利用IEEE 1588的透明授时功能简化4G微蜂窝设备的设计和部署

--IEEE 1588以太网授时（timing-over-Ethernet）标准的智能化实现，

可削减创建符合4G网络严格计时精度要求的、基于IP蜂窝回传链路的成本。--

引言

LTE/4G蜂窝技术的严苛时频要求，给微/微微/毫微微蜂窝基站交换机、路由器以及其他用于所谓小蜂窝网络（图1）设备的基于以太网的回传连接带来了特殊的设计挑战。服务供应商计划部署微/微微蜂窝基站来提高覆盖及其4G/LTE网络的容量。类似于宏基站，这些基站需要频率和相位两项指标，或精确计取时间（time-of-day）、时间同步。但是，传统上用来提供4G/LTE网络所需频率和授时信号的GPS信号，已经给小蜂窝模式带来了技术和成本挑战。首要问题是室内和拥挤的城市峡谷中GPS信号的可获得性，而微/微微蜂窝这类基站都将部署在这些地方。IEEE 1588v2精确授时协议（PTP或1588）提供了一种理想的替代方案。特别是，本文将讨论一种在很大程度上依赖于透明时钟（TC）节点的网络计时架构，如何用来减少在整个蜂窝系统的基于分组数据技术的回程网络上，降低维持精确授时所需硬件的成本和复杂性。

图1：小蜂窝网络通常用于在密集的、复杂的城市环境中扩大4G/LTE网络的覆盖范围，或者提供可靠的楼内服务。在小蜂窝回传网络中常见的微波链路和复杂的拓扑结构，给满足LTE/LTE-A系统严苛的计时要求增加了挑战。

PTP 101

1588标准提供了一种基于分组数据包的授时和同步机制，并且非常适合于新兴的基于分组数据技术的回传网络。它建立在同步以太网技术之上，这种技术为分组数据世界带来了频率同步，但没有提供LTE和LTE-Advanced（LTE-A）所需的、必要的计时时间同步。PTP在数据包内直接携带了计时信息（也称为时间戳）。携带时间戳的数据包，连同来自生成时间戳（也称为主基准时钟）的网络设备的剩余网络数据流量直达基站设备，其中的这些时间戳采用1588标准来恢复原始时间。

主基准时钟和恢复时钟之间的差异（如同步误差）必须在指定的精度要求范围内，这取决于网络的类型。但应该注意的是网络路径上同步误差是不断累积的，包括从生成主时钟的网络节点到增加计时误差的基站之间的每个节点。

图2：通过一系列时间戳信息来计算主/从时钟之间的传播延迟，IEEE 1588v2精确授时协议（PTP）估算出了从时钟的时间。但是，分组网络可能出现大数值的数据包延迟变量（PDV），如果不进行纠正，可能引入授时的不准确性。

时间就是一切

TD-LTE、LTE-A及其他先进蜂窝移动通信技术只允许在其基站及其他网络单元之间存在极小的时间同步误差，以提供基站之间的无干扰宽带多媒体和无缝切换。例如，LTE-A网络只能容许两个相邻基站之间最多为500ns的相位误差值。以下表格说明了网络内不同移动通信技术空中接口的频率和相位精度要求（图3）。

图3：每个新的先进蜂窝技术代系都要求更高的计时精度，其网络节点之间必须这样的精度

对于许多较新的移动通信技术，同步是一个严重影响吞吐量的参数。虽然图3显示出了最低要求，但应当指出，实现更高的时间/相位和频率精度可带来性能/吞吐量的总体改善。这也导致了更高的系统和网络裕度，可以很容易地适应剩余链路或系统损伤（impairment）。在实际的蜂窝系统中，这部分同步预算被RF链路的延迟变量及其他固有的时同变量消耗了，例如光纤链路中的那些变量。另一部分同步预算则被用来对抗城市峡谷和室内环境中的多径反射和噪声影响的干扰抑制技术消耗了，小蜂窝网络往往用于这些地方。因此，虽然我们必须让微波和毫米波回传链路留有100ns的最大时间误差，但对于光纤连接的路由器、交换机和网关，以及留给基站/蜂窝网络本身的时间误差预算，应该保持在每一跳（per hop）10ns的数量级上，以保持在LTE-A空中接口的精度范围内。

一个采用1588协议的网络是提供纳秒级的精确同步，需要通过一个预先定义的时钟分层结构来管理网络中的PDV和非对称组件。该标准定义了边界时钟（BC）以及透明时钟（TC）。一个实现了BC的节点有多个网络连接，并能准确地从一个网段到另一个网段桥接同步。它也可以基于它接收到的时间戳重新生成计时。除了时间戳，BC也需要时间戳纠错、一个可靠的PDV滤波算法，以及一个可以与网络同步的可感知1588的复数生成。其结果是，实施一个BC节点需要一个高度精确的振荡器、一个数字锁相环，以及微处理器和元件，因而使其在实现时通常更加昂贵复杂。与此相反，一个TC节点只有在它纠正了可能引入的所有错误之后，简单地转发传入的时间戳。如果所提供的设备符合1588标准（即它已增加了支持PTP准确时间戳和时间戳纠错机制所需的逻辑），TC的实施成本较低，并且可以简便地重用它在数据通路中遇到的PHY或交换。事实上，这种基于端口的PHY解决方案完全足以实现一个高度精确的TC节点。运营商可以部署TC和BC的组合，其中的最佳解决方案可能是位于网络互连点的BC和位于后面枝干和环的TC的一个组合。在室内环境中，建筑物屋顶上的GPS天线可以为中心单元（类似于宏基站）进行授时，然后可以使用透明时钟将时间分配给室内单元。

目前已可供应PHY和交换芯片解决方案，它们包括用于补偿网络PDV和非对称的时间戳标记纠错。这可以支持TC和BC节点在小基站网络中实现相位提供所要求的精度。Vitesse Semiconductor在其SynchroPHY GbE和10GbE PHY产品及以太网交换机引擎产品组合中使用的VeriTime™ 技术，包括纳秒级精度的时间戳标记纠错和非对称补偿机制，即使是在微波链路中非常具有挑战性的情况下也可以正常工作，有望在小蜂窝部署中普遍采用。Vitesse Serval™ 交换产品系列的最新成员是六端口Serval Lite（VSC7416）交换机，它专门针对采用低功耗和小外形尺寸解决方案的小蜂窝应用而进行了优化，包括了一整套多样化的电信级以太网功能和VeriTime技术。

结论

综上所述，在可能包括微波或毫米波链路的网络中，小蜂窝基站将需要采用1588来为网络提供高度精确的同步。一个TC节点只需要准确的时间戳标记和时间戳纠错机制；尽管BC节点功能更强，但实现起来复杂而昂贵。因此，在网络向LTE-A和未来小蜂窝网络升级时，性价比最高的方式是在各处部署分布式TC，只有在必要的段时间域采用BC来增强。正如Vitesse近期提交给ITU-T标准委员会的提案所描述的那样，使用精确的时间戳标记可以将授时精度提高到纳秒级。而当今芯片已实现的进步将可确保这些解决方案只是在今天为3G网络设计的非1588感知系统上仅有一个名义上的价格提升。

作者：Uday Mudoi，Vitesse Semiconductor

作者简介

Uday Mudoi现任Vitesse Semiconductor产品营销总监，他获得了印度理工学院卡哈拉格普尔分校（Indian Institute of Technology, Kharagpur）电机工程理学士学位、美国北卡罗莱纳州立大学罗利分校（North Carolina State University, Raleigh）的计算机科学硕士学位，以及位于美国纽约州纽约市的哥伦比亚大学（Columbia University, New York, N.Y.）工商管理硕士学位，可通过uday#vitesse.com与他取得联系。

本文为MWRF.NET独家专稿，未经允许不得转载，如需转载请联系market#mwrf.net(#换成@)