Timing and Sync

定时和同步

用于解决时间、相位和频率同步要求的验证和测试解决方案。

全球定位系统 (GPS) 为无线网络提供精确的定时基准。5G 技术和物联网正在将时间、相位和频率同步要求推向技术极限。VIAVI 提供了一系列直观的、支持云的验证和测试解决方案,以应对这些挑战,并确保符合严格的行业标准。

什么 是 定时和同步? 

定时和同步是 无线网络 性能的 相关 要求。 为了实现定时 ,必须先 建立 精确的 标准化 时间值,该值必须在整个无线网络中传播。 密切相关的同步概念 指的是 网络 活动的  协调、精确 节奏,这些活动只有在 这个 共同的时间基准下才能 成功  完成。 

移动网络的定时和同步标准可防止消息相互干扰,并实现平滑的小区间传输。5G 的定时和同步要求越来越严格,这是由成倍提高的速度、更低的延迟和更高的密度推动的。向基于分组的传输和时分双工 (TDD) 技术 的持续迁移也 要求 定时和同步测试解决方案的精确性 和多功能性。

定时和同步的重要性

源自全球网络卫星系统 (GNSS) 星座(包括为美国服务的全球定位系统 (GPS))的定时在无线网络运营中发挥着举足轻重的作用。没有这种一致而可靠的时间标准,就不可能实现高效的频谱利用和高速、高带宽的无线服务。

  • 同步技术是所有无线通信网络的基本构件。双工、多路复用和基于分组的策略都严重依赖定时和同步来协调数据传输、防止干扰、降低错误率以及补偿任何频率或相移。 
    • 频率同步描述了不同系统时钟的频率(重复间隔)对齐,但相位和时间不对齐的状态。 
    • 当时钟相对于频率和相位对齐,但缺少共同的时间原点时,就实现了相位同步。 
    • 时间同步是指时钟在频率和相位上与共同的时间原点(如协调世界时 (UTC))对齐的状态。 
      Common Time Origin
    • 5G RAN 分解将传统的基带单元 (BBU) 分为配置更灵活的集中式单元 (CU) 和分布式单元 (DU)。需要严格维护这些元件之间的绝对和相对定时,以满足苛刻的 5G 用例要求。尽管组件之间存在物理距离,但前传网络的同步确保了 RAN 的和谐运行。 

什么是时分双工 (TDD)? 

双工电信被定义为通信信道上的双向传输。时分双工 (TDD) 通过在同一频率上为上行链路和下行链路信号分配不同的时隙来实现这一点。这种巧妙的方法允许在半双工(串行-二进制)通信链路上模拟全双工(同时)通信信道。  

  • 时分双工无线是全球 5G 部署的基础技术。工作在同一频谱上的上行链路 (UL) 和下行链路 (DL) 信号提高了频谱效率。时分双工的优点被防止小区内或小区间干扰所需的精确定时和同步所抵消。TDD 要求频率和相位都同步。 
  • 5G 的 TDD 时隙格式将数据内容分成一系列 10 毫秒无线电帧,每个帧包含 10 个 1 毫秒子帧。3GPP TS 38.213 第 15 版中包含的 56 种可用的帧和时隙配置适应了广泛的 5G 用例和流量模式。一些选项包括相等的 UL/DL 时间,而其他选项则较为不对称。5G TDD 时隙格式的变化进一步增加了交叉链路干扰的可能性。为了防止这种情况,相邻网络之间的帧和时隙结构也必须同步。 
    Two networks with unsynchronized Slot format
    具有非同步时隙格式的两个网络
  • 频分双工 (FDD) 是一种早于 TDD 的全双工电信方法,需要两个独立的通信信道。任何关于 5G FDD 与 TDD 的讨论通常都包括 FDD 技术消耗的较大部分频谱。FDD 发送信道和接收信道之间还需要保护频带,以最大限度地减少干扰。尽管 FDD 在定时和同步要求方面更宽容,但与 MIMO、波束成形和 C 波段频谱的兼容性是有利于 TDD 和 FDD 5G 的额外因素。

什么是精确时间协议?   

IEEE 1588 标准定义的精确时间协议 (PTP) 为基于分组的网络建立了一种精确时钟同步到亚微米范围的方法。这包括基于以太网的 5G 中传和前传网络。2008 年发布的 PTP 版本 2 (1588v2) 提高了协议的准确性、精确性和稳健性。 

  • PTP 基础设施包括一个直接同步到 GPS 卫星信号源的主时钟,该卫星信号源根据 UTC 传递绝对时间。此信息使用边界时钟和从属时钟的组合分散在整个网络中。确保网络中的所有无线电单元与公共时间和相位基准同步,使调度器能够将潜在干扰降至最低。 
  • O-RAN 联盟建议在一个主时钟和任何端点之间穿越的边界时钟不超过两个。但是,对穿越的总距离没有既定的限制。 
  • 以太网上的 PTP 正在取代 GPS,成为 5G 前传网络的主要定时源。虽然以太网本质上不是同步的,但是可以使用 PTP 和同步以太网 (SyncE) 在以太网层上分发定时和频率信息。这允许利用现有的以太网布线来同步分布式系统中的时钟。 

5G 定时和同步要求  

当 5G 网络节点不同步时,接收到的信号无法正确解调。可能会导致影响客户体验的高误码率、延迟和抖动。为了解决这个问题,包括 3GPP 和 ITU-T  在内的多个标准机构现已建立了同步要求。

  • 根据通信系统的不同,同步定义和过程会有所不同。对于 TDD 和 FDD 5G,载波和定时精度要求变得更加严格。对于每个用例,同步、类型、需求以及不符合性对性能的影响也大相径庭。 
  • 时间误差 (TE) 定义为任意两个节点时钟之间的时间差。对于 LTE/5G TDD,主时间基准和任何节点之间的绝对时间误差限制在极短的 1.5 微秒内。这包括接入点的 1.1 微秒绝对时间误差和无线电前传链路的 0.4 微秒绝对时间误差。 
  • 相对时间误差是两个无线电单元的输入之间的时间差。相对 TE 是载波聚合和大规模 MIMO 等高级 5G 功能的重要指标。用于协调去往和来自多个蜂窝基站的信号的协调多点 (CoMP) 不能容忍大于 1.0 微秒的相对时间误差。
用例同步类型同步要求合规的必要性不合规的影响
LTE/5G-NR FDD

频率

50 PPB(绝对)可及性和可保留性干扰和高丢弃连接
LTE/5G-NR FDD时间~10 微秒(绝对)时隙对齐丢包冲突、性能下降
LTE/5G-NR/eMBMS/载波聚合时间~3-5 微秒(绝对)用于视频解码和载波聚合的多个载波和小区之间的时间对准视频质量差,CA 失败,吞吐量低
LTE/5G-NR TDD/eCIC时间~1-5 微秒(绝对)干扰管理/干扰协调网络干扰、容量减少、性能不佳
LTE/5G-NR CoMP/LBS时间<1 微秒相对 OTA 测量进出蜂窝基站的信号协调LBS 精度、频谱效率
LTE/5G-NR TDD取决于相邻的 TDD 网络(LTE 与 5G)与相邻 LTE 或 5G 网络协调网络干扰、容量减少、性能不佳

5G  时钟 同步 面临的挑战 

RAN 解聚、TDD 以及 MIMO、波束成形和毫米波技术的采用使 5G 无线的全部潜力得以实现。这些创新结合在一起,也将 5G 的定时和同步要求推到了前所未有的水平。自动驾驶汽车和物联网等实时应用正在改变分组网络中定时和同步方面的复杂局面。  

  • 小区间干扰可能是 5G 时分双工无线的不受欢迎的副产品。必须在具有相邻频率分配的并置网络之间建立兼容的帧结构。使用 TDD 的载波还必须避免同时进行 DL 和 UL 传输。DL 信号可能会泄漏到使用 TDD 和 FDD 的相邻信道中。LTE 保护频带不再存在,以减少影响。  
  • 卫星天线采集的 GPS 信号质量必须高度可靠,才能满足 5G 的要求。从多个位置进行 GPS 信号强度验证和全面天线验证可以将干扰问题的可能性降至最低。3G 和 4G 网络只需要站点的一条卫星线路即可进行同步。5G 小区的精确定时和同步要求使得即使是最小的变化也无法忍受。锁定 4 个或更多卫星位置可用于将卫星位置的影响降至最低。
    GPS Based Synchronization
    基于 GPS 的同步

我们可以测试什么? 

幸运的是,使用强大的 VIAVI 测试解决方案套件,可以准确可靠地验证极其苛刻的定时和同步要求。采用主动验证方法可以防止有问题的帧丢弃、干扰和切换问题。 

  • 可以执行 PTP 测试,以验证所有网络时钟是否都与主时钟正确对齐,并且满足 PTP 频率分布限制,例如最低分组百分比。还可以建立符合时间误差 (TE) 限制的时间和相位分布。VIAVI MTS-5800 通过模拟主时钟下游的 PTP 端点,可以轻松测试定时误差和连通性。 

  • 应测试 5G NR 帧格式,以确定相邻网络符合商定的时隙和帧格式。使用 CellAdvisor 5G 的空中测试可用于验证多个运营商的 TDD 帧格式。可以防止来自时分双工无线的小区间干扰。 

    GPS Test using VIAVI T-BERDMTS-5800
  • 也可以使用 MTS-5800 进行 GPS 测试,以确定 GPS 天线位置在安装期间和安装后的适用性。可以通过一个直观的界面评估可见卫星的数量、信号强度以及跨扇区和站点线的卫星位置多样性。

VIAVI 的定时和同步解决方案  

VIAVI 定时和同步解决方案具有确保符合严格的 PTP/1588v2 和 ITU-T 标准所需的功能,这些标准可使 5G 和 LTE 无线网络正常运行。 

  • CellAdvisor 5G 是一款先进的现场便携式解决方案,旨在解决 5G 频谱分析、覆盖验证和波束分析方面的独特挑战。使用 VIAVI CellAdvisor 5G,射频工程师或技术人员还可以验证空中频率和时间误差,并确保与 UTC 标准相比,同步符合 ±1.5 微秒的限制。 
  • OneAdvisor-800 允许蜂窝基站技术人员通过单一仪器测试光纤、射频和 CPRI/以太网。实时频谱分析提供了可防止干扰源的 TDD、LTE 和 5G 载波的详细表示形式。MIMO 验证和信号分析可以快速检测干扰覆盖范围和服务质量的障碍。 
  • MTS-5800 支持贯穿整个网络服务生命周期的 5G 定时和同步测试。除了 GPS 信号验证和对 PTP 协议的时间误差测试外,MTS-5800 还可用于验证同步性能,并在网络上执行单向延迟和 PDV(分组延迟)测试。  

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