深度解析虚拟主参考时钟和5G网络授时架构

5G网络技术在蜂窝移动运营商和长期演进(LTE)专用网络环境中的推广力度不断加大。5G新空口(NR)采用时分双工技术，这项技术要求所有新空口部署相对于基于协调世界时(UTC)全球导航卫星系统(GNSS)的授时源保持相位对齐，并确保精度在+/-1.5 μs范围内。网络运营商需要了解在5G授时架构中使用精确时间协议(PTP)进行基于网络的授时所需的时间误差抑制技术和虚拟主参考时钟(vPRTC)的概念，这对于其制定合理的基础设施决策至关重要。

5G前传应用中使用PTP实现的基于网络的授时架构需要时间误差分配工程，以确保授时要求得到支持，因为授时是基础设施的关键组成部分。

在无线通信中，与授时有关的最普遍问题是同信道无线电干扰。当接收机正确追踪卫星时，在蜂窝基站上部署全球导航卫星系统(GNSS)(例如GPS、Galileo和北斗)接收机允许进行时隙传输分配，从而防止相邻或接近频率的无线电相互干扰。在覆盖范围重叠的无线电集群中，如果GNSS接收机发生故障或停止正确追踪，则将导致连接到GNSS接收机的无线电与相邻的无线电相互干扰，因为授时降级或积累了相位误差。由于无线电使用低成本、低性能的振荡器(无线电设计目标之一是通过使用规格较低的组件来降低成本)，因此授时降级会突然发生。

为了避免干扰问题，一旦授时开始降级，就需要立即停止使用无线电或关闭受授时降级影响的服务。为了减少这类故障情形，可以部署基于网络的PTP授时服务，在这种服务中，集群中的无线电与集成了GNSS接收机的PTP主时钟(grandmaster)同步。如果PTP主时钟中的GNSS发生故障或出现追踪问题，同步到主时钟的无线电将相对于相邻无线电保持相位对齐，并且不会出现干扰问题。可以在PTP主时钟中部署高品质振荡器，以在较长时间内保持与UTC的时间对齐，并且架构中可以包含基于PTP的备用方案，以帮助在故障情形下维持UTC可追踪时间。PTP主时钟基于网络的授时服务方法非常灵活，且具有成本效益。它可在GNSS故障情形中提供无线电集群相位对齐的额外好处，同时将GNSS部署到集中式存在点，可在其中为卫星星座设计安全而良好的视距。

一、虚拟主参考时钟(vPRTC)

概念：

虚拟主参考时钟(vPRTC)是5G网络、传输技术和架构的关键要素之一。它通过网络化的方式，实现时间同步的虚拟集中管理，从而提高时间同步的精度和可靠性。

作用：

vPRTC在5G网络中起到了至关重要的作用。它能够帮助网络运营商实现精确的时间同步，确保5G网络中的各个设备在时间上保持高度一致。这对于5G网络的性能、可靠性和安全性都至关重要。

技术特点：

vPRTC结合了先进的硬件和软件技术，能够支持多种时间同步协议，如精确时间协议(PTP)等。

它还具备高度的灵活性和可扩展性，能够适应不同规模和复杂度的5G网络环境。

二、5G网络授时架构

重要性：

5G网络授时架构是确保5G网络时间同步的关键。它对于5G网络的性能、可靠性和安全性都具有重要影响。

技术挑战：

在5G网络中，由于设备数量众多、网络环境复杂，时间同步面临着诸多挑战。例如，如何确保各个设备在时间上保持高度一致、如何减少时间误差等。

Microchip的解决方案：

Microchip通过探索虚拟主参考时钟(vPRTC)等先进技术，为5G网络授时架构提供了有效的解决方案。

vPRTC能够实现精确的时间同步，减少时间误差，提高5G网络的性能和可靠性。

具体实现：

Microchip的5G网络授时架构通常包括GNSS接收机、PTP主时钟、边界时钟(BC)等组件。

GNSS接收机用于接收全球导航卫星系统的时间信号，并将其作为时间同步的基准。

PTP主时钟则负责将时间信号通过网络传输给各个设备，实现时间同步。

边界时钟(BC)则用于在传输过程中减少时间误差，提高时间同步的精度。

应用场景：

Microchip的5G网络授时架构广泛应用于各种5G网络环境，如蜂窝移动运营商网络、长期演进(LTE)专用网络等。

它还适用于需要高精度时间同步的应用场景，如工业互联网、自动驾驶等。

虚拟主机参考定时时钟(vPRTC)是一个崭新的概念，它使用高度安全和受保护的基于网络的定时体系结构来满足现代关键基础设施不断增长的需求。

选择一个虚拟的主参考时钟，以确保准确性，准确性和安全性Microchip Technology Inc. William Cheng。

当前，我们迫切需要采取行动，以确保关键基础架构(包括通信网络，交通，能源和数据中心)中使用的计时系统的安全性。

弹性。

全球导航卫星系统(GNSS)已成功部署在这些行业中，这是向需求快速增长的地区提供本地100 ns定时解决方案的唯一方法。

结果，在关键任务应用中，高精度点定时解决方案的数量呈指数增长。

但是如今，仅提供准确的时序示例还远远不够。

关键基础架构运营商需要考虑其总体时序运行状态，并且需要了解其时序源是否可以信任，是否已通过验证以及它们是否具有网络范围的可见性和监视功能。

最重要的是这些定时源是否具有灵活的备份形式，以及在出现问题时它们是否可以提供保护。

虚拟主参考时钟(vPRTC)是基于高安全性和受保护的网络定时体系结构的全新概念，旨在满足现代关键基础设施不断增长的需求。

vPRTC的概念非常简单。

它将成熟的计时技术集成到集中的受保护源位置，然后使用商业光纤网络链路和先进的IEEE-1588精确时间协议(PTP)高精度边界时钟将PRTC 100 ns级计时分配给有数百个需求的端点公里之遥。

现在，让我们简要地了解关键基础设施如何从vPRTC灵活的时序架构中受益：电力设备-现代智能电网是非常复杂的网络，它们高度依赖准确而灵活的时序来确保控制，通信的高效，连续和安全。

接地电源。

vPRTC体系结构减少了对GNSS的依赖，同时提高了弹性和保护功能。

运输-铁路和航空运输业的安全通信网络依靠精确的同步和定时来确保可靠的运输和公共安全。

vPRTC体系结构支持向分组网络的工业传输。

数据中心准确而灵活的时序对于数据中心至关重要，以确保高速交易按顺序进行，并且可以在地理位置分散的位置之间进行协调。

vPRTC可以为地理位置分散的数据中心提供精确的同步，并且独立于本地GNSS系统。

5G通信网络5G网络基础设施要求高度分散的架构中所有点之间的紧密同步。

vPRTC体系结构可以为网络上的每个节点提供受保护的PRTC高质量定时，而无需本地GNSS定时系统。

通信网络是最早采用vPRTC架构的行业之一，并且在使用集中式铯原子时钟和基于网络的时钟分配技术方面拥有悠久的历史。

随着5G技术的爆炸性增长以及越来越多的地区对PRTC 100 ns计时的需求不断增长，运营商一直在寻找方法，以为其5G网络提供更强大的保护功能和更高的灵活性。

5G架构要求将PTP用作主要定时协议，以为无线电单元(RU)提供定时服务。

最大的问题是如何确定源PRTC的位置。

5G传输网络没有自然标记点(例如4G中的BBU)。

可以通过部署vPRTC来解决此挑战。

部署后，网络上的每个点都可以达到100 ns的等效PRTC性能水平。

三、总结

Microchip在探索虚拟主参考时钟(vPRTC)和5G网络授时架构方面取得了显著的进展。通过结合先进的硬件和软件技术，Microchip为5G网络提供了精确、可靠的时间同步解决方案。这些解决方案不仅提高了5G网络的性能和可靠性，还为各种高精度时间同步应用场景提供了有力支持。