Синхронизация спутниковых часов Beidou (сервер времени NTP) помогает в построении сети 5G

Синхронизация спутниковых часов Beidou (сервер времени NTP) помогает в построении сети 5G

введение

Строительство сети 5G полностью завершено, и сеть синхронизации, как базовая сеть поддержки, играет очень важную роль в обеспечении качества сети и развития бизнеса. По сравнению с системами 4G, 5G предъявляет более высокие требования к точности синхронизации, более строгие требования к надежности и более сложным сценариям применения. В дополнение к базовым требованиям к синхронизации систем TDD, 5G также предъявляет требования к межстанционному сотрудничеству, CA/CoMP/MIMO и т. д. Технология выдвигает требования к точности уровня 100 нс для синхронизации времени. Для промышленных приложений, таких как высокоточное позиционирование, Интернет транспортных средств и интеллектуальное производство, точность синхронизации времени достигает 10 нс. Существующая сеть синхронизации не может полностью удовлетворить потребности синхронизации в эпоху 5G. В этой статье анализируются потребности синхронизации времени 5G и ключевые технологии высокоточной синхронизации времени 5G, а также предлагается сетевое решение для 5G для осуществления высокоточной синхронизации времени. .

1. Требования к синхронизации времени 5G

1.1 Базовые требования к синхронизации 5G такие же, как и у 4G.

Базовая синхронизация времени является общим требованием для систем беспроводной связи TDD. Поскольку верхняя и нижняя модели базовых станций TDD имеют одинаковую частоту, во избежание помех между сигналами восходящей и нисходящей линии связи между базовыми станциями требуется строгая фазовая синхронизация. моменты времени для переключения восходящей и нисходящей линий связи являются согласованными. Требования к синхронизации для базовых услуг 5G TDD такие же, как и для базовых услуг 4G TDD, оба составляют ±1,5 мкс.

1.2 Совместное усовершенствование 5G требует более точной синхронизации

Улучшение межсайтового сотрудничества позволяет отправлять и получать данные одного пользователя через разные AAU, а пользователи могут комбинировать несколько сигналов в перекрывающихся зонах покрытия для улучшения пропускной способности. Разница во времени между сигналами от разных ААУ должна отвечать определенным требованиям, иначе их невозможно объединить. В соответствии с техническими требованиями 3GPP TS 38.104V15.00 (2017-12) различные типы требований к совместному расширению показаны в таблице 1.

Таблица 1. Различные типы требований к совместной расширенной синхронизации для 5G

Чтобы получить лучшее качество сети и качество обслуживания, в системах 5G будут более широко использоваться такие технологии, как CA/CoMP/MIMO, что выдвигает требования к синхронизации сети 100 нс или даже выше.

1.3 Некоторые новые сервисы требуют сверхточной синхронизации времени

Большое количество новых приложений в вертикальных отраслях 5G все еще находится на стадии стандартного улучшения и отраслевой инкубации. Различные сценарии приложений также имеют большие отклонения в требованиях к синхронизации и все еще находятся на стадии исследования. На текущем этапе исследований видно, что потребность в синхронизации времени в таких приложениях, как услуги высокоточного позиционирования, Интернет транспортных средств и интеллектуальное производство, достигнет уровня 10 нс. Например, в технологии позиционирования базовой станции, основанной на времени прибытия и разнице во времени прибытия, точность синхронизации линейно связана с фазовой ошибкой времени между базовыми станциями. Точность позиционирования, соответствующая ошибке синхронизации 1 нс, составляет около 0,3–0,4 м, ошибка синхронизации, соответствующая точности позиционирования 3 м, составляет около ± 10 нс, а ошибка синхронизации, соответствующая точности позиционирования 1 м, составляет около ± 3 нс. .

1.4 Высокоточная синхронизация времени 5G требует поддержки наземной сети синхронизации.

В эпоху 4G беспроводные сети в основном используют базовые станции для установки спутниковых приемников для получения сигналов синхронизации через GNSS. Сети наземной синхронизации в основном используются для удовлетворения потребностей в синхронизации сетей передачи, базовых сетей, сетей передачи данных и других сетей. По сравнению с эпохой 4G потребность сети 5G в сети синхронизации претерпела следующие новые изменения.

а) Более высокие требования к точности: некоторые приложения для совместной работы по усовершенствованию сети и отраслевые приложения предъявляют требования как к синхронизации на уровне мкс, так и к синхронизации на уровне нс. Трудно полностью удовлетворить эти требования путем непосредственного получения синхронизации одной станции через обычные спутниковые приемники.

б) Сценарии синхронизации более сложны: базовые станции 5G имеют большую плотность, а также увеличится количество внутренних базовых станций. Будет большое количество закрытых площадок, метро, ​​туннелей и других сценариев, где сложно получить спутниковые сигналы. .

в) Требования к безопасности и надежности сети синхронизации более строгие: раньше спутниковая приемная система сильно зависела от системы GPS США, и существовали риски для безопасности. Комплексное обновление приемной системы Beidou потребовало бы огромных инвестиций. Даже если используется спутниковый прием и синхронизация на базе Бэйдоу, все равно возникают ситуации, когда спутниковым сигналам мешают. Например, чтобы защитить основные спортивные мероприятия и предотвратить полеты частных дронов в воздушном пространстве в зоне деятельности, город использует технические средства. средства обнаружения сигналов спутникового позиционирования в зоне деятельности. В результате спутниковый прием базовых станций в этом районе также нарушается, что серьезно влияет на бизнес.

Ввиду вышеизложенных причин развертывание высокоточных сетей наземной синхронизации в эпоху 5G имеет большое значение для повышения стабильности и надежности сети, а также улучшения возможностей поддержки развития бизнеса.

2. Ключевые технологии высокоточной синхронизации времени 5G

Как видно из предыдущего анализа, 5G выдвигает новые требования к точности и надежности синхронизации времени. Существующая на земле технология высокоточной синхронизации времени представляет собой в основном сеть синхронизации времени на базе 1588v2, которая может удовлетворить базовым требованиям. Для беспроводных услуг 5G требуется точность 1,5 мкс, но требования синхронизации порядка 100 нс или даже 10 нс требуют новых технологий и поддержки сети. Из общей модели сети синхронизации времени (см. рисунок 1) видно, что для достижения высокоточной синхронизации времени требуется сквозное улучшение и оптимизация от источника синхронизации до конца, используя различные технические средства для совместно повышать точность синхронизации, быстрое развертывание сети синхронизации и возможности интеллектуального управления. Основные ключевые технологии включают технологию высокоточного источника синхронизации, технологию высокоточной передачи синхронизации, технологию высокоточного мониторинга синхронизации, интеллектуальную технологию работы и обслуживания часов, и т. д.

Рисунок 1. Общая модель сети синхронизации времени

2.1 Технология высокоточного источника синхронизации

Реализация источников высокоточной синхронизации неотделима от технологии спутниковой синхронизации. Для повышения точности источника синхронизации можно использовать технологию двухчастотного приема и метод общего видения спутников.

Технология двухчастотного приема: спутниковая приемная часть оказывает наибольшее влияние на точность синхронизации. По сравнению с одночастотными приемниками двухчастотные приемники могут одновременно принимать два несущих сигнала одной спутниковой системы (например, GPS L1, L2 или Beidou). (B1, B2) с помощью определенного алгоритма можно эффективно устранить влияние ионосферы на задержку сигналов электромагнитных волн, тем самым улучшая точность синхронизации спутников.

Метод общего обзора спутника: этот метод в настоящее время является одним из основных методов сравнения часов на больших расстояниях и одним из основных технических средств сотрудничества между подразделениями Международного атомного времени. Его погрешность сравнения времени может быть лучше 10 нс. Спутниковое общее видение использует тот факт, что навигационные спутники находятся далеко от Земли и имеют широкий охват, и используют их в качестве промежуточных средств сравнения. Они устанавливают приемное оборудование в двух местах на земле, требующих времени для сравнения, и наблюдают одно и то же. спутника одновременно путем обмена данными. Компенсируйте влияние промежуточных источников и их типичные ошибки для достижения высокоточного сравнения. Технология общего видения спутников является относительно зрелой и имеет хорошую производительность, но она не может развертывать приложения независимо. Она требует совместной работы главных и подчиненных станций и настройки каналов передачи данных для взаимодействия данных.

Принимая во внимание сложность, стоимость и зрелость двух вышеупомянутых технологий, рекомендуется использовать спутниковую двухчастотную технологию для удовлетворения требований к высокоточному источнику синхронизации на текущем этапе. для повышения производительности текущего источника синхронизации сетевого времени. Централизуйте мониторинг и рассмотрите возможность его применения к оборудованию источника высокоточной синхронизации после того, как сеть общего видения станет зрелой.

2.2 Технология высокоточной синхронной передачи

В соответствии с рекомендациями «Белой книги по архитектуре несущей сети и техническим решениям 5G», выпущенной Группой продвижения IMT-2020 (5G), для базовых услуг 5G и некоторых совместных услуг с требованиями синхронизации ±1,5 мкс метод распределения индикаторов может быть следующим: найдено в национальном отраслевом стандарте YD/T 2375-2011 «Технические требования к высокоточной синхронизации времени», исходная часть составляет ±150 нс, несущая часть — ±1000 нс (30 скачков), а часть доступа — ±250 нс. Для услуг порядка ±300 нс предварительно рекомендуемый план распределения составляет ±30 нс для исходной части, ±200 нс (20 скачков) для несущей части и ±50 нс для части доступа.

В настоящее время 1588v2 развернут в крупномасштабных приложениях в домашних несущих сетях 4G. Текущая точность временной синхронизации передающего оборудования, поддерживающего 1588v2, составляет ±30 нс по сравнению с вышеуказанными требованиями при передаче между междугородними и многоканальными сетями. прыжковых узлов, точность явно не может удовлетворить потребности 5G. Чтобы повысить точность одного узла, 1588v2 необходимо оптимизировать по следующим аспектам.

а) Положение штамповки должно быть как можно ближе к физическому интерфейсу, чтобы уменьшить ошибку полустатической задержки и ошибку динамической задержки внутри оптического модуля.

б) Повысьте точность штамповки, увеличьте тактовую частоту штамповки или используйте другие методы для улучшения разрешения штамповки.

в) Улучшить точность синхронизации системных часов реального времени (RTC – Real Time Clock) и повысить точность синхронизации между RTC внутри системы.

г) Выберите высококачественный кварцевый генератор, чтобы улучшить стабильность местных часов.

Учитывая, что существующая сеть 1588v2 была развернута в больших масштабах, повышение точности за счет оптимизации на основе существующей конфигурации способствует быстрому развертыванию сетей высокоточной синхронизации времени 5G. Технический принцип 1588v2 определяет, что он подвержен асимметрии волокон во время развертывания. При развертывании сетей синхронизации времени 5G рекомендуется использовать одноволоконные двунаправленные методы.

Для требований к точности 100 нс и выше повышения точности одного узла уже недостаточно. Можно рассматривать решение о снижении источника синхронизации для повышения точности синхронизации за счет уменьшения количества переходов.

2.3 Технология высокоточного синхронного мониторинга

Методы синхронного мониторинга в целом можно разделить на две категории: абсолютный мониторинг и относительный мониторинг. С точки зрения конкретных методов реализации их можно разделить на внешние методы и встроенные методы.

Внешние методы позволяют обеспечить абсолютный контроль качества синхронизации, включая внешние датчики и методы общего спутникового наблюдения. Метод внешнего зонда развертывает внешние зонды по требованию в сети синхронизации 5G. Зонды получают привязку абсолютного времени через Глобальную навигационную спутниковую систему (GNSS), отслеживают синхронные выходные сигналы конечных устройств сети, а затем отправляют результаты мониторинга на. центр управления сетью для мониторинга производительности синхронизации всей сети в режиме реального времени. Метод общего обзора со спутника развертывает главную станцию ​​общего обзора и ведомую станцию ​​общего обзора в соответствующих местах сети, использует прием общего обзора в качестве среды и обменивается данными для получения ведомой станции общего обзора (т. е. контролируемой точки). и главную станцию ​​общего вида (т. е. удаленную опорную точку). Результаты сравнения между эталонными показателями, такими как абсолютные эталонные отметки, прослеживаемые до UTC, обеспечивают абсолютный мониторинг производительности контролируемой точки.

Встроенный метод осуществляет мониторинг производительности синхронизации с помощью встроенных функций, то есть использует возможности мониторинга производительности синхронизации самого сетевого оборудования для достижения относительного мониторинга производительности синхронизации, который в основном включает в себя мониторинг главного-подчиненного и мониторинг пассивного узла на кольце. . Мониторинг «ведущий-подчиненный» означает, что ведомое устройство контролирует свою собственную синхронизацию во время синхронизации с главным тактовым устройством (главным). С помощью различных методов статистики и анализа временной метки ведомого порта (T1, T2, T3, T4) и рассчитанного значения временного смещения (Offset) можно достичь относительного мониторинга производительности синхронизации. Пассивный мониторинг узлов на кольце использует пассивные узлы для сравнения данных синхронизации на стороне синхронизации и на стороне несинхронизации для обеспечения мониторинга.

2.4 Технология развертывания, эксплуатации и обслуживания интеллектуальных часов

В настоящее время в сети меньше синхронного сетевого оборудования, чем у другого профессионального оборудования, а масштабы расширения и инвестиции ограничены. Различные производители не вложили достаточных средств в улучшение функций сети синхронизации и инвестиции в исследования и разработки. сети синхронизации имеет плохие возможности для поддержки развертывания, эксплуатации и обслуживания бизнеса. Системы OMC различных производителей в настоящее время имеют недостаточные возможности северного интерфейса и не могут реализовать централизованный мониторинг. Управление сетью синхронизации в настоящее время может управлять только самим сервером сети синхронизации и не может выполнять управление сигналами тревоги, производительностью, ресурсами и т. д. для сигналов синхронизации. элементов бизнес-сети; синхронизация сетевых портов и синхронизации. Соответствующие взаимоотношения между службами неясны, а унифицированное управление сетью отсутствует. Для сетей синхронизации, ориентированных на 5G, необходимо улучшить возможности управления, контроля, эксплуатации и обслуживания.

Технология интеллектуальных часов на уровне управления может обеспечить поддержку эксплуатации и обслуживания сетей синхронизации сверхвысокой точности. Архитектура и основные функции интеллектуальной системы управления и контроля часов показаны на рисунке 2. Ее основными функциями являются:

a) Функция автоматического планирования сети синхронизации: вычисляет и планирует основные и резервные пути синхронизации для всех или выделенных элементов сети, сокращая нагрузку на настройку вручную и избегая ошибок конфигурации.

б) Функция графического динамического запроса статуса синхронизации: она может отображать сквозное соединение и состояние узла сети синхронизации от источника до приемника в реальном времени, соединять различные дисциплины и представлять общее представление о состоянии сети синхронизации.

в) Синхронная настройка, а также функции обнаружения и анализа текущего состояния: реализуйте интеллектуальное распределение бизнеса и сократите необходимость ручной настройки. Анализируйте конфигурацию синхронизации, обнаруживайте риски конфигурации, такие как петли синхронизации и нарушения количества переходов, и создавайте отчеты об обнаружении. Он имеет возможности синхронного подавления сигналов тревоги и анализа основных причин, а также выполняет анализ и определение основных причин сигналов тревоги на основе статуса отслеживания и другой информации.

d) Интеллектуальная функция восстановления после сбоев: при наличии нескольких сбоев в сети синхронизации и выходе из строя основных и резервных часов выполняется анализ пути и автоматическое восстановление для решения проблемы рассинхронизации часов во всей сети.

e) Мониторинг и анализ производительности синхронизации в реальном времени: Мониторинг производительности сети синхронизации в реальном времени с использованием пассивного порта каждого кольцевого устройства для мониторинга сравнения производительности по времени и анализа асимметрии.

Рисунок 2. Принципиальная схема интеллектуальной системы управления и контроля часов.

3. Сетевое решение синхронизации времени 5G.

3.1 Сетевая модель высокоточной синхронизации времени

Сеть высокоточной синхронизации времени 5G соответствует архитектуре сети синхронизации 1588v2, используемой в настоящее время в 4G. Городская сеть настроена с двумя комплектами оборудования частотно-временной синхронизации (ePRTC), одним главным и одним резервным. по разным офисным адресам в главном компьютерном зале городской сети для синхронизации. Сигнал подается от передающего оборудования базового уровня. Технология синхронной передачи использует SyncE(O)+PTP. Элемент несущей сети устанавливается на BC. Модель Количество элементов сети БК в канале передачи времени несущей сети не превышает 20. Общая архитектура развертывания представлена ​​на рисунке 3. .

Рисунок 3. Общая архитектура развертывания синхронизации сети синхронизации 5G

Для сверхвысокой точности синхронизации, составляющей 100 нс или выше, необходимо принять решение о приеме источника синхронизации, чтобы уменьшить количество узлов канала синхронизации и удовлетворить требования к точности синхронизации. Архитектура развертывания режима приемника источника синхронизации показана на рисунке 4. В соответствии с потребностями бизнеса городская сеть настраивается с использованием нескольких устройств частотно-временной синхронизации (PRTC+), которые вводятся из оборудования агрегации/доступа для удовлетворения потребностей региональной синхронизации. Технология синхронной передачи использует SyncE(O)+PTP, а элемент несущей сети настроен на модель BC. Исходное оборудование синхронизации с приемником (PRTC+) может взаимодействовать с оборудованием ePRTC, развернутым в главном компьютерном зале городской сети, для обеспечения мониторинга производительности и вспомогательных функций синхронизации для повышения стабильности и надежности сети синхронизации. Это решение позволит увеличить количество устройств синхронизации в больших масштабах. Рекомендуется развертывать его в небольших масштабах в областях с особыми потребностями и не подходит для крупномасштабного применения во всей сети.

Рисунок 4. Архитектура развертывания режима источника синхронизации источника синхронизации 5G.

3.2 План развертывания системы OTN

В транспортной сети 5G для транзитных участков на большие расстояния часто существует сценарий SPN/IPRAN через OTN, временная передача которого делится на внеполосный режим OSC и внутриполосный режим ESC. Режим OSC использует канал OSC для передачи информации о времени/часах (см. рисунок 5). При наличии управления OSC можно получить информацию о времени/часах, синхронизированную по всей сети. Поддерживает ли используемая в данный момент линейная карта 1588, это не влияет на передачу OSC. Режим ESC использует служебные данные OTN линейной платы для передачи информации о времени/часах (см. рисунок 6). Никакой дополнительной аппаратной конфигурации не требуется, и нет ограничений по расстоянию. Пока существуют бизнес-узлы в восходящем и нисходящем направлениях, время/часы. информация может быть синхронизирована по всей сети. Точность режима OSC выше, чем у режима ESC. Рекомендуется развернуть режим OSC в системе OTN и использовать одноволоконный двунаправленный оптический модуль, чтобы избежать ошибок, вызванных асимметрией отправляющего и принимающего оптических волокон. .

Рисунок 5. Метод внеполосной передачи часов/времени OSC

Рисунок 6. Метод внутриполосной передачи часов/времени ESC

3.3 План развертывания системы SPN

China Mobile использует технологию SPN для построения транспортной сети 5G. В соответствии с требованиями «Технических спецификаций оборудования китайской мобильной сети пакетной обработки (SPN)» оборудование SPN должно поддерживать синхронизацию частоты Ethernet, восстановление тактового сигнала службы CES/CEP и функции синхронизации времени. . Оборудование SPN должно поддерживать сверхточную временную синхронизацию посредством PTP, а максимальное отклонение времени каждого скачка оборудования SPN max|TE| составляет менее 5 нс. Если устройство SPN имеет возможности DWDM, PTP должен поддерживать передачу через одноволоконный двунаправленный канал OSC. Если устройство SPN не настроено с использованием DWDM, PTP должен передаваться через интерфейс FlexE или интерфейс Ethernet. Оборудование SPN должно поддерживать отправку, получение и обработку сообщений PTP через порты Ethernet, такие как интерфейсы FE, GE, 10GE, 25GE, 40GE, 50GE, 100GE, 200GE, 400GE и FlexE, такие как протокол сообщений PTP 50GE, 100GE, 200GE и 400GE. Формат и обработка должны соответствовать требованиям «Спецификации интерфейса синхронизации времени сверхвысокой точности для мобильных устройств Китая».

Решение для синхронного развертывания системы SPN соответствует существующему режиму системы PTN. Существует два решения: одноволоконный двунаправленный и одноволоконный двунаправленный режим. Двунаправленный режим с одним волокном может решить проблему асимметрии отправляющих и принимающих оптических волокон. Учитывая, что система SPN выше уровня агрегации в основном соединяет порты выше 100GE, в настоящее время не существует одноволоконных двунаправленных оптических модулей выше 100GE. Чтобы сэкономить слоты обслуживания оборудования и ресурсы портов, China Mobile требуется оборудование уровня базовой агрегации SPN в SPN. технические характеристики оборудования. Поддерживает 2 выделенных оптических интерфейса GE для синхронизации, которые можно использовать для построения кольца синхронизации. Однако применяемое в настоящее время оборудование SPN еще не имеет этого выделенного интерфейса синхронизации. Все равно необходимо настроить дополнительные сервисные порты 10GE или GE и использовать одноволоконные двунаправленные оптические модули для формирования кольца синхронизации. Схема развертывания SPN показана на рисунке 7.

Рисунок 7. Принципиальная схема плана развертывания сети синхронизации системы SPN.

4. Заключение

Являясь важной базовой сетью поддержки в сетях связи, сети синхронизации играют жизненно важную роль в стабильности и надежности различных бизнес-сетей. В настоящее время проведено крупномасштабное развертывание сетей 5G, и мы уделяем внимание планированию и использованию. построение беспроводных сетей, опорных сетей, транспортных сетей и других сетей. В то же время развертывание сети синхронизации также должно привлечь достаточное внимание. В этой статье проводится предварительное исследование схемы развертывания сети синхронизации 5G путем анализа требований к синхронизации времени 5G и ключевых технологий для реализации высокоточной синхронизации времени, в надежде предоставить некоторые ценные справочные идеи для планирования и построения сети 5G. Благодаря постоянному расширению вертикальных отраслевых приложений 5G исследования в области высокоточной синхронизации в будущем будут продолжать углубляться.