通过精确的时间架构解决 5G 弹性挑战

移动运营商需要为他们的 5G 网络提供高精度的时间和相位保护，但是当依赖全球导航卫星系统 (GNSS) 时，这很难实现，因为全球导航卫星系统 (GNSS) 容易受到干扰、欺骗或自然现象的干扰可能会导致它在很长一段时间内不可用。增强型主参考时钟 (ePRTC) 为移动网络运营商提供了一种高枕无忧的解决方案：保持提供必要的准确性、可靠性和性能来解决问题。

成功部署 ePRTC 需要深入了解构建稳健且有弹性的架构以实现精确时间所需的关键要素，包括最适合网络运营商需求的时钟和其他相关系统。

保持 5G 正常运行

想象一个速度非常快的移动网络，可以快速下载视频，并允许密集的 5G 服务在许多地方让客户满意。突然，一切都被打断了。移动服务宕机，客户指责移动运营商，损害运营商声誉，导致用户流失。这很容易在 GNSS 中断期间发生。

负责国家关键基础设施的移动运营商和团队一直在考虑各种方法来提供 GNSS 备份或减少对整体技术的依赖。即使在最近的 3G 或 4G 移动网络中，流行的无线电技术也主要是基于频率的同步策略。这在业界非常了解，部署广泛且非常有效。

随着 5G 的出现，需要非常严格的时间和相位精度才能最大限度地利用移动运营商一直在投资的宝贵频谱。避免数据冲突和频率干扰至关重要，同时还要最小化保护带大小以增强和更有效地使用它们的频谱。精确的时间使这成为可能。

这种精度水平需要时间来源，主要通过 GNSS 提供。然而，随着 5G 的网络致密化，这不再是一种选择。无线电或基站中的 GNSS 接收器丢失需要快速停止无线电或基站的服务，以避免由于无线电或基站中缺乏高质量的保持振荡器而导致的干扰问题。这种技术考虑导致基站定时对 GPS 的依赖减少，并迁移到精确时间协议 (PTP) 架构。移动运营商需要最大限度地减少使用 GPS 的位置，同时保留非常有弹性的架构以确保准确的时间，以确保在 GNSS 中断期间客户服务的连续性。

ePRTC 标准是应对这一挑战的理想选择。它是国际电联电信标准化部门 (ITU-T) 为时间准确性定义的几个主要参考时钟 (PRTC) 版本之一。

PRTC A 类可以满足相对于协调世界时 (UTC) 的 100 ns 精度要求。PRTC B 类更精确，精度为 40 ns。根据 ITU-T G.8272.1 的定义，增强型 PRTC 具有最高的精度，为 30 ns。

ePRTC 的独特设计使其具有最强的弹性，能够使用铯时钟作为参考保持 14 天或更长时间，同时在整个延长中断期间保持与 UTC 的最大偏差仅为 100 ns。这是为 5G 移动运营商部署 ePRTC 的主要优势。如果 GPS 出现故障，整个网络的服务交付将保持无缝。这确保了修复 GPS 中断或在长时间的 GPS 不可用期间存活所需的时

钟表及配件的重要性

ePRTC 不能孤立地工作。质量 ePRTC 的核心原则是它通过产生自己独立的自主时间尺度来生成时间。时间刻度提供时间、相位和频率，这些时间、相位和频率随时间与 GNSS 信号对齐和校准。使用获得专利的测量算法，高质量的 ePRTC 引擎可以评估和测量其自身相对于 GNSS 的自主时间尺度偏移。

ePRTC 系统的做法是让时标成为自主时间的主源，而铯钟和 GNSS 有助于保持 ePRTC 时标的准确性。

出于这个原因，理想情况下，ePRTC 应该连接到 GPS 和原子钟（铯，通常是为了最大限度地提高弹性，建议使用两个铯钟）。ePRTC 不是简单地锁定到一个原子钟，而是在适当加权的时间尺度集合中主动、无缝地锁定到两个时钟。例如，如果一个原子钟的性能下降，ePRTC 将优雅地减轻它对输出时间和频率服务的影响。

这突出表明，高质量的 ePRTC 需要具备适合集成和自主时间尺度功能的智能，同时还擅长与高质量的原子钟“耦合”。对于保持能力尤其如此。最高质量的铯钟将导致 ePRTC 系统本身的最佳保持性能。

设置和调试要求

成功构建优化的时间刻度系统包括铯钟和 ePRTC 系统，并且在设置和调试时需要格外小心。ITU 标准规定了需要进行的调试验证，包括：

ePRTC 完全锁定到输入的参考时间信号，并且不在预热中运行。

参考路径中没有故障或设施错误，包括但不限于天线故障。

环境条件在设备规定的操作范围内。

设备已针对固定偏移量进行适当调试和校准，例如天线电缆长度、电缆放大器、接收器延迟和参考时间信号（例如，GNSS 信号在相关运营当局确定的限制范围内运行）。

如果参考时间信号在 GNSS 等无线电系统上运行，则多径反射和来自其他本地传输的干扰（如干扰）必须最小化到可接受的水平。

没有极端的传播异常，例如严重的雷暴或太阳耀斑。

时间参考是 GNSS，频率参考是原子钟的 1 pps/10 MHz。常见的错误是将 GNSS 设置为时间和频率的最高优先级，这将原子钟置于经典的备用角色，并否定了 ePRTC 的操作优势。

在考虑了这些调试要求之后，选择 ePRTC 解决方案的下一步是系统验证和测试。

验证和测试

测试和验证主要分为三个阶段：

21天“学习”期

14天的“保留”期

七天的“恢复”期

21天的学习期有助于以超高精度确定ePRTC时标的UTC校准校正参数和当地铯的频偏估计。GNSS 子系统报告本地时标相对于 UTC 的连续时间误差测量流，因此本地时标速率可以缓慢调整。这前三周有助于验证 ePRTC 确实符合 ITU-T 的时间精度规范。

图 1：21 天后——显示符合 ITU-T G.8272.1 时间精度标准（图片：Microchip）

在 14 天的保持期内，GNSS 信号断开，ePRTC 必须验证它可以保持 14 天的 100 ns。铯钟越好，这个测试的性能就越好。

如图2所示，测试的 ePRTC 将时间误差性能限制保持在 100-ns 标准内，并在几乎整个中断期间保持 25-ns 时钟等级。使用高性能铯原子钟可提供比标准要求高 4 倍的保持性能。

图 2：在针对 Microchip 的TimeProvider 4100的 ePRTC 测试中，在 14 天中断（+1 天恢复）后，时间误差完全在 100 纳秒（42 纳秒）的要求范围内。当 GNSS 重新连接时，它返回到零。（图片：微芯片）

恢复期是为了验证在将 GNSS 重新连接到 ePRTC 单元时，一切恢复正常。目标是验证正常 100% 时间尺度保护操作的成功重新收敛和重新建立，如图 3 所示。

图 3：时间偏差 (TDEV) 后保持期与 Maser UTC-NIST 参考与 G.8272.1 标准的比较显示了保持后 7 天的结果（图片：Microchip）

保持“电量计”的重要性

“电量计”特别有用，因为它可以让移动运营商充分了解 ePRTC 保持功能能够将 100 纳秒精度保持到 UTC 多长时间。该标准需要 14 天。

图 4：保持电量计（就在 GNSS 天线被拉出之前）估计为 40 天（比要求的 14 天好得多）。（图片：微芯片）

ePRTC 标准满足 5G 对保证提供一致、高度精确的相位和时间的需求。它提供此功能的难易程度取决于作为完整解决方案一部分的正确部署，包括经过充分验证、测试和调试的正确时钟和相关系统。

关于作者

Eric Colard 是新兴产品、频率和时间系统的负责人，负责领导 Microchip 的 TimeProvider 4100 和面向电信、公用事业和其他行业的集成 GNSS Master 解决方案的产品线管理。Eric 的领导包括产品定义、客户互动、对外促销和业务发展。他曾在美国和欧洲的科技公司担任过技术和领导职务。他的职业生涯始于在阿尔卡特和 Cap Sesa Telecom 等公司担任 X.25、帧中继和其他协议的网络领域工程师。后来，他在 Novell、Tumbleweed、FaceTime 和 Vernier Networks 担任网络、安全和其他领域的连续产品管理和业务开发领导职务。随着行业的快速发展，Eric 越来越多地涉足无线数据压缩和 TCP/IP 优化。2007 年，他加入 Symmetricom 并与合作伙伴阿尔卡特朗讯、爱立信、诺基亚西门子和思科一起设计和构建了 SyncWorld 生态系统。通过收购，Symmetricom 成为 Microsemi 的一部分，而后者现在是 Microchip 的一部分。

他拥有法国巴黎国立高等电信学院（现为巴黎科技电信）的计算机科学学士学位和理学硕士学位。他是城域以太网论坛 (MEF)、开放计算、电信基础设施项目和小蜂窝论坛的成员。他因在 Small Cell Forum 对行业做出的贡献而获奖。

审核编辑 黄昊宇