1　引言
      5G牌照已經發放，5G商用開始有序部署。5G網絡處于產業化培育應用的關鍵時期，5G高精度同步網作為必不可少的基礎支撐網絡，急需在技術和產業發展方面盡快推動，以有力支撐5G商用的順利開展。
    本文首先分析5G系統時間同步需求，闡述采用地面同步組網解決5G系統同步的必要性,提出高精度同步通用組網模型，并重點分析面向5G系統同步的高精度源頭、高精度同步傳輸、高精度同步監測等關鍵技術，為我國后續5G同步技術方案選擇及組網策略制定、國際國內標準推動、同步網平滑演進等提供參考。
    2　5G高精度時間同步需求
    5G同步用于支撐5G網絡和業務，包括頻率同步和時間同步，其中頻率同步需求與其他無線通信系統相同，即優于±0.05ppm，而時間同步要求則更加嚴格，本文重點關注5G時間同步。根據應用場景和同步精度的不同，5G系統時間同步需求包括基本同步需求、站間協同增強同步需求以及5G所支撐的新業務提出的高精度同步需求。
    5G系統基本同步需求是所有時分復用（TDD）制式無線通信系統的共性要求，主要是為避免上下行時隙干擾，從而需對基站空口時間偏差進行嚴格限定。對于4G TDD系統，采用固定子載波間隔15kHz，保護周期GP（Guard Period）配置單符號，在一定覆蓋范圍內，其要求基站間時間偏差應小于3μs。5G系統均采用TDD制式，其具有子載波間隔可靈活擴展的特點，通過在GP中靈活配置多個符號的方式，使得基站間時間偏差要求仍為小于3μs，與4G TDD一致。
    5G系統站間協同增強主要包括多天線MIMO、多點協調、載波聚合等，為確保協同有效，來自不同協同點信號的時間差不能超過循環前綴CP ( Cyclic Prefix），從而對協同點之間的時間偏差提出了100ns量級甚至更高的苛刻時間同步要求。
    在5G網絡支撐的多種新業務中，典型的是基站定位服務。隨著高精度定位服務需求爆炸式增長，作為定位服務提供的重要手段，基于5G系統基站定位極具潛力。一般來說，定位精度與時間同步精度直接相關，例如要實現3m的定位精度，要求基站間的空口信號同步偏差為±10ns。
    3　5G高精度時間同步組網模型
    3.1　5G高精度同步地面組網必要性分析

長期以來，運營商主要采用在基站加裝衛星接收機的方式滿足無線移動通信系統的同步需求。在4G時代，部分運營商通過地面同步組網方式解決無線基站的同步問題，但一般作為備用，或者用于解決衛星信號難以覆蓋區域的基站同步，如地鐵、地下車庫、部分城區高樓等。
    相對于4G系統，5G系統具有如下新的同步需求特點。
    （1）同步需求精度更高。5G系統既有μs量級的基本業務同步需求，也有100ns量級的協同增強技術同步需求，還有其他新業務的更高精度同步需求，基站直接通過普通衛星接收機單站授時難以完全滿足要求。
    （2）同步應用場景更加復雜。5G系統的一大特點是部分應用場景基站部署密度大，隨著中國城市化不斷推進，室內基站占比增大，將會存在大量無法獲取衛星信號的5G基站部署場景。
    （3）同步的安全可靠性要求更加嚴格。同步是確保5G系統安全可靠運行的前提，鑒于5G系統本身及其所支撐業務的重要性，相應對同步的安全可靠性也提出更高的要求。考慮到衛星信號受到無意或有意干擾導致失效的情況越來越多，衛星信號被攻擊（如偽衛星欺騙）的案例時有發生，5G同步完全依賴于衛星授時將會帶來極大的安全隱患。
    （4）成本方面更加敏感。5G基站部署規模大，若每個基站均加裝衛星接收機，設備投資和運維成本巨大，而通過承載網絡帶內方式實現地面高精度同步組網，建設與運維成本相對較低。
    鑒于上述分析，為滿足5G系統的同步需求，解決衛星覆蓋盲點問題，提升安全可靠性，節約建設和運維成本，研究建設自主可控、安全可靠的高精度時間同步網是大勢所趨。需要說明的是，建設高精度地面時間同步網，并不會一步到位完全替代基站衛星授時方案，兩者是天地互備的關系，將會長期共存、相互補充。
    3.2　5G高精度同步通用組網模型

國內CCSA，國外ITU-T、3GPP、CPRI、IEEE以及ORAN等多個標準化和行業組織正針對5G同步解決方案開展研究。目前來看，相對于光纖授時、網絡時間協議NTP（Network Time Protocol）等技術，基于高精度時間協議PTP（Precision Time Protocol）組網是5G高精度時間同步的最主要實現方案。
基于PTP的5G高精度時間同步通用組網模型如圖1所示。作為源頭設備的高精度時間服務器（PRTC/ePRTC）可采用衛星授時關鍵技術，在衛星不可用的情況下，可通過地面獲取超高精度時間同步信號（如通過光纖授時溯源至國家守時單位），從而確保5G時間同步網自主可控。PRTC/ePRTC通常同時實現祖時鐘GM（GrandMaster）功能，因此圖1參考點A一般位于設備內部，在這種情況下無需對其性能要求進行規范。

                                                        圖1　5G 高精度時間同步通用組網模型
    高精度時間服務器的性能指標應滿足ITU-TG. 8272.1標準的要求，即時間精度應優于±30ns。圖1參考點B和C之間屬于5G時間同步網的核心部分，可采用高精度同步傳輸技術實現高精度同步承載，屬于由多個電信用邊界時鐘（T-BC）組成的同步鏈。需要強調的是，單個節點的時間同步性能和網絡規模（時間同步鏈的跳數）是B與C之間承載部分同步指標的兩個重要制約參數。為了提升端到端同步性能，擴大組網規模，要求傳輸設備單節點時間同步精度應優于一定的限值（如ITU-T G.8273.2規定類型C和類型D的T-BC的時間誤差在10ns量級甚至更小）。
    圖1中參考點C或D屬于5G時間同步網與無線末端設備（如5G基站）的連接點，可考慮采用高精度同步接口（如帶內10GE/25GE）進行對接，降低局內互聯引入的時間誤差。在5G組網中，通過對5G網絡無線接入網（RAN）側功能的重新劃分，以及基于以太網的eCPRI接口在前傳中的使用，圖1中從時鐘（Slave）可能和末端應用（如AAU）集成在同一設備中，因此參考點D有可能位于無線設備內部。
    5G同步需求一般是以無線空口（圖1參考點E）間的相對時間偏差來衡量，而同步網一般通過實現相對于協調世界時（UTC）的絕對時間精度來滿足無線側的相對時間精度要求。例如，為了滿足兩個AAU的無線空口參考點E之間的相對時間偏差（如3μs），要求每個AAU無線空口輸出相對于UTC的絕對時間偏差滿足一定的限值即可（如±1.5μs）。
需要強調的是，高精度時間同步網通常采用逐級主從組網方式，這是一種經典的組網模式，在傳統頻率同步網建設中已得到成功應用。逐級主從組網方式的鮮明特點是，由于噪聲累積效應，傳輸鏈路越長，經過節點數越多，信號劣化就越顯著。因此，在實際組建高精度時間同步網時，應考慮需要縮小組網范圍，如基于地縣的區域性組網；另外一種組網思路是將源頭設備下沉，盡量靠近網絡末端基站，降低網絡承載部分對同步性能的影響，實現扁平化組網。
    4　5G 高精度同步關鍵技術分析
    同步網一般由同步節點設備以及用于連接節點設備的定時鏈路構成，5G高精度地面時間同步網也不例外。組建5G高精度地面時間同步網，涉及若干關鍵技術，包括作為節點設備的高精度源頭技術、用于組建地面定時鏈路的1588技術、進行全網管理的監測技術等。
    4.1　高精度同步源頭技術

    高精度同步源頭的實現與衛星授時技術密不可分。衛星授時的精度取決于衛星系統、大氣層、接收系統、本地鐘源、鎖相環和分發接口等多個要素。在眾多衛星授時技術中，衛星單頻授時應用最為廣泛，但由于受到大氣環境多方面因素影響，授時精度受限，只能實現百納秒級同步精度，無法滿足高精度同步設備30ns量級的需求。衛星雙頻技術可以消除大氣電離層延遲誤差，可顯著提升授時精度，可以作為今后高精同步源頭設備的主要實現技術。衛星共視技術可進一步消除衛星鐘和傳播路徑的有關誤差，實現遠距離高精度溯源，可以作為高精度同步的測量技術選擇。

    需要說明的是，近年來，我國自主研發的北斗衛星導航系統不斷完善并加緊部署應用，其中北斗二代已于2012年正式商用，北斗三代將于2020年年底前完成組網并投入商用，北斗系統在通信網中的應用規模將進一步擴大，從而有助于擺脫對其他國家衛星導航系統的依賴，提升了通信網絡的安全可靠性。采用基于北斗系統的雙頻技術將是未來高精度同步源頭設備主流實現技術的選擇。
    4.2　高精度同步傳輸技術

    高精度同步傳輸用于組織定時鏈路，是5G高精度同步組網的關鍵環節。目前來看，1588v2技術在電信網中應用規模大、成熟度高、互聯互通性好，建議在現有配置的基礎上通過優化實現細節提升精度，包括打戳位置盡量靠近物理接口、提升打戳分辨率、提升系統實時時鐘（RTC）同步精度、加強模塊間協作、選取優質晶振等，這樣有利于5G高精度時間同步網絡的快速部署和成熟商用。此外，業界也比較關注白兔子（WR）、1588v2.1等其他高精度同步傳輸技術，但無論是WR技術，還是新版本1588標準，均屬于全新的高精度傳輸實現方案，相對于1588v2優化方案，實現難度大，目前暫時不作為高精度同步傳輸技術。
    考慮到1588v2技術在實際應用中易受光纖不對稱性影響，建議5G時間同步網在條件具備時盡量采用單纖雙向方式進行1588v2的部署應用。另外，針對1588v2開通和運維，建議引入軟件定義同步網功能，增強同步網絡安全可靠性，提高運維管理效率。
    4.3　高精度同步監測技術

    對于5G高精度同步網，安全可靠運行至關重要，有必要建立監測系統，對全網同步運行質量進行實時監控和管理。在監測方式方面，包括基于網絡設備自身監測功能實現的相對性能監測，以及采用探針等外部設備進行的絕對性能監測。
對于基于網絡設備自身監測功能實現的相對性能監測，具體監測項目和監測要求在相關標準中已有規范[4]；對于采用外部設備進行的絕對性能監測，在網絡中的適當位置部署支持衛星共視功能的外部探針設備作為監測點，同時全網配置一個公共的參考基準站和數據處理中心，基于衛星共視法，可以獲取網絡中各個監測點與公共參考基準站之間的時間偏差，通過數據處理中心的大數據分析處理，可以準確掌握全網同步的運行狀況。
    基于網絡設備內置功能實現監測，相對來說實現起來比較簡單，無需額外設備，但由于該監測方式只是對網絡局部進行相對監測，無法對全局網絡進行監測，并且要求所涉全部設備都需支持特定的監測功能，因此實際應用起來存在一些弊端。通過外置設備基于共視法進行監測，可以實現全網同步性能的實時監測，從長遠來看是一種較好的監測方式，但初期需要一定的建設成本，并且具體監測方案有待進一步研究，包括監測點數量和位置選擇、權威公共參考基準站的選擇或建設、如何實現數據在監測點與基準站及數據處理中心的傳送、合理的數據處理算法、監測評估指標的確定等。
    5　結束語
    面向5G的同步需求特性明確，既有與4G相同的微秒量級基本同步需求，也有5G協同增強提出的百納秒級同步需求，還有以定位需求為代表的納秒級同步要求。通過5G高精度同步組網，滿足5G系統多種業務的同步需求，解決5G網絡復雜部署場景同步問題，實現天地互備，避免完全依賴衛星授時帶來的安全隱患，進一步提升5G應用的安全可靠性。
    為了滿足5G系統高精度同步需求，支撐各種具有高精度同步要求的應用場景，業界正抓緊對同步源頭技術、同步傳輸技術、同步監視技術等方面持續開展研究。從源頭技術來看，雙頻技術更適合于高精度時間同步網的建設部署，尤其是基于自主北斗系統的雙頻技術會成為應用主流；從同步傳輸技術來看，1588v2技術目前仍是高精度同步的基本傳輸技術，可以進一步對其進行改良及增強以滿足多場景高精度同步傳送需求；從高精度同步監測技術來看，存在基于衛星信號的絕對監測和基于設備自身功能的相對監測等方式，可根據業務要求、網絡規模、成本預算等因素綜合選擇，預計最終基于衛星共視法的絕對性能監測方式將是今后應用的方向。
    總體來看，隨著5G系統商用化的不斷推進，作為基礎支撐網絡，5G同步網研究及方案部署需進一步加速推動。結合運營商5G承載技術及組網架構，繼續研究5G同步網演進策略、高精度同步測試技術、同步網安全等內容，推動制定和完善5G高精度同步方案，全力支撐5G系統商用部署。