网络运营商需要了解在5G授时架构中使用精确时间协议（PTP）进行基于网络的授时所需的时间误差抑制技术和虚拟主参考时钟（vPRTC）的概念，这对于其制定合理的基础设施决策至关重要。

5G前传应用中使用PTP实现的基于网络的授时架构需要时间误差分配工程，以确保授时要求得到支持，因为授时是基础设施的关键组成部分。

在无线通信中，与授时有关的最普遍问题是同信道无线电干扰。当接收机正确追踪卫星时，在蜂窝基站上部署全球导航卫星系统（GNSS）（例如GPS、Galileo和北斗）接收机允许进行时隙传输分配，从而防止相邻或接近频率的无线电相互干扰。在覆盖范围重叠的无线电集群中，如果GNSS接收机发生故障或停止正确追踪，则将导致连接到GNSS接收机的无线电与相邻的无线电相互干扰，因为授时降级或积累了相位误差。由于无线电使用低成本、低性能的振荡器（无线电设计目标之一是通过使用规格较低的组件来降低成本），因此授时降级会突然发生。

为了避免干扰问题，一旦授时开始降级，就需要立即停止使用无线电或关闭受授时降级影响的服务。为了减少这类故障情形，可以部署基于网络的PTP授时服务，在这种服务中，集群中的无线电与集成了GNSS接收机的PTP主时钟（grandmaster）同步。如果PTP主时钟中的GNSS发生故障或出现追踪问题，同步到主时钟的无线电将相对于相邻无线电保持相位对齐，并且不会出现干扰问题。可以在PTP主时钟中部署高品质振荡器，以在较长时间内保持与UTC的时间对齐，并且架构中可以包含基于PTP的备用方案，以帮助在故障情形下维持UTC可追踪时间。PTP主时钟基于网络的授时服务方法非常灵活，且具有成本效益。它可在GNSS故障情形中提供无线电集群相位对齐的额外好处，同时将GNSS部署到集中式存在点，可在其中为卫星星座设计安全而良好的视距。

下图说明了基于以太网光学前传技术实现的PTP到5G无线电集群的分布。使用PTP提供基于网络的授时服务的业务和技术案例正迅速发展。


图1.此图显示了具有主时钟功能的GNSS授时接收机，它是前传架构中的分布式授时架构的一个示例。授时通过以太网公共无线电接口（eCPRI）链路从主时钟传送到无线电。

随着授时及传输技术的发展和进步，它们为前传应用的5G授时架构提供了增强功能和替代方案。本文引入虚拟主参考时钟（vPRTC）的概念，对这些概念进行了探究，并详细说明了相关授时和传输技术及架构的一些优势。

上图所示架构为基于网络的PTP授时服务，这项服务利用了分布式GNSS授时接收机。与对PTP数据流的全路径支持相关的技术进步在交换机和其他设备中引入了新型边界时钟。此类时钟可减小这些设备在使用PTP进行授时的路径中产生的时间误差。现在可以满足5G应用的严格授时要求，如1.5 μs或260 ns，而无需在5G无线电中的PTP客户端附近使用GNSS授时接收机/PTP主时钟功能。

将基于网络的PTP授时架构用于5G授时应用等高精度应用时，务必要确保消除或减少尽可能多的授时误差来源，因为每一纳秒的时间误差都有很大影响。与授时误差抑制相关的方法以两个概念为中心，这两个概念是时间误差预算分配工程的一部分。

第一个概念侧重于GNSS时间源，它由GNSS授时接收机和PTP主时钟功能组成。电信应用中用于授时的GNSS授时接收机称为主参考时钟（PRTC）。PRTC技术分为三类，取决于GNSS在追踪和提取GNSS卫星星座的时间时保持相对于UTC的时间精度大小。PRTC A类要求PRTC A处于UTC的+/-100 ns范围内。UTC是正确追踪时为GNSS卫星星座提取的时间参考。PRTC B类要求PRTC B在正确追踪时处于UTC的+/-40 ns范围内。增强型PRTC（ePRTC）类要求ePRTC在正确追踪时处于UTC的+/-30 ns范围内。ePRTC还具有与GNSS漏洞相关的额外要求，该要求增加了保持规范，即如果GNSS接收失败或受到影响，ePRTC将保持在UTC的100 ns范围内至少两周。这是通过将铯原子钟参考与GNSS授时接收机功能部署在同一位置来实现的。ePRTC具有可学习铯原子钟读数和GNSS UTC参考之间偏移的学习算法。如果参考不可用，这些算法可以补偿铯原子钟的偏移，并延长UTC可追踪时间的保持期限。

第二个概念侧重于传输网络和设备，称为全路径支持。在全路径支持模型中，PTP时间戳不会通过基于GNSS的PRTC质量主时钟和无线电单元（RU）中最终应用PTP客户端之间路径上的交换机和路由器。PTP时间戳流在交换机入口点终止，并通过主时钟功能在交换机出口点再生。这一过程称为边界时钟（BC）功能，其目的是通过测量和补偿由交换机的交换结构引入的时间戳可变延迟来减小开关元件的时间误差。随着时间的推移，交换机内使用的BC技术不断发展，从而允许在使用PTP实现基于网络的授时服务时减小授时误差。BC技术首次引入时采用单一分类，此分类定义了包含BC功能的交换机所允许的最大时间误差。对于允许更低最大时间误差的交换机，现在有多个BC分类，这些分类允许在网络中更远的距离处部署基于GNSS的主时钟功能，并且从RU中的PTP客户端经过更多交换跃点。边界时钟功能可恢复来自PTP输入的授时，属于ITU标准G.8273.2中定义的电信时间次级/客户端时钟（T-TSC）范畴。边界时钟分类和T-TSC时间误差功能以最大允许恒定时间误差（cTE）为界，cTE是用单一数字表示的时间误差平均值，可与精度规范相比较。请记住，BC技术允许减小交换设备的授时误差，但不允许减小由于引入任何额外基于网络的不对称性而导致的时间误差。

下表描述了基于ITU标准的边界时钟/T-TSC分类和相关的cTE边界。


图2.这张表确定了各种边界时钟分类及其相关的时间误差分配预算要求。

主参考时钟和边界时钟功能的技术进步允许使用PTP实现基于网络的授时服务，以将授时服务的范围从GNSS时间源扩展到终端RU应用（适用于距离和交换跃点数），并保持超高精度以允许替代分布式GNSS授时架构，在GNSS架构中，GNSS时间源可以位于更靠近网络核心的中心位置。这一概念称为虚拟主参考时钟（vPRTC），可以通过以太网/数据包交换或密集波分复用（DWDM）光传输网络进行工程设计。

vPRTC架构由三个部分组成。第一部分是具有PTP主时钟功能的GNSS时间源，此时间源可达到PRTC B（+/-40 ns）或ePRTC（+/-30 ns）质量标准。对于GNSS漏洞问题和保持性能，建议ePRTC增加铯原子钟并与GNSS授时接收机部署在同一位置，以提高GNSS接收机相对于UTC的授时精度，同时提供延长保持时间的能力，即在GNSS信号中断时，可以保持小于100 ns（相对于UTC）至少两周。第二部分是网络本身以及GNSS时间源和终端RU PTP应用之间的网络传输架构。vPRTC的此传输段必须提供具有C类或D类边界时钟分类功能的全路径支持，以便实现正确的时间误差分配和抑制。vPRTC的第三个部分是网络边缘接入位置，其中PTP时间戳流会传送到终端RU PTP授时应用。此位置必须恢复和重新生成PTP授时流，从而创建vPRTC功能并满足小于100 ns（相对于UTC）的PRTC A规范要求。随后，此PTP授时流通过前传网络段传送到终端RU PTP授时应用。

图3给出了C类边界时钟全路径支持传输网络中的vPRTC概念。


图3.此图给出了使用C类边界时钟时间误差分配工程配置为虚拟主参考时钟（vPRTC）的分组网络。

总结

随着网络技术的进步，支持在更远距离和更长的网络元素链上实现高精度授时，从而使运营商可以选择在从边缘到网络核心的不同位置为5G授时架构引入基于GNSS的时间源。vPRTC架构在弹性和冗余方面拥有显著的技术优势。vPRTC可以采用东西向配置，其中有两个位置来部署GNSS时间源和最高级时钟功能，从而实现ePRTC或PRTC冗余。此外，这种配置还支持环网或Liner环网络架构中的双向PTP授时流，当这种架构中发生光纤切断时，允许从相反方向授时和通信，从而提高架构的弹性和冗余度。

随着5G网络的不断发展，分布式GNSS PTP授时架构和集中式vPRTC PTP架构将成为全球运营商和5G LTE专用网络的可行商业和技术选择。运营商必须意识到，在底层网络拓扑可用的情况下，务必要考虑到设计的严密性，以便构建最稳健且最可靠的授时架构。