什么是 5G 时钟同步？

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时钟同步是 5G 无线网络性能的重要且相互关联的要求。定时是基于建立精确的、标准化的时间值，该时间值必须在整个无线网络中传递。与此密切相关的同步概念指的是网络活动的协调步调，只有使用这个公共时间基准才能成功完成。

更快的速度、更低的延迟和更高的蜂窝基站密度推动了 5G 网络的精确时钟同步要求。无线网络的时钟同步标准可防止消息相互干扰，并实现平滑的小区间传输。向基于分组的传输和时分双工 (TDD) 技术的转变也要求时钟同步测试解决方案的精确性和多功能性。

时钟同步的重要性

基于全球网络卫星系统 (GNSS) 星座的定时，包括服务于美国的全球定位系统 (GPS) 定时源，在无线网络操作中起着重要作用。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、高带宽的无线服务的交付。 

• 同步技术对于所有无线通信都是必不可少的，包括 5G 网络。双工、多路复用和基于分组的策略都严重依赖定时基准来协调数据传输、防止干扰、降低误码率以及补偿任何频率或相位偏移。
  • 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。
  • 相位同步意味着时钟在频率和相位上是一致的，但是缺少一个共同的时间原点。
  • 时间同步是指相位和频率同步到位，并且时钟也具有共同的时间原点（如协调世界时 (UTC)）的状态。
• 5G RAN 分解将基带单元 (BBU) 分为灵活的集中式单元 (CU) 和分布式单元 (DU)。需要严格控制这些元件之间的绝对和相对定时，以满足 5G 用例要求。无论 CU 和 DU 之间的距离有多远，前端网络的同步都能使 RAN 正常工作。

双工电信是指在通信信道上的双向传输。时分双工 (TDD) 通过对同一频率上的上行链路和下行链路信号使用不同的时隙来实现这一点。这种巧妙的方法可以在半双工（串行-二进制）链路上实现全双工（同时）通信。

• 时分双工无线是全球 5G 部署的基础技术。当上行链路和下行链路信号在相同的频率上操作，并且传输之间只有短暂的保护周期时，频谱效率得到提高。双工通信链路需要精确的时钟同步，以防止小区内或小区间干扰。TDD 要求相位和频率都同步。
• 5G 的 TDD 时隙格式将数据分成一系列 10 毫秒无线电帧，每个帧包含 10 个 1 毫秒子帧。3GPP TS 38.213 第 15.3 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。
• 5G TDD 时隙的变化会导致交叉链路干扰。一些格式具有相等的上行链路和下行链路时间，而其他格式则不太均衡。为了防止干扰，相邻网络之间的帧和时隙结构也必须同步。

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，需要单独的发射和接收频带。任何关于 5G FDD 和 TDD 的讨论通常都包括 FDD 技术所消耗的大部分频谱。
• FDD 发送信道和接收信道之间需要保护频带，以最大限度地减少干扰。尽管 FDD 在时钟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。 

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) 和 2019 年完成的另一个向后兼容版本提高了该协议的准确性、精确度和清晰度。

• 精确时间协议 PTP 基础设施包括直接同步到 GNSS 卫星源的主时钟。绝对时间基于 UTC。使用边界时钟和辅助时钟在整个网络中共享该信息。辅助时钟不作为其他时钟的定时源。当 5G 网络中的所有无线电单元都同步到一个公共时间和相位时，调度器可以将干扰降至最低。
• 用于 PTP 的边界块可以充当主时钟和辅助时钟。一旦它接收到来自原始主时钟的计时消息，它就可以调整延迟并向网络中的其他时钟发送新的主时间信号。
• 以太网上的 PTP 正在取代 GNSS，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。

当 5G 网络节点不同步时，接收到的信号无法正确解调。这可能会导致较高的误码率 (BER)、延迟和抖动，从而影响客户体验。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) 是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为仅 1.5 微秒。这包括回传中的 1.1 微秒绝对时间误差，加上回传输出到无线电天线端口的其余链路的 0.4 微秒绝对时间误差。 

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 的载波在上行链路和下行链路传输之间必须有一个保护期。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 GNSS 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 GNSS 信号强度验证和全面天线验证可以可以最大限度地减少潜在的干扰问题。

• 5G 蜂窝基站的精确时钟同步要求使得即使很小的时间变化也是不可接受的。3G 和 4G 网络只需要一条卫星线路进行同步，而 5G 网络需要锁定 4 个或更多卫星位置，以将卫星位置的影响降至最低。 

  

  
  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。有问题的丢帧、干扰和切换问题可以通过主动验证方法来防止。

• PTP 测试确保所有网络时钟与主要和 PTP 频率配置文件限制（如最低分组百分比）正确对齐。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 和/或 OneAdvisor 800 Wireless 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。

  5G NR 帧格式测试验证是否符合商定的时隙和帧格式。使用 OneAdvisor 800 Wireless 的空中测试可用于验证相邻网络上多个运营商的 TDD 帧格式。可以防止由时分双工无线引起的小区间干扰。

  
• 也可以使用 MTS-5800 进行 GNSS 测试，以确定 GNSS 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。 

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 的载波在上行链路和下行链路传输之间必须有一个保护期。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 GNSS 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 GNSS 信号强度验证和全面天线验证可以可以最大限度地减少潜在的干扰问题。

• 5G 蜂窝基站的精确时钟同步要求使得即使很小的时间变化也是不可接受的。3G 和 4G 网络只需要一条卫星线路进行同步，而 5G 网络需要锁定 4 个或更多卫星位置，以将卫星位置的影响降至最低。 

  

  
  基于 GPS 的同步