利用IEEE 1588的透明授时功能简化4G微蜂窝设备的设计和部署

--IEEE 1588以太网授时（timing-over-Ethernet）标准的智能化实现，

可削减创建符合4G网络严格计时精度要求的、基于IP蜂窝回传链路的成本。--

引言

LTE/4G蜂窝技术的严苛时频要求，给微/微微/毫微微蜂窝基站交换机、路由器以及其他用于所谓小蜂窝网络（图1）设备的基于以太网的回传连接带来了特殊的设计挑战。服务供应商计划部署微/微微蜂窝基站来提高覆盖及其4G/LTE网络的容量。类似于宏基站，这些基站需要频率和相位两项指标，或精确计取时间（time-of-day）、时间同步。但是，传统上用来提供4G/LTE网络所需频率和授时信号的GPS信号，已经给小蜂窝模式带来了技术和成本挑战。首要问题是室内和拥挤的城市峡谷中GPS信号的可获得性，而微/微微蜂窝这类基站都将部署在这些地方。IEEE 1588v2精确授时协议（PTP或1588）提供了一种理想的替代方案。特别是，本文将讨论一种在很大程度上依赖于透明时钟（TC）节点的网络计时架构，如何用来减少在整个蜂窝系统的基于分组数据技术的回程网络上，降低维持精确授时所需硬件的成本和复杂性。

图1：小蜂窝网络通常用于在密集的、复杂的城市环境中扩大4G/LTE网络的覆盖范围，或者提供可靠的楼内服务。在小蜂窝回传网络中常见的微波链路和复杂的拓扑结构，给满足LTE/LTE-A系统严苛的计时要求增加了挑战。

PTP 101

1588标准提供了一种基于分组数据包的授时和同步机制，并且非常适合于新兴的基于分组数据技术的回传网络。它建立在同步以太网技术之上，这种技术为分组数据世界带来了频率同步，但没有提供LTE和LTE-Advanced（LTE-A）所需的、必要的计时时间同步。PTP在数据包内直接携带了计时信息（也称为时间戳）。携带时间戳的数据包，连同来自生成时间戳（也称为主基准时钟）的网络设备的剩余网络数据流量直达基站设备，其中的这些时间戳采用1588标准来恢复原始时间。

主基准时钟和恢复时钟之间的差异（如同步误差）必须在指定的精度要求范围内，这取决于网络的类型。但应该注意的是网络路径上同步误差是不断累积的，包括从生成主时钟的网络节点到增加计时误差的基站之间的每个节点。

图2：通过一系列时间戳信息来计算主/从时钟之间的传播延迟，IEEE 1588v2精确授时协议（PTP）估算出了从时钟的时间。但是，分组网络可能出现大数值的数据包延迟变量（PDV），如果不进行纠正，可能引入授时的不准确性。

时间就是一切

TD-LTE、LTE-A及其他先进蜂窝移动通信技术只允许在其基站及其他网络单元之间存在极小的时间同步误差，以提供基站之间的无干扰宽带多媒体和无缝切换。例如，LTE-A网络只能容许两个相邻基站之间最多为500ns的相位误差值。以下表格说明了网络内不同移动通信技术空中接口的频率和相位精度要求（图3）。

图3：每个新的先进蜂窝技术代系都要求更高的计时精度，其网络节点之间必须这样的精度

对于许多较新的移动通信技术，同步是一个严重影响吞吐量的参数。虽然图3显示出了最低要求，但应当指出，实现更高的时间/相位和频率精度可带来性能/吞吐量的总体改善。这也导致了更高的系统和网络裕度，可以很容易地适应剩余链路或系统损伤（impairment）。在实际的蜂窝系统中，这部分同步预算被RF链路的延迟变量及其他固有的时同变量消耗了，例如光纤链路中的那些变量。另一部分同步预算则被用来对抗城市峡谷和室内环境中的多径反射和噪声影响的干扰抑制技术消耗了，小蜂窝网络往往用于这些地方。因此，虽然我们必须让微波和毫米波回传链路留有100ns的最大时间误差，但对于光纤连接的路由器、交换机和网关，以及留给基站/蜂窝网络本身的时间误差预算，应该保持在每一跳（per hop）10ns的数量级上，以保持在LTE-A空中接口的精度范围内。

一个采用1588协议的网络是提供纳秒级的精确同步，需要通过一个预先定义的时钟分层结构来管理网络中的PDV和非对称组件。该标准定义了边界时钟（BC）以及透明时钟（TC）。一个实现了BC的节点有多个网络连接，并能准确地从一个网段到另一个网段桥接同步。它也可以基于它接收到的时间戳重新生成计时。除了时间戳，BC也需要时间戳纠错、一个可靠的PDV滤波算法，以及一个可以与网络同步的可感知1588的复数生成。其结果