IEEE 1588 和 PTP 滿足 5G 網(wǎng)絡的復雜時序需求，實現(xiàn)亞微秒范圍內(nèi)的全系統(tǒng)同步精度。

盡管移動運營商在過去幾年一直在部署 5G 無線網(wǎng)絡，但其中大部分都是利用現(xiàn)有 4G LTE 基礎設施的非獨立 (NSA) 網(wǎng)絡。5G NSA 部署將 4G LTE 基站和支持核心基礎設施與 5G 無線電相結(jié)合，以實現(xiàn) 5G 服務。雖然 NSA 使許多電信公司能夠快速部署 5G，但這種方法并沒有兌現(xiàn)為消費者提供“超連接速度”的承諾。同時，5G 更高的帶寬和更快的速度要求更高的計時精度、準確性和可靠性。

直到最近，這些運營商才開始為真正的 5G 獨立 (SA) 網(wǎng)絡奠定基礎，這需要的不僅僅是簡單的無線電或固件升級。5G SA 網(wǎng)絡的所有組件，包括基站、核心和無線電，均按照 3GPP 5G 規(guī)范構(gòu)建，并經(jīng)過優(yōu)化以提供更高的下載速度和超低延遲服務。

例如，2020 年，T-Mobile開始推出全球首個全國性 SA 網(wǎng)絡，并于 2021 年底在其商用 5G SA 網(wǎng)絡上實現(xiàn)了近 5 Gbits/s 的創(chuàng)紀錄速度。Verizon計劃利用CBRS 頻譜部署其今年擁有SA 5G核心網(wǎng)。

這種部署“下一代解決方案”的競爭熱潮對業(yè)界來說并不新鮮。自 80 年代以來，移動網(wǎng)絡大約每 10 年推出一次新一代。與上一代相比，每一代新一代網(wǎng)絡都支持更快的速度和更先進的功能——這對于第五代網(wǎng)絡來說沒有什么不同。由于 5G 旨在允許實時交互并在更多連接的設備上啟用高級 AI 功能，因此它需要更高的帶寬和更快的速度。

運營商面臨的挑戰(zhàn)是，所有這些都對無線網(wǎng)絡和支持它的計時解決方案提出了更為嚴格的性能要求。事實上，與數(shù)據(jù)中心等其他高性能環(huán)境相比，5G 網(wǎng)絡的時序要求異常嚴格。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡相比，真正的 5G 所需的顯著帶寬和數(shù)據(jù)速率需要更高的計時精度、準確性和可靠性。

5G 與 4G

讓我們首先快速回顧一下 5G 與 4G 最常見的網(wǎng)絡架構(gòu)。

雖然 4G 依靠基帶單元 (BBU) 來提供無線電單元 (RU) 和演進的分組核心之間的連接，但 5G 可以將此功能拆分為兩個新的獨立單元：集中式單元 (CU) 和分布式單元 (DU) . 顯示了從 4G LTE 網(wǎng)絡(頂部)到 5G SA 網(wǎng)絡(底部)的架構(gòu)差異。

4G 和 5G 的顯著區(qū)別之一是 5G 使用時分雙工而不是頻分雙工進行數(shù)據(jù)傳輸。這意味著整個網(wǎng)絡需要同步，不僅在頻率上，而且在時間上。這適用于整個架構(gòu)——從 5G 核心一直到邊緣的 RU。因此，這些 5G SA 網(wǎng)絡需要為整個網(wǎng)絡提供更高性能的頻率和相位同步解決方案。

不出所料，NSA 網(wǎng)絡無法達到這些性能要求，這些網(wǎng)絡受限于其底層 4G LTE 硬件的硬件和性能。5G SA 部署的前傳網(wǎng)絡時序要求特別嚴格。在這些應用中，可以有多個 RU 連接到一個 DU，并且無線電之間的時間對齊要求更高。這些嚴格的規(guī)范是實現(xiàn)載波聚合和分布式 MIMO 等高級無線電功能所必需的。

5G 前傳網(wǎng)絡嚴格的時間對齊要求在 O-RAN 聯(lián)盟的創(chuàng)建中發(fā)揮了關鍵作用。該組織的目標是創(chuàng)建符合標準的電信設備，可以為 DU、RU 和前傳網(wǎng)絡混合和匹配。這個想法是，任何符合 O-RAN 的硬件都將與任何其他符合 O-RAN 的硬件一起工作，以滿足運營商的前傳網(wǎng)絡需求，包括設備之間的連接和同步。

所有這些都引出了一個核心問題：運營商是如何解決這一定時和同步挑戰(zhàn)的?答案在于 IEEE 1588 標準。

這一切的 PTP

在對性能要求不高的先前網(wǎng)絡中，同步和定時嚴重依賴 GPS 技術。然而，如今，GPS 已不再是最新 5G 部署的可行解決方案。GPS 不僅在安全方面存在眾所周知的問題，而且硬件相對昂貴，并且在密集的城市環(huán)境中不太可靠。最后一點對于希望在體育場、音樂會、機場和其他高密度地點推出 5G 小型蜂窩網(wǎng)絡的移動運營商來說尤其成問題。

值得慶幸的是，電信行業(yè)齊心協(xié)力尋找解決這個問題的方法，并開發(fā)出一種創(chuàng)新的 GPS 替代品。業(yè)界創(chuàng)建了一種使用 IEEE 1588v2 同步無線基礎設施網(wǎng)絡中所有不同設備的新方法。IEEE 1588v2，也稱為精確時間協(xié)議 (PTP)，是一種通過數(shù)據(jù)包層本身同步時間的標準。PTP 使具有不同精度、分辨率和穩(wěn)定性的時鐘的各種計時系統(tǒng)能夠與單個主時鐘同步。

PTP 基于定時消息的雙向交換，不僅從主時鐘分配定時，而且估計和考慮路徑延遲。路徑延遲和數(shù)據(jù)包延遲變化是 5G 時序環(huán)境如此復雜的兩個原因。

由于不同的硬件、不同的光纖長度、網(wǎng)絡擁塞和異步網(wǎng)絡流量，電信網(wǎng)絡通常需要考慮傳輸延遲——每一個都可能導致明顯的延遲。任何不對稱延遲源都可能導致時間同步分布中的錯誤。在構(gòu)建符合 IEEE 1588 的網(wǎng)絡時，需要考慮所有這些影響。

最終，IEEE 1588v2 專為滿足 5G 網(wǎng)絡的復雜時序需求而構(gòu)建。IEEE 1588 可以在整個網(wǎng)絡的亞微秒范圍內(nèi)提供系統(tǒng)范圍的同步精度，同時減少對 GPS 的依賴。5G SA 網(wǎng)絡支持多種時間同步部署場景。其中包括新的未開發(fā)網(wǎng)絡部署，其中網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都支持 IEEE 1588 同步，以及覆蓋網(wǎng)絡部署的超級大師，其中 IEEE 1588 數(shù)據(jù)包同步信息通過現(xiàn)有網(wǎng)絡傳遞到網(wǎng)絡邊緣。然后可以使用 IEEE 1588 將邊緣網(wǎng)絡元素與系統(tǒng)的主時鐘同步。后一種部署方案通常稱為部分定時支持 (PTS) 網(wǎng)絡。GPS 可以選擇性地用于協(xié)助 IEEE 1588 在網(wǎng)絡邊緣提供更高的時間精度，這被恰當?shù)孛麨檩o助部分定時支持 (APTS)。IEEE 1588 的靈活性及其與 GPS 結(jié)合使用的能力使系統(tǒng)運營商能夠在各種部署場景中可靠地部署 5G。

運營商視角

不可否認，由 IEEE 1588 和 O-RAN 創(chuàng)建的標準化顯然是移動行業(yè)的游戲規(guī)則改變者。這些技術協(xié)同工作以簡化 5G 網(wǎng)絡的部署。它們還為移動服務提供商提供了更多選擇。然而，最終，移動運營商和部署者正在尋找能夠提高性能和降低成本的網(wǎng)絡設備和軟件解決方案。

雖然有多種方法可以做到這一點，但兩個主要的硬件考慮因素是功耗和電路板占用空間。板級組件使用更少的功率和更多的 PCB 空間意味著可以添加更多設備以提高性能并支持其他功能。由于這些原因，供應商和制造商青睞更新的時序解決方案，這些解決方案允許更精確的同步，同時提高整體電源效率和材料清單占用空間。還有新的 IEEE 1588 軟件解決方案可用，可在 PTS 和 APTS 網(wǎng)絡中提供卓越的時間誤差性能，從而降低 5G 覆蓋網(wǎng)絡的設計和部署風險。

運營商可以選擇部署傳統(tǒng)的 RRH + BBU 架構(gòu)，利用具有豐富歷史知識和技術專長的大型電信設備供應商提供的成熟的端到端解決方案。運營商也可以過渡到成本更低的 O-RAN 部署模型，并利用來自各種供應商的無線電、DU 和 CU 解決方案。無論如何，新的時間同步解決方案是可用的，它們符合標準并支持移動網(wǎng)絡運營商正在考慮的各種不同部署場景。