利用开放式RAN网络解决时间难题

Microchip Technology Inc.

战略应用、时序和通信业务部

高级技术顾问

Darrin Gile

网络中的各个元素必须符合特定的频率、相位和时间要求，以确保网络实现正确的端到端运行。由O-RAN联盟定义的同步架构决定了开放式RAN设备将如何满足这些要求。

一直以来，开放式RAN吸引着那些希望降低成本、提升竞争力和推动技术创新的服务提供商的目光。市场对分布式虚拟RAN架构的渴求，为5G网络领域带来了更多的灵活性、竞争性与开放性。

O-RAN联盟成立于2018年，初衷是为了实现硬件标准化并定义开放式接口，以确保供应商设备之间的互操作性。O-RAN.WG4.CUS.0-v10.00中已经定义了有关控制、用户和同步平面的协议、架构和要求。

S平面和精度

同步平面（S平面）解决了O-RAN无线电单元（RU）和分布式单元（DU）之间前传网络连接的网络拓扑和时序精度限制问题。有关频率、相位和时间同步的要求需遵循3GPP建议并与ITU-T网络和设备限制相符。对于时分双工（TDD）蜂窝网络，TDD蜂窝网络的基本精度要求是基站之间为3 µs，以及最终应用与公共点之间为±1.5 µs（G.8271）。如果是使用高级无线电技术（例如协作多点或MIMO技术）的设备，其精度要求将更加严格。为了满足此类更加严格的网络限制要求，设备需要符合G.8372.2中定义的C类（30 ns）最大绝对时间误差要求。

授时配置

S平面由四种拓扑组成，用于通过前传网络（RU到DU）分配定时。此类配置将依靠基于时间的同步技术与基于频率的同步技术的组合。位于网络中的主参考时钟（PRTC或ePRTC）将为每个网络元素提供基准时间。使用GNSS、精确时间协议（PTP）和物理层频率源（最常见的是同步以太网（SyncE））可确保RU能够可靠地接收频率，而且更重要的是，能够接收网络运行所需的相位和时间同步信息。

图1和图2显示了四种用于在开放式RAN前传网络中支持网络同步的已定义配置。

图1. 在这些配置中，授时来自上游（左）或来自前传中的T-BC（右）。

图2.DU和RU通过交换芯片从PRTC（左）获取时间，而授时来自GNSS（右）。

配置LLS-C1

第一个配置的同步需通过DU和RU之间的直接连接来进行。O-DU将从与O-DU位于同一地点的精确实时时钟/电信级主时钟（PRTC/T-GM）处接收网络时间，或者从网络中位置更靠后的远程PRTC/T-GM处接收网络时间。

配置LLS-C2

在配置LLS-C2中，DU仍从位于同一地点的PRTC处或位于网络中更上游的PRTC处接收网络时间。网络时间将通过驻留在前传网络中的其他交换芯片从DU进行传递。为了获得最佳性能，这些交换芯片应包含一个完全感知（G.8275.1）网络，其中每个节点都能够充当电信边界时钟（T-BC）。此外，还可以使用有一个或多个交换芯片不参与PTP过滤的部分感知网络。通过前传网络的跃程类型和数量将限制网络的整体性能，具体取决于前传网络的类型。例如，由C类（30 ns）T-BC组成的完全感知网络能够比由B类（70 ns）T-BC组成的完全感知网络促进的跃程更多。

配置LLS-C3

在第三种配置中，DU和RU都将从位于前传网络中的PRTC处接收网络时间。

与LLS-C2一样，网络时间可以通过完全感知或部分感知交换芯片在前传网络中传播。在某些情况下，DU可以作为T-BC参与将时间传递给RU的过程。

配置LLS-C4

配置LLS-C4是四种拓扑中最优先采用且最容易实现的，但可能也是成本最高的一种。在此配置中，RU会从用作每秒脉冲数（PPS）时钟的GNSS处获取时间，或从位于同一位置的PRTC/T-GM处获取时间。5G NR站点的庞大数量以及GNSS天线的严苛位置要求可能会使该配置的部署变得成本高昂或不切实际。此外，无线电站点的GNSS还可能更容易受到欺骗或干扰，这可能会造成正常运行的中断。

设备设计

和网络部署一样，网络设备的同步设计也需要适当的规划和设计工作。为了符合网络同步限制要求，设备会将时间戳工具、高级锁相环（PLL）、可靠的PTP支持软件和精密振荡器（图3）搭配使用。

图3.网络设备会将PTP软件、系统同步器、PLL和时间戳工具搭配使用。

设计的第一个关键部分是系统同步器，该器件由多个高级PLL组成。同步器可为SyncE时钟提供抖动和漂移滤波、输入参考时钟监视、无损伤参考时钟切换以及用于精细PPS/PTP时钟控制的数控振荡器。PLL还可提供能够直接锁定到PPS时钟源的带宽。

精确的时间戳工具、PTP软件和高级算法将管理PTP流量，并提供准确跟踪T-GM相位和时间所需的调谐计算。最后，精密振荡器对于确保获得适当的保持和整体性能参数起到至关重要的作用。

这些构件对于DU、RU以及任何参与定时分配的交换芯片而言都是相同的。功能模块的实际实现可能会因具体用例的不同而有所差异。例如，精密振荡器可能会因每个网络元素的保持要求不同而变化。DU需要更高的稳定性，且必须支持比RU更长的保持时间。因此，RU设计可以选择更高端的温度补偿晶体振荡器（TCXO）或恒温控制晶体振荡器（OCXO），而DU则可能会使用更加昂贵的OCXO。

改善定时延迟

可以采用多种技术中的任意一种来提高一台设备的整体时间精度。这些技术包括基本设计项目（例如将时间戳工具尽可能靠近设备边缘放置）以及用于系统内相位管理的更为复杂的系统校准。使用SyncE（或更具体地说，使用G.8262.1中定义的增强型同步设备从时钟（eEEC））可以提供稳定的频率参考，从而极大提升混合配置中的整体相位性能。

当与MACsec等安全协议搭配使用时，请注意确保加密/解密几乎或完全不会为时间戳功能增加延时。应当正确设计和选择高级算法的性能以及精密振荡器的稳定性，以实现所需的性能。对于更复杂的设计，确保PPS时钟分配中所涉及的所有定时组件能够最大限度减少输入到输出延时变化和输出到输出偏差，对于满足最严格的设备限制要求来说至关重要。一些同步器能够利用校准功能来实现精细的相位控制测量与调整。此外，还可以对精密振荡器的温度和老化所引起的相位误差进行额外补偿。可以使用上述部分或全部方法来确保设备符合时间和精度限制要求。

最初，农村和私有绿地网络一直是部署开放式RAN的理想起点。随着越来越多的宏部署开始上线，提供高精度的网络同步开始对实现超低延时应用和高级无线电技术所需的性能有了极其重大的意义。