摘要：討論面向5G的同步支撐網在網絡架構、同步精度、安全性、可靠性、監測性等方面的需求，介紹一種基於光纖的高精度時間同步網的實現方案，並給出經過現網1300km、19個節點傳遞的時間同步測試結果。利用該方案既可以實現面向5G的時頻一體化的支撐網，又可以對5G網絡中重要節點的時頻性能進行實時監測。
關鍵詞：5G 網絡 同步支撐網 時頻監測
一、引言
隨着通信技術的發展，移動通信從1G的模擬通信系統到2G的數字通信系統，再到3G、4G以及即將來臨的5G，在不斷地演進。正是人們對於更好、更快的追求才使得通信技 術不斷地進步。目前熱門的大數據、雲計算、人工智能、VR/AR、4K/8K視頻、無人駕駛等新興產業對5G的需求非常迫切，因爲只有5G才能滿足這些應用對高速率、大容量和低時延通信的需求。因此，5G時代將迎來新一輪的科技浪潮。5G已成爲通信行業未來發展的重點，加速5G的技術 研發、標準制定、商用推廣已成爲國際和國內社會的戰略共識。由於5G應用前景廣泛，5G戰略制高點爭奪戰已風起雲涌。我國企業已投入巨資，在5G技術和網絡應用領域展開研發和佈局，希望佔據整個產業鏈的主導地位。
二、5G對時間同步的需求
近年來，ITU-T、3GPP、IEEE等業界主流的標準組 織都在研究同步問題。3GPP定義5G同步需求，ITU-T定 義同步解決方案，IEEE定義基礎時間同步協議。2017年12 月，3GPP批准了Release 15 5G NR非獨立（NSA）標準，該標準的獨立（SA）部分將於2018年6月完成。雖然3GPP 對5G同步的具體精度要求目前尚未確定發佈，但是同步要求精度越來越高的趨勢已是必然。5G基站採用TDD制式， 除了傳統的移動基站業務外，還可能承載其他各種行業的應用。一些特殊的業務對時間同步的精度要求可能更高，達到幾百納秒，甚至幾十納秒。例如，未來5G時代的物聯 網絡利用基站提供定位服務，時間同步精度要求在±10ns 左右，LTE-Advanced的關鍵技術CoMP-JP多點協同傳輸處理中要求相鄰基站間的相對時間精度在百納秒。5G網絡中由於採用了MIMO+OFDM技術，其時序控制要求非常精確，如在3GPP TS 36 104中第6.5.3.1節定義的TAE（Time Alignment Error）最高要求不超過65ns。未來高精度的時間 同步將成爲5G網絡的基礎功能和5G服務的使能開關。時鐘 同步將變成一種增值服務，爲5G網絡運營商提供廣闊的市場機會。
三、面向5G的同步網演進
在同步網的建設過程中，需要考慮網絡發展的後向兼容性，保證面向5G需求的時間同步網能夠實現平滑演進。5G同步網作爲重要的通信基礎設施，不僅需要進一步完 善同步網的架構，提高同步網的時間精度、安全性、可靠性和健壯性，而且需要提升同步網的可服務性和易用性。 面向高精度的時間同步解決方案的初步意向主要集中在提升PRTC、承載網、基站的時間同步精度，同時減少組網 的跳數。在基準源方面，在傳統多制式衛星（G P S/北斗/ GLONASS）參考源的基礎上，增加國家高精度地基授時系 統的專用光纖網絡參考源，實現對天上衛星失效的可靠備份。通過建立基於光纖的地面時間同步網絡，爲基站提供空中和地面一主一備的兩路時間同步信號是業界認同的最 佳方案。此外，利用高精度地基授時系統的專用光纖網絡提供的參考源，還可以對5G同步網的重要節點進行實時的性能監測。在組網架構方面，採用共視法和高精度地基授時系統專用光纖網絡參考源，可以實現真正的全網同步， 從而爲5G網絡提供一張安全可靠、自主可控的高精度時間同步支撐網。
四、實現方案
針對5G網絡對時間同步網更高精度的需求，與時間同 步相關的產業鏈中的廠商都在爲了設備實現更高精度進行技術攻關，5G運營商也在對網絡如何應用時間同步技術滿足 5G需求進行研究。四川泰富公司與國內某電信運營商聯合開展了面向5G的同步網新技術研究。主要研究內容爲：在通 信光纖上進行長距離、多節點、高精度時頻傳輸的研究。由於在高精度定位方面，3GPP標準中已出現3m的定位需求， 若採用基站測時測距的方式，時間同步誤差要小於±10ns。 因此，測試的目的是採用高精度光纖時間傳遞設備，在某電信運營商的光纖現網上進行長距離（≥1000km）、多節點 （≥10個）、高精度（≤±10ns）的時頻傳輸驗證和測試。 現網測試的示意如圖1所示。鍾源是銫鐘源，授時結構採取 主從模式。主站M跟蹤鍾源，主從之間、從站之間使用光纖連接，可以任意級聯。要求各站（M，S1，S2，…，S20）的輸出相對於銫鐘源≤±10ns。採用非全光中繼的方法，使每個授時節點可以任意上下時頻信號（且保證各節點的時間 同步精度均≤±10ns），具備靈活的時頻業務調度能力。
4.1環回比對測試原理
由於這次現網測試屬於高精度時間測量，目前還沒有儀表能夠在異地實時準確地測量待測信號，需要把待測信號傳遞迴源點，與參考源進行實時的比對測量。因此，所有的被測信號都由時間傳遞設備通過光纖傳輸到時間傳遞設備 N+2，然後對時間傳遞設備 N+2的輸出與參考源進行比對測 量，測試示意如圖2所示。
在圖2中，主設備（時間傳遞設備1）通過GPS/BD衛星 獲得時間信息，也可以接收運營商標準的1PPS+TOD時間基 準信號並獲得時間信息，頻率通過銫鐘獲取。主站（Master） 時間信息通過SFP光模塊傳輸到下一級從站（Slave）設備，並作爲從站設備的時間參考源。時間傳遞設備2的時間信號通過兩個方向傳遞，其中一個方向爲備份路由，用於環路保護。 圖2中的光纖是雙纖，各代表一個傳輸方向。時間傳遞設備均可輸出多路TOD+1PPS（差分）信號和頻率信號，所有設備均可通過數據網由中心網管進行統一管理和控制。
採用環回法進行實時測試，因爲其他中間站沒有參考源進行比對，中間站只能通過網管查詢輸出信號和輸入信號的相位偏差。如果任一中間站的性能指標超出，那麼最後環回站的性能指標也一定會超出，因此可以推斷出：如果最後環回站測試正常， 那麼其他中間站一定均正常，並且測得最後環回站的測試結果範圍後，其他中間站的性能指標也一定在這個範圍之內。
4.2 現網測試方案及測試結果
5G統一授時是面向全網的，因此在現網測試時同步網的組網需要達到一定的規模，至少應組建大於 1000k m的帶環網的光 纖鏈路，同時傳輸的節 點數不少於10個。爲了 達到10n s的時間同步精度，主站的時間源頭需要配置銫鐘源。結合某電信運營商光纖網絡的 實際情況，綜合考慮測試的內容和光纖線路資源，高精度光纖時間傳遞設備主要佈置在成 都、內江以及成都到內江沿線。現網測試的具體實施方案如圖3所示。
以上光纖鏈路經過幹線和本地環，傳輸距離超過1300k m，並且覆蓋多種類型的光纖光 纜（其中有G.655光纖和G.652光纖）。不僅光纖類型不同，光纜的鋪設環境也不同，包括管道光纜、架空光纜、直埋光纜及混合鋪設等方式。時間源信號從主站（成都）輸入，經過長距離傳遞後返回成都（環回測試）。
現網測試的內容分爲以下幾個階段。
第一階段主要進行基本功能測試、自動開局、1PPS+TOD 長期性能測試（大於7天）。
第二階段主要進行傳輸協議、環路保護功能測試、 1PPS+TOD應用功能測試、保持守時功能測試、2.048MHz 頻率性能測試、基站側1PPS+TOD性能測試、1PPS+TOD性能測試（跟蹤GPS/BD）和PTP性能測試（跟蹤GPS/BD）。
第三階段主要進行監測功能測試，通過監測盤測試輸入 的2.048MHz性能並分析繪製圖形（TIE、TDEV），與夏光 XG7010做比對測試，驗證設備輸入監控盤測試信號的正確性。
現網測試光纖網絡的傳遞距離爲1305.65k m，經過19 個節點，實測精度在±5ns左右，優於±10ns。測試時間爲9 天，最大值4.859ns，最小值-4.452ns，峯值爲9.310ns。測試 結果如圖4所示。
現網的測試結果表明各個站點的時間同步精度在±5ns左右，滿足未來5G時代的物聯網利用基站提供定位服務時， 時間同步精度優於±10ns的要求。
五、基於光纖的高精度同步網在5G中的應用展望
基於光纖的高精度同步網在5G通信中主要有兩個方面的應用，一是構建面向5G的時頻一體化支撐網；二是對5G網絡中的重要節點進行時頻監測。由於基於光纖的高精度同步網通 過獨立的地面光纖網絡進行時間頻率傳遞，時間頻率信號與業務信號分離，形成獨立的時頻支撐網，實現對基站的統一授時。同時頻率信號也提供給傳輸設備用作同步定時信號，從而形成面向5G網絡的全網時頻一體化支撐網。基於光纖的高精度時間同步網用於全網的時頻同步場景，具體如圖5所示。
由於現有的同步網缺乏有效的監測手段，難以實時監測網絡中重要節點的時間頻率性能指標。利用基於光纖的高精度時間同步網形成獨立的時頻支撐網，能夠有效地解決現網 BITS同步網以及PTN傳輸鏈路中重要的頻率或時間節點的時頻信號性能指標的監測問題，可以對同步網的時鐘性能進行在線實時監測。監測方案如圖6所示。
如圖6所示，對時鐘性能監測最有效的方法即用絕對參考源（銫鐘+GNSS）對時間頻率監測點進行測量和比對。採 用銫鐘+GNSS的絕對參考源後，利用基於光纖的高精度時間傳遞設備（圖6中標識爲“TF設備”）進行組網，組網後的 基準源輸出能力可以達到：頻率穩定度≤±5E10-14、時間 準確度≤±10ns。利用如此高精度的時間頻率基準作爲參考源，對現網設備的時鐘同步性能進行比對測試，可以實時監控現網設備的同步性能。由於基準參考源的精度高於現網設備時間頻率精度一個數量級以上，因此保證了監測數據的準確性和可靠性。
六、結束語
作爲通信網絡最重要的支撐網之一，同步網在5G網 的建設中具有非常重要的作用。面向5G的同步網必須進行全面和綜合的考慮，使同步網在架構、精度、安全性、可靠 性、監測性等方面都進行全面提升，這樣才能滿足5G的應用需求。文中提出的基於光纖的高精度時頻一體同步網的解決方案，不僅在精度上可以滿足5G網絡對時間同步精度更高的需求，而且可以用於5G網絡重要節點的時間頻率監測。現網測試表明，經過光纖傳輸1305.65km，連接19個網絡節點， 實測同步精度優於±10ns，爲面向5G的高精度時間同步網提供了一種可實現的方案。