利用铷原子钟的同步保持能力来确保移动业务可用性

        摘要
本文旨在让移动网络运营商和他们的设备供应商了解，随着当前和下一代技术使得网络进步，同步要求已经发生了变化，特别是由于同步规范变得更严格且更难以满足，所以对优良的保持性能（holdover performance）的需求成为了关注重点。在主同步源运行中断或受损时，保持特性允许继续进行服务运营。典型的基于晶体钟保持能力的解决方案仅能提供一段相对较短的时间来恢复高级业务，但对于现有的3G和4G基站，铷 (rubidium)原子钟的保持能力却可以满足新LTE-TDD基站的严格要求达24小时乃至更长的时间。
对于移动通讯网络来说，精确同步(sync)和定时是必不可少的，以确保基站之间呼叫信号的成功切换和准确的传输，以及传输实时服务并符合无线电频率法规。当定时或同步丢失时，抖动和漂移、封包丢失和丢帧会降低服务质量(Quality of Service, QoS)，并对最终用户体验产生负面影响。假如单个基站漂移至规定的频率之外，那么用户体验将受到呼叫干扰、掉话和受损数据服务的影响。假如违反了电信规则如E911的要求，运营商便可能会承担额外的费用如报告停用，并遭到审查，另外还有可能被判罚款和牵涉潜在的法律诉讼。
正如所有的关键网络功能，即使发生主要网络组件的失效或停用时，同步和定时解决方案也必须实施。当主同步源中断或不可用时，保持性能即是维持网络同步稳定的能力。在定时或同步基准丢失的情况下，保持性能可以确保网络的连续运行并可帮助保护运营收益。通过延长网络维持运行的时间而无需上门服务(truck roll)，更长的保持性能周期实现了更有效的操作响应。随着蜂窝网络过度到4G/LTE，铷原子钟为网络保持性能提供了最佳性能的解决方案，并且能够在网络性能降质之前检测到主同步信号中的微小误差。相比其它保持性能的技术，采用嵌入式铷原子钟的基站设备可以更长时间地保持精确性能和支持高QoS。
背景
传统的时分多路复用(time division multiplex, TDM)数字电信网络，采用两种类型的同步原理来维持同步，即主基准时钟(primary reference clocks, PRC)，也称为主基准源(primary reference sources, PRS)，和时钟分配系统，通过物理路径来提供同步。PRC或PRS使用铯 (cesium) 原子钟或者全球定位系统(global positioning system, GPS)来为网络内其它时钟的同步提供基准信号。同步分配系统也称为大楼综合定时供给系统 (building integrated time supplies, BITS)、同步供给单元(synchronization supply units, SSU) 或独立同步设备(stand alone synchronization equipment, SASE)，选择进入基站的其中一个主时钟源作为有效同步基准。同步分配系统提供同步输出至所有中央办公室网络单元。基准信号一般用来减小抖动和漂移，并在保持模式下维持运行。
从TDM到分组网络的过度要求在同步架构上有所改变，因为失去了原本运送同步信号的TDM链路，同步信号会中断，而异步以太网不提供网络单元之间的物理电路，因此基站的同步必须使用如IEEE 1588 (PTP)的封包定时技术来设计成封包回程、或在基站处安装GPS天线和接收器来提供。在定时或同步基准丢失的情况下，保持性能就成为确保最佳网络性能的关键。
保持性能的重要性
无论使用何种主要技术来同步分组网络，在基站的规定要求内，采用铷原子钟技术是支持4G/LTE服务的一个关键。为确保网络的连续运行，建议服务供应商部署铷原子钟技术来确保GPS或者PTP同步网络的保持性能。
在有些基站虽然安装GPS接收器提供服务但其仅能断续接收到GPS信号，例如建筑物内部、地下和市中心区域，保持性能对于基站的运行是至关重要的。在由外部事件引起的GPS运行中断期间，，保持性能技术也是保持同步所必须的，例如在2007年美国海军意外干扰了圣地亚哥地区的GPS信号。任何保持性能技术可以在基站的规范要求内实现的持续时间是至关重要的。因为任何停机时间都会影响客户的满意度，而且某些故障需要上门服务，可能无法在几个小时而是需要一整天或更长时间才能恢复，这大大影响了用户体验质量和运营费用。

保持性能的要求和技术
通过将可以暂时保持同步信号的振荡器或原子钟安装在移动电话基站收发信台(base transceiver stations, BTS)中，可以实现保持性能。保持性能的时间可以从几个小时到几天，这取决于振荡器技术(晶体钟或铷原子钟)、环境因素(温度和温度变化)、以及实施质量(考虑并适应老化影响的算法)。
保持性能的要求视乎类型、复杂性和运营商要求而不同。4G/LTE时分双工(time division duplex, TDD)网络较2G/3G网络具有更严格的定时要求，某些应用如基于位置的服务和E911需要采用更严格的同步要求，才能够从基站进行三角测量来准确地定位手机。
随着移动网络技术的发展，需要更高的同步精度。GSM和UMTS要求在传输接口上 的频率同步精度为16ppb（(parts per billion, ppb)，不要求相位同步。CDMA 2000增加了± 3到10微秒(μs)的相位同步要求，而4G/LTE TDD基站要求± 1.5 μs的相位同步精度(图1)。


图1：同步要求


       
最常用的具有保持性能的是恒温晶体振荡器 (oven controlled crystal oscillator, OCXO)，以往它一直能够满足GMS/UMTS和CDMA网络需求。展望未来，铷原子钟是一个更好的解决方案，提供更高等级的性能和精度，并具有更长的保持时间。这是一个典型的实施基准：在目标基站温度环境中，铷原子钟可以保持1.5微秒精度长达24小时，而在相同条件下，晶体振荡器仅能确保在24小时下达到8微秒。(图2)


图2: 24小时保持性能

即使对于精度要求并不严格的2G/3G环境，铷原子钟也提供了明显优势，因为更长的保持时间可省去周末或夜间的上门服务 (truck roll)。
我们必须指出的是，不同等级的振荡器提供不同的保持性能，当然在成本上也是不同的。此外，设计实现也可以产生重大影响；例如软件算法可以弥补由于振荡器老化而产生的精度变化。图3展示了恒温晶体振荡器与铷原子钟的时间漂移比较。重点是，对于基站来说，在类似的环境情况和价格/性能范围内，铷提供的保持性能明显胜过晶体振荡器。


图3：随时间的漂移

支持铷原子钟保持技术的其它重要因素有：
● 最新的小型铷原子钟与用于保持性能的OCXO器件的大小和外形相同，易于嵌入到设备设计中。
● 创新实现了更低的功耗，而动力性能将继续改进
● 最重要的是，铷原子钟的成本锐减：五年前的价格是两年前的两倍，今天技术创新延续了价格下降的趋势。
未来的同步和保持性能技术
运营商服务可用性一直依赖于冗余和备份解决方案来满足他们客户的期望。用于分组网络的可靠端对端同步解决方案要求在基站使用主同步源 (无论是IEEE-1588 PTP还是GPS) 和嵌入式铷原子钟。复杂算法可自适应管理 (adaptively manage) GPS和其它同步信号源，从而提供更佳的同步输出精度和稳定性。在这个解决方案中，不同的技术彼此辅助以延长铷原子钟的保持时间，而且基站也可以安装在过去无法安装的位置上。这个方法已经进行了部署测试，并已针对运营商做好加入4G/LTE增建计划的准备(图4)。


图4：用于4G/LTE增建的多种同步技术

结论
随着移动网络向4G/LTE方向发展，以及更严格相位要求的增加，同步要求变得更加严格。为满足1.5 μs的相位要求并确保网络持续运行，需要采用铷原子钟来提供网络保持性能，并在同步信号丢失时保护网络。铷原子钟结合了性能、成本和易于实现的特性优势，其价值对于基站台接收站(base transceiver station)越来越具吸引力。