中兴通讯5G网络在承载网中的高精度时间同步方案解析

在11月14-16日举办的中国移动全球合作伙伴大会上，5G最新成果相继在各大展台登场亮相，凭借新颖的应用加炫酷的视觉，极其吸引人们的眼球，比如钢琴乐曲的演奏，5G超时空全息体验等。随着这些5G新业务的不断涌现，未来移动数据流量可能成爆炸性增长，对基站回传带宽需求大幅提升，除此以外5G网络的切片服务、超低时延业务、高精度时间同步等网络和业务特点都对承载网提出了更多、更高的要求。本文将重点对中兴通讯承载网的高精度时间同步方案做详细介绍。

5G时间同步需求主要体现在基本业务时间同步需求、协同业务时间同步需求和新业务时间同步需求三个方面。基本业务时间同步需求是所有TDD制式无线系统的共性要求，主要是为了避免上下行时隙干扰。在5G系统将广泛使用的MIMO、多点协同（CoMP）、载波聚合（CA）等协同技术，也对时间同步有严格的要求；5G网络在承载车联网、工业互联网等新型业务时，需要提供基于到达时间差（TDOA）的基站定位业务。在3GPP协议中，规定了不同场景下，对时间同步的需求，见下表1：

表1. 5G各种应用场景对时间精度的新要求

反观当前网络的现状，不难发现我们面临如下的问题：

传统的基站时间同步方案包含直挂GNSS（全球导航卫星系统，如GPS/北斗）获取时间以及地面PTP同步两种方案。基站直挂GNSS的方案需要每个基站都增加相应成本，由于未来5G基站数量将进一步增加，投资巨大。同时，GNSS天线的安装对净空、防雷和产权纠纷等有诸多施工要求等问题，因此室内设备部署GNSS天线的工程安装困难，总体部署成本居高不下。地面PTP同步方案是GNSS的补充和增强，具有安全性较高的优势。但传统方案也有一些问题：首先是时间源设备，前期业界主流的时间源设备精度仅有100ns级别，精度较低；其次是目前的传统承载网络的端到端时间精度为µs级别，不能满足5G新技术、新场景对时间精度的要求。

为支持全生命周期的5G承载网络，中兴通讯积极探索超高精度时间同步解决方案，并于2017年提出了“3A”时间同步方案，包括如下几个方面。

在时间源层面，通过引入共视差分时钟源（common view difference time source)，即多地时间服务器在同一时刻接收同一颗导航卫星的GPS信息，以消除卫星钟的影响以及大部分路径延迟的影响，提高了两地相对时钟差的精度，从而达到高精度时间比对。理论上导航卫星共视法比对的精度可达3~5ns。通过一个共视主时钟源+多个共视从时钟源的组网方式（见图1），有效提高授时精度，降低网络建设成本。

图1. 共视差分网

在设备层面，基于中兴通讯自研芯片，利用创新的PTP时戳处理方式，将时间戳处理位置从MAC层移到了PCS层，提高了时戳的精度；采用时钟化的相位检测技术，实现使用较低频率的时钟获得较高精度的时间;同时，优化承载设备系统内时间分发误差。基于以上技术的综合应用，有效地消除了PTP计算和系统分发引入的误差，成功将单节点设备的时间精度由业界平均的±30ns提高至±5ns水平，达到G.8273.2协议定义的Class D的水平，处于业界领先地位。

另外，为适应新一代承载设备FlexE接口时钟时间传递的新特性，和解决新老不同精度的设备混合组网时间源选择的问题，中兴通讯引入了FlexE接口的时间同步和精度加权的BMC算法。FlexE接口时钟时间传递，以FlexE Group或FLexE端口建立PTP时间端口。同步报文通过FlexE开销方式承载，FlexE开销帧结构中第6行的完整66B block用于同步报文填写，采用FlexE复帧方式对PTP和SSM报文进行传输。

在时间同步网的架构和部署层面，可根据业务需求采用时间源设备下沉方案，减少时钟跳数，并严格要求网络节点的跳数（见图2）。通过将时间源设备部署在汇聚层的边缘，减少跳数，同时基站侧可减低GNSS接收器的成本，降低运营商投资。 另外，相比传统时间源，新型的高精度时钟源设备精度也提高至±30ns，精度提高了70%。最后，时间同步配置检测更高效，故障定位更快捷，提高了网络的自愈力。

图2. 时间源下沉示意图

5G超高精度时间同步网，可以填补室内高精度定位的空白，为室内高精度位置服务和室外无缝位置服务提供支撑。在行业级应用方面，将使能制造业、车联网、物联网和轨道交通等行业的高精定位应用，基于车辆位置服务的车流量监控与管理将使智慧交通成为现实。通过车流精密监控，提前预测车流，调整红绿灯时间，调整潮汐车道，从根本上解决城市交通拥堵问题。在消费级应用方面，将开启智慧商超、智能场景感知、智能家居等高精定位应用，比如在大型Shopping Mall中，为手机用户提供店铺导航；基于手机用户的位置进行精准广告推送服务等。

综上，中兴通讯5G超高精度时间同步网，必将5G网络商用部署提供基础支撑，为行业级应用和消费级应用提供强有力保障。