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在5G世界中透過光纖網路進行高精確的授時
 

【作者: Eric Colard】   2021年04月16日 星期五

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行動營運商正在LTE-Advanced網路和5G網路基地台的建置而大舉投資,這將為行動蜂巢式通訊和連接帶來重大變革。不過,他們面臨著巨大的風險:透過這些網路所提供的高效能行動服務是非常依賴GPS和其他被稱為全球導航衛星系統(GNSS)的類似區域性衛星星座所提供的精確時間,以便同步無線電通訊、支援新應用並最大程度地減少干擾。如果由於干擾、欺騙、故障或其他事件導致GPS/GNSS無法使用,則會引起服務中斷這將對系統效能造成災難性的影響。


正如電源輸配網極易受到大規模的火災(如最近美國加州發生的大火)、炎熱的氣候、颶風和沙塵暴的影響。5G網路也很容易受到精確時間分配中斷的影響,進而導致整個系統中斷。新技術能使行動營運商保護其網路免受這些威脅的影響。這些技術在利用現有部署的同時,創造了在長距離上分配超高精確時間的新架構。它們不僅將附加成本降至最低,還提供了必要的效能來滿足5G的高要求。


技術趨勢

最新的LTE-Advanced和5G行動網路帶來了巨大的容量和增益頻寬,可用於像消費性、工業、城市和特定細分市場提供新服務。從智慧手機的高頻寬影片傳輸,到自動駕駛汽車、智慧城市以及智慧工廠的物聯網(IoT),這些新服務都依賴於大量的感測器、基地台和其他設備的同步。


要做到這一點,就需要在長距離上傳遞非常精確的時間。沒有它,行動營運商將因無法降低中斷和風險以致影響部署投資的效益。此外,他們還必須制定能夠在GPS / GNSS故障時發揮作用的計畫。與此同時,他們需要有效利用光纖網路和其他現有基礎設施,這樣便無需在備用光纖(dark fiber)上進行昂貴的新投資。


標準機構對精確的時間和同步定義了非常嚴格的要求,例如主參考時鐘(PRTC),其中包括100奈秒(ns)的PRTC A類(PRTC-A)、40 ns的PRTC B類(PRTC-B)和30 ns的增強型PRTC(ePRTC)的效能規範。為了滿足這些要求,必須要有高品質的時間源,並且需要一種非常具恢復力、快速且高效的分配機制來將時間從來源傳輸到各種使用時間的設備(即基地台、感測器和車輛等)。


依靠GPS / GNSS滿足這些要求的問題在於,鑒於端點的密度越來越高,其部署成本可能會很高。此外,位於蜂巢式基地台的GNSS接收器存在一個技術上的漏洞。一旦GNSS接收器基於其他原因無法正確跟蹤衛星時就必須迅速停止使用無線電,以避免因無線電使用振盪器技術只能提供短暫的準確時間周期而引起的干擾問題。由於這些技術和財務方面的考慮,營運商迫切需要一種對於GNSS倚賴較低甚至完全不倚賴的解決方案。


營運商的其他考慮因素包括:透過網路從源到端點進行授時的時間分配;網路節點;以及這些網路節點可以支援的各種同步功能。通常,精確時間協定(PTP)最高級時鐘位於授時鏈的開頭,並且符合100 ns PRTC-A或40 ns PRTC-B的效能規範,因此它可以在+/-1.5微秒內將精確時間傳遞到鏈的末端。路徑上的網路節點通常嵌入了滿足A類(50 ns)或B類(25 ns)的時間邊界時鐘(T-BC)功能。


需要一種新型時間分配架構來滿足這些要求和考慮因素,以允許營運商保護其行動網路免受GNSS中斷的影響,並在長距離上分配精確時間以覆蓋全國。此外,這種架構還必須提供必要的效能,以滿足5G端到端的要求。


一種不同的時間分配架構

高精確時間分配架構應具備多種功能,使營運商能以最有效的方式降低GPS/GNSS風險,並解決其5G網路中的其他挑戰。此架構應該要能:


˙充分利用現有的光纖網路(從而避免高昂的備用光纖費用)


˙使用專用的lambda以便以最快的方式傳輸時間


˙盡其所能地保護備援時間源,此時間源滿足30 ns ePRTC的最高效能,並採用銫原子鐘和GNSS的組合


˙提供兩個時間流向(東和西),這樣便可在從源到端點的過程中出現任何問題時利用備援路徑


˙擁有一系列高精確邊界時鐘(HP BCs),可滿足當今標準(T-BC D類5 ns)規定的最高效能水準的要求


這種類型的多領域架構提供了備用機制、次微秒級的端到端授時功能,適合在數百英里範圍內以較低的成本傳遞每節點5奈秒的高效能精確時間分配。


這種解決方案的一個案例是使用Microchip的TimeProvider 4100,它既可以配置為在授時鏈的源端具有PRTC-A和PRTC-B時間傳遞功能的ePRTC,也可以配置為光纖網路路徑上的HP BC。此外,還可以根據特定應用的要求配置這類產品,以實現端到端授時,並在長距離上擁有達奈秒級的精確時間傳遞能力。


確保精確的授時

下一代高效能行動服務成功與否將取決於營運商能否順利解決當今的關鍵GPS / GNSS風險。在干擾、欺騙、故障或其他事件下可能會破壞精確的GPS / GNSS授時中斷,這將導致5G網路的同步無線電、啟用應用程序和降低干擾受到限制。最新的高精確時間分配架構以最小的附加成本降低了這些風險,並為營運商提供了所需的效能來支援要求較高的新5G服務(例如: 從基於IoT的應用到在智慧手機上接收高頻寬影片)。


(本文作者Eric Colard為Microchip 公司頻率和時間系統新興產品主管)


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