通信世界网消息（CWW）随着5G网络的飞速发展，其三大应用场景——eMBB（增强移动宽带）、mMTC（海量机器类通信）、uRLLC（超高可靠低时延），对基站提出了更为严格的时间同步要求。5G高精度时间同步需求主要体现在基本业务、协同业务和垂直行业应用业务3个方面。
第一，基本业务时间同步是所有TDD制式无线系统的共性需求，主要是为了避免上下行时隙间干扰。5G基站在承载基本业务时，其空口间对于时间同步精度的指标要求为±1.5μs。
第二，5G系统将广泛使用的多点协同（CoMP）、带内载波聚合（CA）等协同技术，对时间同步精度的指标要求为±130ns。
第三，随着5G网络的规模建设，无人驾驶、无人物流、智能机器人等基于5G的垂直行业应用层出不穷，这些应用也对5G网络的超高精度时间同步提出了更高的指标要求。
基于GNSS+1588v2技术的高精度同步网网络架构
传统的基站时间同步方案主要为直挂卫星天馈线接收GNSS（GPS/北斗）卫星信号，但由于天馈线部署难度较大，经常伴有产权纠纷或者施工困难等诸多问题，并且成本也居高不下。近些年，三大运营商已经逐步开始采用IEEE 1588v2技术，通过地面承载链路传递至基站，目前可以满足基站基本业务的时间同步需求，实现高可靠性、天地互备的基站时间同步授时方式。
为保证精确时间传递，整个移动回传网络(包括时间服务器、传送与承载网元、5G基站)需要以频率同步作为时间信号精确传递的基础支撑，整个网络由此形成两个逻辑层面——频率层和时间层。目前获得业界认可的同步传递技术是SyncE（同步以太）+1588v2，即频率层同步采用同步以太技术，时间层同步采用1588v2分组报文。本文提出的高精度同步网网络架构如图1所示。
图1 基于GNSS+1588v2技术的高精度同步网络架构
数字同步网分为频率同步网和时间同步网。其中，频率同步网是全国性网络，时间同步网是以地市为单位的本地层面网络。同步网络采用“天面主用、地面链路备用”的原则，天面采用北斗/GPS双模接收，地面链路分别通过频率同步网、时间同步网传递频率和时间信号。
频率同步网属于全国性的频率同步网，分为省际、省内和本地3层。除5个基准参考时钟PRC节点外，省际层面在国内31个省(区、市)按每省“一主一备”分别设置两套区域基准时钟LPR。
1588v2时间同步网目前暂时局限于本地网层面使用，通过本地移动回传网络为5G基站提供时间同步。采用每个本地网内分别配置“一主一备”2套1588v2高精度时间同步服务器(PRTC+GM)的部署方式，每个PRTC+GM设备从空中卫星（GPS/北斗）获取时间和频率，然后通过传输承载网络传递给每个5G基站。
本地网小型化下沉式时间源部署策略
每个设备传递1588v2同步信号时都会引入误差。为了满足5G基站的基本业务时间同步精度要求±1.5us，除去时间源自身和基站空口时间误差外，按照每个设备引入50μs误差计算，运营商一般规定从核心时间源设备到基站之间的同步链路经过的设备个数不能超过20个。但随着更高时间同步精度需求的5G业务发展，传统方式无法满足新的业务要求，其解决方案是提升传输承载网络中的每个设备的同步精度，从而达到端到端更高的精度。但提升设备的同步精度，一般都需要升级设备硬件，部署成本较高。
为了应对更高精度的时间同步业务需求，本文提出小型化下沉式高精度时间服务器部署的技术解决方案，即在靠近基站的综合接入点或汇聚节点位置，再部署新的下沉式时间服务器。通过减少时间源与基站之间的跳数，实现高精度时间同步，避免为了传递高精度时间同步而提高对传输承载设备自身时钟精度的要求，降低了网络建设的成本。下沉式时间源部署策略如图2所示，只在一个汇聚接入环上引入了两个下沉式时间源，实际部署时，可以根据每个环连接的5G基站是否需要支持更高的时间同步精度而选择按需部署。
图2 下沉式时间源部署策略
网络中引入新的下沉式时间源后，原位于核心节点的本地主/备用时间服务器（核心时间源）和下沉式时间源之间的联合工作模式原则为：5G基站及汇聚接入环设备优先跟踪下沉式时间源的1588v2信号，备份跟踪核心时间源的1588v2信号，具体方案如下。
首先，连接有下沉式时间源的汇聚接入环设备优先跟踪下沉式主时间源的1588v2信号；当下沉式主时间源发生故障时，切换跟踪到下沉式备时间源的1588v2信号；当下沉式主、备时间源都发生故障时，汇聚接入环设备切换跟踪到核心主时间源的1588v2信号；当核心主时间源也发生故障时，汇聚接入环设备切换跟踪到核心备时间源的1588v2信号。
其次，核心汇聚环设备只跟踪核心主、备时间源的1588v2信号，不能跟踪下沉式时间源的1588v2信号。
最后，全网设备的同步以太部署方式维持现状，汇聚接入环设备的同步以太继续跟踪核心侧的同步以太时钟。
该下沉式时间服务器部署方案已写入ITU-T G.8275标准，并且在2022年11月正式发布。
本地网小型化下沉式时间源配置方案
基于上述原则，本文提出了Priority2+MasterOnly的下沉式1588v2时间源配置方案，具体如下。
一是保持当前既有核心时间源配置不变，例如核心主时间源的1588v2参数Priority2配置为100，核心备时间源1588v2参数Priority2配置为120。
二是根据国际标准ITU-T G.8275.1规定的BMCA选源算法，配置下沉式主、备时间源的Priority2参数值小于核心主、备时间源的Priority2参数值，如：下沉式主时间源Priority2配置为60，下沉式备时间源Priority2配置为70，使得汇聚接入环设备优先跟踪下沉时间源，备份跟踪核心时间源。下沉式时间源配置方案如图3所示。
三是为了避免核心汇聚设备反向跟踪下沉式时间源，还需要在相应核心汇聚设备的端口（例如图3中的OTN3、OTN4设备连接MER设备的端口）上配置为MasterOnly模式，即：该端口的1588v2状态只能为Master，不能为Slave或Passive状态。如果设备不支持MasterOnly的配置功能，也可以在对端设备的端口上（如图3中的MER1连接OTN3的端口，以及MER2连接OTN4的端口）上配置notMaster模式，即：该端口的1588v2状态只能为Slave或Passive，但不能为Master。
图3 下沉式时间源配置方案
下沉式时间源实验验证
为验证上文提出的下沉式时间源部署策略及配置方案的实际效果，项目组按照图4的拓扑搭建了实验室测试验证环境。其中，BITS为时间源设备，OTN为光传送网设备，MCR/MER/MAR为智能城域网设备，核心主/备BITS、下沉主/备BITS均锁定北斗卫星。所有设备的同步以太都配置为跟踪核心主BITS，设备的同步以太端口优先级按照最短跳数原则配置，设备的1588v2配置模式遵从ITU-T G.8275.1标准。时频测试仪表测量设备MAR3的1588v2输出信号。
图4 实验验证拓扑
为了验证下沉源部署前后对比的效果，首先配置图4中的核心主BITS的Priority2为100，核心备BITS的Priority2为120，所有设备跟踪核心主BITS，测试时长1h；然后再配置下沉主BITS的Priority2为60，以及下沉备BITS的Priority2为70，接入环所有设备均切换为跟踪下沉主BITS，测试时长1h，测试结果如图5所示。
图5 下沉源部署前后网络末端接入设备输出时间精度结果
从图5可以看出，在接入层设备跟踪核心时间源时，1588v2时间精度为97ns~105ns；当切换为跟踪下沉式时间源时，精度可以提升到19ns~38ns。设备在跟踪核心时间源和下沉式时间源之间切换时，切换规则和输出性能指标符合预期。该实验结果证明，通过下沉源部署策略及配置方案可以较好提升5G时间同步网络的精度。
5G系统需要纳秒量级的高精度时间同步能力，本文提出了本地高精度时间同步网网络架构、下沉式时间源部署策略及配置方案，并开展了实验室验证测试。实测结果证明下沉式时间源部署策略及配置方案可以提升5G时间同步网络的时间精度，从而满足更高精度的时间同步业务需求。
高精度时间同步网不仅可以为5G网络商用部署提供强大的基础支撑，同时可以为有高精度授时、导航和定位需求的行业级应用及消费级应用提供强有力保障，除大大提升用户感知外，还能增加运营商5G用户的黏性。高精度授时服务必将成为一种可以为运营商带来广阔市场前景的高价值服务。
