利用開(kāi)放式RAN網(wǎng)絡(luò)解決時(shí)間難題

Microchip Technology Inc. 戰(zhàn)略應(yīng)用、時(shí)序和通信業(yè)務(wù)部 高級(jí)技術(shù)顧問(wèn) Darrin Gile

網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)元素必須符合特定的頻率、相位和時(shí)間要求，以確保網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)正確的端到端運(yùn)行。由O-RAN聯(lián)盟定義的同步架構(gòu)決定了開(kāi)放式RAN設(shè)備將如何滿足這些要求。

一直以來(lái)，開(kāi)放式RAN吸引著那些希望降低成本、提升競(jìng)爭(zhēng)力和推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新的服務(wù)提供商的目光。市場(chǎng)對(duì)分布式虛擬RAN架構(gòu)的渴求，為5G網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域帶來(lái)了更多的靈活性、競(jìng)爭(zhēng)性與開(kāi)放性。

O-RAN聯(lián)盟成立于2018年，初衷是為了實(shí)現(xiàn)硬件標(biāo)準(zhǔn)化并定義開(kāi)放式接口，以確保供應(yīng)商設(shè)備之間的互操作性。O-RAN.WG4.CUS.0-v10.00中已經(jīng)定義了有關(guān)控制、用戶和同步平面的協(xié)議、架構(gòu)和要求。

S平面和精度

同步平面（S平面）解決了O-RAN無(wú)線電單元（RU）和分布式單元（DU）之間前傳網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>和時(shí)序精度限制問(wèn)題。有關(guān)頻率、相位和時(shí)間同步的要求需遵循3GPP建議并與ITU-T網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備限制相符。對(duì)于時(shí)分雙工（TDD）蜂窩網(wǎng)絡(luò)，TDD蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基本精度要求是基站之間為3 μs，以及最終應(yīng)用與公共點(diǎn)之間為±1.5 μs（G.8271）。如果是使用高級(jí)無(wú)線電技術(shù)（例如協(xié)作多點(diǎn)或MIMO技術(shù)）的設(shè)備，其精度要求將更加嚴(yán)格。為了滿足此類更加嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)限制要求，設(shè)備需要符合G.8372.2中定義的C類（30 ns）最大絕對(duì)時(shí)間誤差要求。

授時(shí)配置

S平面由四種拓?fù)浣M成，用于通過(guò)前傳網(wǎng)絡(luò)（RU到DU）分配定時(shí)。此類配置將依靠基于時(shí)間的同步技術(shù)與基于頻率的同步技術(shù)的組合。位于網(wǎng)絡(luò)中的主參考時(shí)鐘（PRTC或ePRTC）將為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素提供基準(zhǔn)時(shí)間。使用GNSS、精確時(shí)間協(xié)議（PTP）和物理層頻率源（最常見(jiàn)的是同步以太網(wǎng)（SyncE））可確保RU能夠可靠地接收頻率，而且更重要的是，能夠接收網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行所需的相位和時(shí)間同步信息。

圖1和圖2顯示了四種用于在開(kāi)放式RAN前傳網(wǎng)絡(luò)中支持網(wǎng)絡(luò)同步的已定義配置。

圖1. 在這些配置中，授時(shí)來(lái)自上游（左）或來(lái)自前傳中的T-BC（右）。

圖2.DU和RU通過(guò)交換芯片從PRTC（左）獲取時(shí)間，而授時(shí)來(lái)自GNSS（右）。

配置LLS-C1

第一個(gè)配置的同步需通過(guò)DU和RU之間的直接連接來(lái)進(jìn)行。O-DU將從與O-DU位于同一地點(diǎn)的精確實(shí)時(shí)時(shí)鐘/電信級(jí)主時(shí)鐘（PRTC/T-GM）處接收網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，或者從網(wǎng)絡(luò)中位置更靠后的遠(yuǎn)程PRTC/T-GM處接收網(wǎng)絡(luò)時(shí)間。

配置LLS-C2

在配置LLS-C2中，DU仍從位于同一地點(diǎn)的PRTC處或位于網(wǎng)絡(luò)中更上游的PRTC處接收網(wǎng)絡(luò)時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間將通過(guò)駐留在前傳網(wǎng)絡(luò)中的其他交換芯片從DU進(jìn)行傳遞。為了獲得最佳性能，這些交換芯片應(yīng)包含一個(gè)完全感知（G.8275.1）網(wǎng)絡(luò)，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠充當(dāng)電信邊界時(shí)鐘（T-BC）。此外，還可以使用有一個(gè)或多個(gè)交換芯片不參與PTP過(guò)濾的部分感知網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)前傳網(wǎng)絡(luò)的躍程類型和數(shù)量將限制網(wǎng)絡(luò)的整體性能，具體取決于前傳網(wǎng)絡(luò)的類型。例如，由C類（30 ns）T-BC組成的完全感知網(wǎng)絡(luò)能夠比由B類（70 ns）T-BC組成的完全感知網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)的躍程更多。

配置LLS-C3

在第三種配置中，DU和RU都將從位于前傳網(wǎng)絡(luò)中的PRTC處接收網(wǎng)絡(luò)時(shí)間。

與LLS-C2一樣，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間可以通過(guò)完全感知或部分感知交換芯片在前傳網(wǎng)絡(luò)中傳播。在某些情況下，DU可以作為T-BC參與將時(shí)間傳遞給RU的過(guò)程。

配置LLS-C4

配置LLS-C4是四種拓?fù)渲凶顑?yōu)先采用且最容易實(shí)現(xiàn)的，但可能也是成本最高的一種。在此配置中，RU會(huì)從用作每秒脈沖數(shù)（PPS）時(shí)鐘的GNSS處獲取時(shí)間，或從位于同一位置的PRTC/T-GM處獲取時(shí)間。5G NR站點(diǎn)的龐大數(shù)量以及GNSS天線的嚴(yán)苛位置要求可能會(huì)使該配置的部署變得成本高昂或不切實(shí)際。此外，無(wú)線電站點(diǎn)的GNSS還可能更容易受到欺騙或干擾，這可能會(huì)造成正常運(yùn)行的中斷。

設(shè)備設(shè)計(jì)

和網(wǎng)絡(luò)部署一樣，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的同步設(shè)計(jì)也需要適當(dāng)?shù)囊?guī)劃和設(shè)計(jì)工作。為了符合網(wǎng)絡(luò)同步限制要求，設(shè)備會(huì)將時(shí)間戳工具、高級(jí)鎖相環(huán)（PLL）、可靠的PTP支持軟件和精密振蕩器（圖3）搭配使用。

圖3.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備會(huì)將PTP軟件、系統(tǒng)同步器、PLL和時(shí)間戳工具搭配使用。

設(shè)計(jì)的第一個(gè)關(guān)鍵部分是系統(tǒng)同步器，該器件由多個(gè)高級(jí)PLL組成。同步器可為SyncE時(shí)鐘提供抖動(dòng)和漂移濾波、輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘監(jiān)視、無(wú)損傷參考時(shí)鐘切換以及用于精細(xì)PPS/PTP時(shí)鐘控制的數(shù)控振蕩器。PLL還可提供能夠直接鎖定到PPS時(shí)鐘源的帶寬。

精確的時(shí)間戳工具、PTP軟件和高級(jí)算法將管理PTP流量，并提供準(zhǔn)確跟蹤T-GM相位和時(shí)間所需的調(diào)諧計(jì)算。最后，精密振蕩器對(duì)于確保獲得適當(dāng)?shù)谋３趾驼w性能參數(shù)起到至關(guān)重要的作用。

這些構(gòu)件對(duì)于DU、RU以及任何參與定時(shí)分配的交換芯片而言都是相同的。功能模塊的實(shí)際實(shí)現(xiàn)可能會(huì)因具體用例的不同而有所差異。例如，精密振蕩器可能會(huì)因每個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素的保持要求不同而變化。DU需要更高的穩(wěn)定性，且必須支持比RU更長(zhǎng)的保持時(shí)

間。因此，RU設(shè)計(jì)可以選擇更高端的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）或恒溫控制晶體振蕩器（OCXO），而DU則可能會(huì)使用更加昂貴的OCXO。

改善定時(shí)延遲

可以采用多種技術(shù)中的任意一種來(lái)提高一臺(tái)設(shè)備的整體時(shí)間精度。這些技術(shù)包括基本設(shè)計(jì)項(xiàng)目（例如將時(shí)間戳工具盡可能靠近設(shè)備邊緣放置）以及用于系統(tǒng)內(nèi)相位管理的更為復(fù)雜的系統(tǒng)校準(zhǔn)。使用SyncE（或更具體地說(shuō)，使用G.8262.1中定義的增強(qiáng)型同步設(shè)備從時(shí)鐘（eEEC））可以提供穩(wěn)定的頻率參考，從而極大提升混合配置中的整體相位性能。

當(dāng)與MACsec等安全協(xié)議搭配使用時(shí)，請(qǐng)注意確保加密/解密幾乎或完全不會(huì)為時(shí)間戳功能增加延時(shí)。應(yīng)當(dāng)正確設(shè)計(jì)和選擇高級(jí)算法的性能以及精密振蕩器的穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)所需的性能。對(duì)于更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，確保PPS時(shí)鐘分配中所涉及的所有定時(shí)組件能夠最大限度減少輸入到輸出延時(shí)變化和輸出到輸出偏差，對(duì)于滿足最嚴(yán)格的設(shè)備限制要求來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。一些同步器能夠利用校準(zhǔn)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)精細(xì)的相位控制測(cè)量與調(diào)整。此外，還可以對(duì)精密振蕩器的溫度和老化所引起的相位誤差進(jìn)行額外補(bǔ)償?？梢允褂蒙鲜霾糠只蛉糠椒▉?lái)確保設(shè)備符合時(shí)間和精度限制要求。

最初，農(nóng)村和私有綠地網(wǎng)絡(luò)一直是部署開(kāi)放式RAN的理想起點(diǎn)。隨著越來(lái)越多的宏部署開(kāi)始上線，提供高精度的網(wǎng)絡(luò)同步開(kāi)始對(duì)實(shí)現(xiàn)超低延時(shí)應(yīng)用和高級(jí)無(wú)線電技術(shù)所需的性能有了極其重大的意義。