IEEE 1588 和 PTP 满足 5G 网络的复杂时序需求

IEEE 1588 和 PTP 满足 5G 网络的复杂时序需求，实现亚微秒范围内的全系统同步精度。

尽管移动运营商在过去几年一直在部署 5G 无线网络，但其中大部分都是利用现有 4G LTE 基础设施的非独立 (NSA) 网络。5G NSA 部署将 4G LTE 基站和支持核心基础设施与 5G 无线电相结合，以实现 5G 服务。虽然 NSA 使许多电信公司能够快速部署 5G，但这种方法并没有兑现为消费者提供“超连接速度”的承诺。同时，5G 更高的带宽和更快的速度要求更高的计时精度、准确性和可靠性。

直到最近，这些运营商才开始为真正的 5G 独立 (SA) 网络奠定基础，这需要的不仅仅是简单的无线电或固件升级。5G SA 网络的所有组件，包括基站、核心和无线电，均按照 3GPP 5G 规范构建，并经过优化以提供更高的下载速度和超低延迟服务。

例如，2020 年，T-Mobile开始推出全球首个全国性 SA 网络，并于 2021 年底在其商用 5G SA 网络上实现了近 5 Gbits/s 的创纪录速度。Verizon计划利用CBRS 频谱部署其今年拥有SA 5G核心网。

这种部署“下一代解决方案”的竞争热潮对业界来说并不新鲜。自 80 年代以来，移动网络大约每 10 年推出一次新一代。与上一代相比，每一代新一代网络都支持更快的速度和更先进的功能——这对于第五代网络来说没有什么不同。由于 5G 旨在允许实时交互并在更多连接的设备上启用高级 AI 功能，因此它需要更高的带宽和更快的速度。

运营商面临的挑战是，所有这些都对无线网络和支持它的计时解决方案提出了更为严格的性能要求。事实上，与数据中心等其他高性能环境相比，5G 网络的时序要求异常严格。与传统网络相比，真正的 5G 所需的显着带宽和数据速率需要更高的计时精度、准确性和可靠性。

5G 与 4G

让我们首先快速回顾一下 5G 与 4G 最常见的网络架构。

虽然 4G 依靠基带单元 (BBU) 来提供无线电单元 (RU) 和演进的分组核心之间的连接，但 5G 可以将此功能拆分为两个新的独立单元：集中式单元 (CU) 和分布式单元 (DU) . 显示了从 4G LTE 网络(顶部)到 5G SA 网络(底部)的架构差异。

4G 和 5G 的显着区别之一是 5G 使用时分双工而不是频分双工进行数据传输。这意味着整个网络需要同步，不仅在频率上，而且在时间上。这适用于整个架构——从 5G 核心一直到边缘的 RU。因此，这些 5G SA 网络需要为整个网络提供更高性能的频率和相位同步解决方案。

不出所料，NSA 网络无法达到这些性能要求，这些网络受限于其底层 4G LTE 硬件的硬件和性能。5G SA 部署的前传网络时序要求特别严格。在这些应用中，可以有多个 RU 连接到一个 DU，并且无线电之间的时间对齐要求更高。这些严格的规范是实现载波聚合和分布式 MIMO 等高级无线电功能所必需的。

5G 前传网络严格的时间对齐要求在 O-RAN 联盟的创建中发挥了关键作用。该组织的目标是创建符合标准的电信设备，可以为 DU、RU 和前传网络混合和匹配。这个想法是，任何符合 O-RAN 的硬件都将与任何其他符合 O-RAN 的硬件一起工作，以满足运营商的前传网络需求，包括设备之间的连接和同步。

所有这些都引出了一个核心问题：运营商是如何解决这一定时和同步挑战的?答案在于 IEEE 1588 标准。

这一切的 PTP

在对性能要求不高的先前网络中，同步和定时严重依赖 GPS 技术。然而，如今，GPS 已不再是最新 5G 部署的可行解决方案。GPS 不仅在安全方面存在众所周知的问题，而且硬件相对昂贵，并且在密集的城市环境中不太可靠。最后一点对于希望在体育场、音乐会、机场和其他高密度地点推出 5G 小型蜂窝网络的移动运营商来说尤其成问题。

值得庆幸的是，电信行业齐心协力寻找解决这个问题的方法，并开发出一种创新的 GPS 替代品。业界创建了一种使用 IEEE 1588v2 同步无线基础设施网络中所有不同设备的新方法。IEEE 1588v2，也称为精确时间协议 (PTP)，是一种通过数据包层本身同步时间的标准。PTP 使具有不同精度、分辨率和稳定性的时钟的各种计时系统能够与单个主时钟同步。

PTP 基于定时消息的双向交换，不仅从主时钟分配定时，而且估计和考虑路径延迟。路径延迟和数据包延迟变化是 5G 时序环境如此复杂的两个原因。

由于不同的硬件、不同的光纤长度、网络拥塞和异步网络流量，电信网络通常需要考虑传输延迟——每一个都可能导致明显的延迟。任何不对称延迟源都可能导致时间同步分布中的错误。在构建符合 IEEE 1588 的网络时，需要考虑所有这些影响。

最终，IEEE 1588v2 专为满足 5G 网络的复杂时序需求而构建。IEEE 1588 可以在整个网络的亚微秒范围内提供系统范围的同步精度，同时减少对 GPS 的依赖。5G SA 网络支持多种时间同步部署场景。其中包括新的未开发网络部署，其中网络中的每个节点都支持 IEEE 1588 同步，以及覆盖网络部署的超级大师，其中 IEEE 1588 数据包同步信息通过现有网络传递到网络边缘。然后可以使用 IEEE 1588 将边缘网络元素与系统的主时钟同步。后一种部署方案通常称为部分定时支持 (PTS) 网络。GPS 可以选择性地用于协助 IEEE 1588 在网络边缘提供更高的时间精度，这被恰当地命名为辅助部分定时支持 (APTS)。IEEE 1588 的灵活性及其与 GPS 结合使用的能力使系统运营商能够在各种部署场景中可靠地部署 5G。

运营商视角

不可否认，由 IEEE 1588 和 O-RAN 创建的标准化显然是移动行业的游戏规则改变者。这些技术协同工作以简化 5G 网络的部署。它们还为移动服务提供商提供了更多选择。然而，最终，移动运营商和部署者正在寻找能够提高性能和降低成本的网络设备和软件解决方案。

虽然有多种方法可以做到这一点，但两个主要的硬件考虑因素是功耗和电路板占用空间。板级组件使用更少的功率和更多的 PCB 空间意味着可以添加更多设备以提高性能并支持其他功能。由于这些原因，供应商和制造商青睐更新的时序解决方案，这些解决方案允许更精确的同步，同时提高整体电源效率和材料清单占用空间。还有新的 IEEE 1588 软件解决方案可用，可在 PTS 和 APTS 网络中提供卓越的时间误差性能，从而降低 5G 覆盖网络的设计和部署风险。

运营商可以选择部署传统的 RRH + BBU 架构，利用具有丰富历史知识和技术专长的大型电信设备供应商提供的成熟的端到端解决方案。运营商也可以过渡到成本更低的 O-RAN 部署模型，并利用来自各种供应商的无线电、DU 和 CU 解决方案。无论如何，新的时间同步解决方案是可用的，它们符合标准并支持移动网络运营商正在考虑的各种不同部署场景。