LTE-TDD和LTE-Advanced移动网络的定时和同步(上)

1 同步和UTC可追溯性

定时和同步是数字网络运行的根本。在以往，只有相对容易的频率同步就可以了。现在，LTE-TDD和LTE-A技术增加了对相位和时间的要求。图1帮助理解其中的不同。

有关定时和同步的讨论经常会提到准确性和精确度。在许多情况下，在上下文中的不同并不重要，然而，为了更完整的理解，图2作了一个“击中目标中心”的比喻。

运营商网络基于非常精确和准确的主用基准时钟的性能，实现了必要的精确度和准确性。在几乎所有情况下，该基准来自GNSS卫星系统 (GPS、GLONASS或北斗(Beidou)) 传送的信号。高品质GNSS接收器获取频率并根据卫星信号计算时间，然后同步设备把这些数据作为网络定时的基准参考。最佳的定时和同步设备还将使用额外的频率输入比如同步以太网(Synchronous Ethernet)或E1/T1信号，使解决方案能够更快地集中到精确和准确的时间上，并在GNSS信号受损或短暂中断时改善保持性能。

在LTE-TDD和LTE-A网络中，时间和相位基准必须可追溯至协调世界时 (Coordinated Universal Time, UTC)。ITU-T G.8272定义了基准主时钟(Primary Reference Time Clock, PRTC) 的要求;就是与建立已久的主基准时钟(Primary Reference Clocks, PRC)标准和用于频率同步的主基准源(Primary Reference Sources, PRS) 相比的时间和相位发展。没有共同的UTC时间基准，蜂窝基站 (cell site)无法按预期运行。这里需要强调的是，SyncE仅仅是一个频率基准，不能被PTP时钟 (如边界时钟) 作为主时间基准使用。

2 LTE的定时和同步要求

2G，3G和LTE频分双工(LTE-Frequency Division Duplex) 移动技术只要求频率同步的准确度在无线电接口上应在十亿分之五十(50 parts per billion)以内。为满足该要求，在基站接口至回程网络上规定频率同步准确度应为16 ppb。LTE时分双工(LTE-Time Division Duplex)和LTE-Advanced业务有着与前几代同样的频率准确度要求，但也规定了相位和时间要求。图3提供了同步要求的总结。

LTE-Advanced标准要求仍然在讨论制定中。虽然在2013年中并没有达到共识，但当时该要求很可能视乎不同应用而为±1.5 µs或±5 µs;而有些讨论则显示对于某些应用情况可能需要500 ns (±.5 µs)。LTE-A涵盖了多种技术而非单一技术。由于并不是所有特性都会在任何地方部署，因此在现实世界的要求会有所不同。图4提出了当标准完成时它们可能是什么。

住宅和企业小型蜂窝 (也称为微型基站 (femtocell)) 的不同之处，是使用宽带互联网接入服务作为它们的回程。正因如此，它们没有包括在本文描述的解决方案中，而本文主要是针对在移动回程网络上的分布同步。这些蜂窝通常使用精确度要求不太高的网络时间协议(Network Time Protocol, NTP)，空口的频率准确度要求为100-250 ppb。

3 失效影响

投资建设小型蜂窝基站和LTE网络主要是为了增加容量和覆盖范围。当同步失效时，这两个目的就达不到。图5展示了“累积”出错情形。需求和影响是累积的，也就是：“加上上述全部”。

增强型小区间干扰协调 (Enhanced Intercell Interference Coordination, eICIC)完全取决于分布式时间的准确性。在只要求频率同步的网络中的不符合标准 (out-of-spec) 的定时仅仅影响失效NodeB的范围。在LTE-TDD和LTE-A网络中，eICIC使小型蜂窝能够相互合作，并与重叠的宏蜂窝合作运行。蜂窝如果在错误的时间进行传输，将在其覆盖范围内干扰其它基站的信号，导致整个频谱无效和更广泛的服务降级。

4 为严格的时间和相位同步而设的解决方案

目前满足LTE-TDD和LTE-A网络的严格的相位和时间同步要求的技术主要有三种：“无处不在的GNSS”、“完全on-path支持”的PTP和“部分on-path支持和/或Edge Grandmaster”的PTP。每种解决方案都各有优点和缺点，我们依次来进行探讨。

4.1 无处不在的GNSS

一个看似比较简单的方法就是在每一个移动基站部署GNSS接收器。GNSS接收器可以是一台单独设备或者嵌入到基站中。GNSS接收器还可以集成混用或与支持基站同步传送的就近的蜂窝基站路由器 (cell site router, CSR) 或网络接口设备(network interface device, NID)混用，代表性的就是使用PTP。虽然简单直接，但这种方法并不是在每个地点都在经济或技术上可行的，而且它还会使得eNodeB容易受到GNSS信号的干扰。

在经济或技术上可行性的挑战对于公共接入小型基站是最为明显的。这些小型基站(也称为metro cell、微蜂窝(microcel