【技术干货】5G同步组网架构及关键技术白皮书

部分内容

5G同步需求

1 5G基本同步需求与4G相同

基本时间同步是所有时分复用（TDD）制式无线通信系统的共性要求，其对基站空口时间偏差进行严格限定，主要是为了避免上下行时隙干扰。

在TDD制式无线通信系统实际部署时，基站间同步偏差、保护周期（GP）、基站收发转换时间、小区覆盖半径等多方面因素相互制约，应满足如下关系：

其中，TSync是基站间时间偏差，TGP是保护周期时间，

是基站从“开”到“关”的转换延迟，

是基站从“关”到“开”的转换延迟，Tprop，BS1-BS2是基站间距离引入的传输时延。

根据公式（1），各种影响因素相互关系如表1所示。

根据表1，对于目前普遍采用的6G以下频段，4G TDD系统采用固定子载波间隔15kHz，GP配置单符号，保护周期时间为71.4?s，在一定覆盖范围内，要求基站间时间偏差应小于3?s。5G 系统根据子载波间隔可灵活扩展的特点（即NR的子载波间隔可设为15 (2^m) kHz，m∈{-2, 0, 1, ..., 5}），通过在GP中灵活配置多个符号的方式，使得基站间时间偏差要求仍应小于3?s，与4G TDD基本时间同步需求相同。

2 5G协同增强提出100ns量级高精度需求

站间协同增强是指到同一个用户的数据可以通过不同基站的有源天线单元（AAU）收发，使用户可以在交叠覆盖区合并多个信号，从而有效提升业务带宽。多信号间的时延差须满足一定要求，否则无法合并。根据3GPP TS36.922协议描述，站间协同要求满足如下关系：

其中，TD1为不同AAU空口到用户终端（UE）因不同距离产生的时延差，TD2为多径传播导致的时延差，TD3为不同AAU空口之间的时间偏差，Total TD为不同AAU信号到达UE侧的时间总差值，CP为防止符号间干扰的循环前缀。根据公式（2），为顺利实现协同功能，不同AAU空口信号到达UE的总时差应小于CP的长度。

根据3GPP R4-1802142 CR 38104-f00，不同类型的协同增强同步要求如表2所示，其中，多入多出（MIMO）和发射分集技术的时间偏差要求为65ns，对于带内连续载波聚合（CA），低频基站（Sub 6G）时间偏差要求为260ns，高频基站（Above 6G）时间偏差要求为130ns，带内非连续CA和带间CA的时间偏差要求均为3?s。

表3给出了5G协同增强技术应用场景说明。其中，MIMO、发射分集、带内连续CA主要发生在AAU内部，很小可能发生在同一基站的不同AAU之间，而带间或带内非连续CA则正好相反，主要发生在同一基站的不同AAU之间，很少发生在AAU内部，另外，各种协同增强均基本上不发生在不同基站的AAU之间。

综上，为了提升覆盖效率和服务体验，多天线MIMO、多点协调、载波聚合等协同增强技术将在5G系统中得到更广泛的应用。为了确保协同有效，来自不同协同点信号的时间差不能超过循环前缀CP，从而对协同点之间的时间偏差提出了100ns量级甚至更高的苛刻要求。

3 部分新业务需要更高精度同步

5G网络支撑的多种新业务可能具备高精度同步需求，包括高精度定位业务、高速移动业务覆盖、业务时延精确测量、各种垂直行业应用（如物联网，车联网，智能制造）等。典型的基站定位服务，主要基于到达时间（TOA）或到达时间差（TDOA）技术，时间同步精度与定位精度要求直接相关。例如，要满足3m的定位精度，要求基站间的空口信号同步偏差为?10ns；要满足m级的定位精度，要求基站间的空口信号同步偏差为?3ns。5G基站部署密度大，基于基站提供定位服务具有天然优势，特别是在卫星信号覆盖盲区，该优势更加凸显。随着高精度定位服务需求爆炸式增长，作为定位服务提供的重要手段，基于5G系统基站定位极具潜力，可与其它定位技术相结合，满足m级及以上的定位需求。

5G高精度时间同步组网模型

1 5G高精度同步地面组网是大势所趋

长期以来，运营商主要采用在基站加装卫星接收机的方式满足无线移动通信系统的同步需求。在4G时代，部分运营商通过地面同步组网方式解决无线基站的同步问题，但一般作为备用，或者用于解决卫星信号难以覆盖区域的基站同步，如地铁、地下车库、部分城区高楼等。

相对于4G系统，5G系统具有如下新的同步需求特点：

? 同步需求精度更高。根据第2部分分析，5G系统既有?s量级的基本业务同步需求，也有100ns量级的协同增强技术同步需求，还有其它新业务的更高精度同步需求，基站直接通过普通卫星接收机单站授时难以完全满足要求；

? 同步应用场景更加复杂。5G系统的一大特点是部分应用场景基站部署密度大，随着中国城市化不断推进，室内基站占比增大，将会存在大量无法获取卫星信号的5G基站部署场景；

? 同步的安全可靠性要求更加严格。同步是确保5G系统安全可靠运行的前提，鉴于5G系统本身及其所支撑业务的重要性，相应对同步的安全可靠性也提出更高的要求。考虑到卫星信号受到无意或有意干扰导致失效的情况越来越多，卫星信号被攻击（如伪卫星欺骗）的案例时有发生，5G同步完全依赖于卫星授时将会带来极大安全隐患；

? 成本方面更加敏感。5G基站部署规模大，若每个基站均加装卫星接收机，设备投资和运维成本巨大，而通过承载网络带内方式实现地面高精度同步组网，建设与运维成本相对较低。

鉴于上述分析，为满足5G系统的同步需求，解决卫星覆盖盲点问题，提升安全可靠性，节约建设和运维成本5g组网架构，研究建设自主可控、安全可靠的高精度时间同步网是大势所趋、非常必要。需要说明的是，建设高精度地面时间同步网，并不会一步到位完全替代基站卫星授时方案，两者是天地互备的关系，将会长期共存、相互补充。

2 5G高精度同步通用组网模型

国内CCSA，国外ITU-T、3GPP、CPRI、IEEE以及ORAN等多个标准化和行业组织正针对5G同步解决方案开展研究。目前来看，相对于光纤授时、网络时间协议（NTP）等技术，基于高精度时间协议（PTP）组网是5G高精度时间同步的最主要实现方案。

基于PTP的5G高精度时间同步通用组网模型如图1所示。

作为源头设备的高精度时间服务器（PRTC/ePRTC）可采用卫星授时关键技术（见第4部分第1节），在卫星不可用的情况下，可通过地面获取超高精度时间同步信号（如通过光纤授时溯源至国家守时单位），从而确保5G时间同步网自主可控。PRTC/ePRTC通常同时实现祖时钟（GM）功能，因此图1参考点A一般位于设备内部，在这种情况下无需对其性能要求进行规范。高精度时间服务器的性能指标应满足ITU-T G.8272.1标准的要求，即时间精度应优于±30ns。

图1参考点B和C之间属于5G时间同步网的核心部分，可采用高精度同步传输技术（见第4部分第2节）实现高精度同步承载，属于由多个电信用边界时钟（T-BC）组成的同步链。需要强调的是，单个节点的时间同步性能和网络规模（时间同步链的跳数）是B与C之间承载部分同步指标的两个重要制约参数。为了提升端到端同步性能，扩大组网规模，要求传输设备单节点时间同步精度应优于一定的限值（例如，ITU-T G.8273.2规定类型 C和类型D的T-BC的时间误差在10ns量级甚至更小）。

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（编辑：晋中站长网）

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