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无线网络中的时钟同步怎样组网?

时钟同步,对于无线网络来说至关重要。从2G到5G,不同的无线接入技术对频率同步和相位同步的精度都有着不同的要求。详情见我上一期的文章:为什么无线通信网络需要同步?

作者:蜉蝣采采 来源:无线深海|2020-10-16 06:35

冰河  本文转载自微信公众号「无线深海」,作者蜉蝣采采。转载本文请联系无线深海公众号。 

PART 1

同步是基本需求

时钟同步,对于无线网络来说至关重要。从2G到5G,不同的无线接入技术对频率同步和相位同步的精度都有着不同的要求。详情见我上一期的文章:为什么无线通信网络需要同步?

同步的基本原理和对表类似。

每个基站的内部,都有自己独立的时钟模块:晶振(晶体振荡器),在没有外部时钟源时,就处于自由震荡状态。

可想而知,在自由震荡状态的各个基站间的时钟没有同步,每个基站都只是一个孤岛,只能独立运行无法协同工作。唯有通过参考时钟来同步这样的“对表操作”,才能让它们步调一致,从而紧密连接形成网络。

对于参考时钟,它首先要确定一个参考源,然后再是不同节点之间的同步关系。在通信系统中,一般来说精度较低的节点向精度较高的节点来获取参考时钟同步。

PART 2

时钟等级和精度

ITU-T一共定义了4种精度的时钟,一般也称之为一级钟,二级钟,三级钟和四级钟。它们的精度要求随等级的变大而降低。

一级钟是最高等级的时钟,因此也称作PRC(Primary Reference Clock,主参考时钟)。它要求的精度非常高,即在任何情况下的频率精度在±1x10^-11,也就是频率误差为千亿分之一。

最好的一级钟是由铯原子组成的基准时钟,它利用铯原子内部的电子在两个能级间跃迁时辐射出来的电磁波作为基准来控制时钟的精度。每种不同的原子都有自身的特有的振动频率,最常见的现象就是当食盐被洒在火焰上,钠原子所发出的黄光。

铯原子钟的原理

铯原子钟的稳定度非常高,可以做到500万年才偏差一秒。

但是它的成本太高了,只有国家机器才能造得起这种昂贵的系统。对于通信系统来说,可以使用以GPS为代表的GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星导航系统)加铷钟作为一级时钟源,成为LPR(Local Primary Reference,区域基准钟)。

二级钟和三级钟的特点是它们需要从外部选择一个同步链路来获取时钟信号,对抖动和偏移进行衰减,然后再向其他设备转发时钟。因此它们称作SSU(Synchronization Supply Unit,同步支持单元),二级钟也叫SSU-A,三级钟也叫做SSU-B。

不同时钟等级的精度要求

二级钟在一年内的精度需要达到0.016ppm,三级钟在一年内的精度要能够达到4.6ppm。

四级钟也叫做SEC(SDH Equipment Clock,SDH设备时钟),作为最低级别的时钟,它的精度不大于4.6ppm。

通过和无线通信的时钟同步精度进行比较,我们会发现,所有无线通信制式的频率同步精度要求都为0.05ppm,三级钟和四级钟无法满足需求,一般需要达到二级钟的级别。也就是说,基站需要和一级钟或者二级钟同步才能正常工作。

不同无线接入技术(2/3/4G)的同步需求

PART 3

时钟同步的组网

有了时钟源,还需要一个网络,把时钟分发下去。根据组网的不同,可分为集中式和分布式这两种方式。

集中式时钟同步的代表为基于分组网络的同步以太网(SyncE),1588v2等技术,其大体上的组网如下图所指示。

集中式同步分发网络

主时钟PRC,作为最高节点,通过一个金字塔式的传输网络,一层层地把时钟传递下来。图中的SSU即为二级钟,可认为是无线通信中的基站。

在这种模式下,同步以太网(SyncE)只能实现频率同步,1588v2除了可以实现频率同步之外,还能支持更高精度的相位同步。

同步以太网+1588v2同步分发网络

但是,要1588v2实现相位同步,需要每一个传输节点都支持PTP(Pricise Time Protocol,精准时间协议)协议,并且还要求上下行链路的时延完全一致,这一点在现网中实施起来非常困难。

分布式时钟同步的代表技术为美国的GPS,还包括中国的北斗,俄罗斯的格洛纳斯,以及欧洲的伽利略等GNSS系统。

基于GPS的分布式同步分发网络

如上图所示,作为一级钟的GPS并不直接和下级SSU物理相连,而是通过无线接口来广播时钟信息,所有的SSU都通过GPS接收机来直接和主时钟同步。

毫无疑问,无线通信的基站也属于SSU,只需要在基站上安装GPS接收机就能实现高精度的同步。GPS同步目前也是全球应用最广的同步方式。

由于5G需要更高精度的相位同步,以1588v2为代表的集中式网络同步的精度难以保证,因此以GPS为代表的GNSS系统的重要性更近一步增强。

好了,本期的内容就到这里,个人浅见,希望对大家有所帮助。

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】

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