定時和同步曾經是常規的網路功能，但隨著行動網路和回程技術的演進，它們的要求正在迅速變化。尤其在4G網路架構下，電信營運商更須仰賴新一代IEEE 1588精確時間協議和/或同步乙太網路標準下的非同步乙太網回程網路，方能順利解決傳送頻率同步的問題。
分時雙工長程演進計畫(LTE-TDD)和先進長程演進計畫(LTE-Advanced)已帶來全新且非常嚴格的時間和相位同步要求。隨著小型蜂巢基地台(Small Cell)的出現，電信營運商更開始混合使用幾種新增的回程網路(Backhaul Network)技術；同時，更嚴格的相位定時和用於小型蜂巢基地台的全新回程技術，已將蜂巢基地台同步問題推至技術發展的最前線。
本文回顧用於LTE-TDD、LTE-A和回程網路定時、同步的要求和挑戰，也考慮須解決的問題，並提出正被研議和開發的解決方案。雖然每一部分都能輕易成為另一技術文章的主題，可更深入地進行論述，但本文僅聚焦於網路定時和頻率同步的技術探討。
LTE-TDD/LTE-A激發精準定時/同步技術需求
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| 圖1 LTE網路頻率、相位和時間同步的關係 |
定時和同步是數位網路運行的根本。在以往，電信商只要採用相對容易的頻率同步就可以實現，現在，LTE-TDD和LTE-A技術增加對相位和時間的要求，圖1可協助理解其中的不同。
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| 圖2 LTE網路準確性和精確度示意圖 |
有關定時和同步的討論經常會提到準確性和精確度，在許多情況下，在上下文中的不同並不重要，然而，為讓工程師更完整理解其差異，圖2為一個「擊中目標中心」的比喻，可解釋網路同步準確度和精確度的意涵。
電信營運商的網路建基於非常精確和準確的主基準時鐘(Primary Reference Clocks, PRC)性能，實現必要的精確度和準確性。在幾乎所有情況下，該基準來自全球導航衛星系統(GNSS)(包含GPS、GLONASS或北斗)傳送的訊號。高品質GNSS接收器獲取頻率並根據衛星訊號計算時間，然後同步設備把這些資料作為網路定時的基準參考。最佳的定時和同步設備還將使用額外的頻率輸入，比如同步乙太網(Synchronous Ethernet, SyncE)或E1/T1訊號，使解決方案能夠更快集中到精確和準確的時間上，並在GNSS訊號受損或短暫中斷時改善保持性能。
在LTE-TDD和LTE-A網路中，時間和相位基準必須追溯至協調世界時(Coordinated Universal Time, UTC)。ITU-T G.8272定義基準主時鐘(Primary Reference Time Clock, PRTC)的要求，就是基於建立已久的主基準時鐘標準和用於頻率同步的主基準源(Primary Reference Sources, PRS)相比的時間和相位。
若沒有共同的UTC時間基準，蜂巢基地台(Cell Site)將無法按預期運行。須注意的是，SyncE僅僅是一個頻率基準，不能被PTP時鐘(如邊界時鐘)做為主時間基準使用。
2G、3G和LTE分頻雙工(LTE-FDD)行動技術，只要求頻率同步的準確度，在無線電介面上應在十億分之五十以內。為滿足該要求，在基地台介面至回程網路上規定頻率同步準確度應為16ppb。LTE-TDD和LTE-Advanced業務有著與前幾代同樣的頻率準確度要求，但也規定相位和時間要求，如表1提供各種標準同步要求的總結。
LTE-Advanced標準要求仍然在討論制訂中，雖然在2013年中並未達到共識，但當時該要求很可能視乎不同應用而為±1.5微秒(μs)或±5微秒；有些討論則顯示對於某些應用情況可能需500奈秒(ns)的水準。LTE-A涵蓋多種技術而非單一技術，由於並不是所有特性都會在任何地方部署，因此在現實世界的要求會有所不同，表2即勾勒當標準完成時的狀態。
住宅和企業小型蜂巢基地台(也稱為毫微微型基地台(Femtocell))的不同之處，是使用寬頻網際網路存取服務做為其回程網路，正因如此，它們沒有包括在本文描述的解決方案中，而本文主要是針對在行動回程網路上的分布與同步。這些蜂巢基地台通常使用精確度要求不太高的網路時間協定(Network Time Protocol, NTP)，空中介面(Air Interface)的頻率準確度要求為100～250ppb。
同步失效將影響LTE-TDD全網品質
投資建設小型蜂巢基站和LTE網路主要是為增加容量和覆蓋範圍，當網路同步失效時，這兩個目的就無法達成，如表3展示「累積」出錯情形。須注意的是，需求和影響是持續累積的，也就是表3所述的需求和影響最終都會加總在一起。
為此，增強型小區間干擾協調(Enhanced Intercell Interference Coordination, eICIC)技術遂應運而生，其完全取決於分散式時間的準確性，在LTE-TDD和LTE-A網路中，eICIC使小型蜂巢基地台能相互合作，並與重疊的大型蜂巢基地台合作運行。蜂巢基地台如果在錯誤的時間進行傳輸，將在其覆蓋範圍內干擾其他基地台的訊號，導致整個頻譜無效和更廣泛的服務降級；相較之下，在只要求頻率同步的網路中，不符合標準(Out-of-spec)的定時僅僅影響失效基地台的範圍。
GNSS定時/同步技術面臨布建環境挑戰
現階段，可滿足LTE-TDD和LTE-A網路嚴格相位和時間同步要求的技術主要有三種：無處不在的GNSS、完全On-path支援的PTP，以及部分On-path支援和/Edge Grandmaster的PTP，每種解決方案都各有優點和缺點，以下將依序探討。
一個看似比較簡單的方法就是在每一個行動基地台部署GNSS接收器。GNSS接收器可以是一台單獨設備或者嵌入到基地台中，還可以嵌入或與支援基站同步傳送的鄰近蜂巢基地台路由器(Cell Site Router, CSR)，以及網路周邊設備(Network Interface Device, NID)混用。
最具代表性的就是使用PTP，雖然簡單直接，但這種方法在經濟或技術考量上，並非在每一個地點都可付諸實行，而且它還會使得基地台容易受到GNSS訊號的干擾。
經濟或技術可行性的挑戰對於公共接入小型基地台是最為明顯的。這些小型蜂巢基地台包括Metrocell、微型蜂巢基地台(Microcell)和微微型蜂巢基地台(Picocell)，各國主要電信商皆已計畫在需要更高容量或更大覆蓋範圍的地方布建上述基地台方案。
不過，許多(也許大部分)環境都無法輕易獲得GNSS訊號，尤其蜂巢基地台可能設在室內，例如在運動場、音樂會場、購物中心或辦公大樓內，那裡衛星訊號無法到達，且無法連接至遠端天線；同時，戶外安裝位置也存在問題，如城市、峽谷，且小型基地台必須安裝接近地面，因此對高空的可見度有限。
這些安裝在高樓陰影下的基地台，無法跟蹤或鎖定多個須用來進行精確時間計算的衛星訊號。其他具有安裝問題的地區還包括隧道和地下通道，乃至城市公園和沿途有樹的街道，那裡茂密的枝葉也會使衛星訊號衰減到低於接收器靈敏度等級。
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| 圖3 每一個基地台、蜂巢基地台路由器或NID採用GNSS接收器架構圖 |
雖然小型基地台設備產品的定價模式還在形成，但可合理假設，將會有一個整合GNSS接收器和天線的成本，由每一個已經安裝的小型基地台來共同承擔的成本。雖然僅占基地台總成本的較小百分比，但GNSS安裝和維護也要計算進大型基地台(Macro Site)的資金和運行費用中。圖3所示的概念為，雖然單個GNSS接收器和天線並不昂貴，但大量的部署和持續進行的維護，說明這是一個經濟效益欠佳的選擇。
另一方面，GNSS訊號接收力弱的問題也愈來愈受到人們的關注，其訊號在地球表面非常弱，而且易受干擾，諸如全球衛星系統(GPS)干擾器/誘騙設備、大氣干擾、來自反射訊號的多徑效應、來自故障電子設備的輻射，或者不良天氣損壞天線設施，都是失效的常見原因。
這些弱點可透過在基地台中的銣(Rubidium)原子鐘導入高品質振盪器(Holdover Oscillator)來解決；但是，這對於小型蜂巢基地台而言，並不經濟可行。
選擇「無處不在的GNSS」的營運商在遇到不可行的情況時，亟需更好的解決方案，而且最佳實踐也表明須備份定時源，因此，對於每一家營運商來說，下面描述的網路傳送時間方案將具有重要的作用，不僅能做為主要的定時方案，亦可做為GNSS無法部署地區的替代源，或GNSS受損時的備分。
全面改良LTE同步設計 IEEE 1588再添PTP標準
IEEE 1588精確時間協議(Precision Time Protocol, PTP)是針對廣泛的工業和政府需求，在封包網路架構(Packet-based Network)上實現精確的時間和頻率傳輸而開發的。
IEEE 1588採用一個客戶機/伺服器架構來保持所有網路元件的精確同步。對於在其網域內的所有PTP客戶機來說，該伺服器(PTP母鐘(Grandmaster Clock))是主基準源，它不斷發出同步、跟隨和延遲回應資訊到它的所有客戶機中，利用封包網路架構，客戶機連續不斷地發送延遲請求資訊到伺服器來保持同步。使用時間標識封包，客戶機可確定頻率並計算正確時間，而該時間可追溯到母鐘的主基準。
IEEE標準經設計可廣泛用於為大量應用提供服務，為實現易於部署和設備互通性並滿足特定應用的要求，IEEE 1588-2008更引入應用組態(Profile)的概念。
應用組態規定PTP選項和屬性值的特定組合來支援指定的應用，例如一個應用組態可以規定2層或3層、單播或組播、資訊交換速率、以及是否需要on-path支援。
至於更進一步的「電信組態(Telecom Profile)」(ITU-T G.8265.1建議)方案，旨在將PTP應用在電信通訊系統(主要是蜂巢基地台)的頻率同步，ITU-T G.8275.1和G.8275.2仍然還在討論制訂中，未來可用於解決LTE-TDD和LTE-A的時間和相位同步問題。
PTP標準包括在整個網路中保持準確性的條款(包括封包時延變化(Packet Delay Variation)和不對稱性(Asymmetry)等規範)；邊界時鐘(Boundary Clock)是On-path支援的一個選擇，通常嵌入在網路單元中，在上游方向做為PTP用戶端設備，而在下游方向則是其他邊界時鐘和用戶端設備的母鐘，可利用補償交換延時並刷新PTP封包，幫助保持網路準確性，而且仍可追溯至配置主UTC基準參考的原始母鐘。
IEEE 1588還定義透明時鐘(Transparent Clock)做為一種支援整個網路的準確性的技術。目前，用於電訊行業的PTP組態並不提供透明時鐘，所以不需在這裡論述。
完全On-path支援可保持網路精確度和準確性
IEEE 1588-2008精確時間協議是已獲驗證的技術，用在封包回程網路上將同步資訊傳輸到要求頻率同步的行動網路單元，現階段，遵循G.8265.1標準PTP框架或準標準實施，已有數以百計的網路成功使用該技術。
一般來說，它使用集中式PTP母鐘(透過GNSS主基準來滿足G.8272 PRTC要求)部署，然後與行動網路單元中從子時鐘或客戶機軟體進行交互操作，使用戶端設備能夠確定頻率並計算時間。
使用現今頻率組態的PTP，很可能無法滿足LTE-TDD和LTE-Advanced嚴格的時間和相位準確度要求，因此ITU正在研擬新標準和新的應用組態，並能持續沿用IEEE 1588-2008所提供的能力。
舉例來說，ITU-T G.8275.1即是一種新的PTP組態標準，目前正在草擬階段，其能使跟蹤PTP母鐘的基站在經過多跳數後，仍然符合基地台嚴格的時間和相位要求。完全On-path支援可保持網路精確度和準確性，提供由嵌入到在主時鐘和用戶端設備之間路徑上每一個網路單元的邊界時鐘功能，這些單元包括所有交換機、路由器、微波無線電和NID等。
每一個邊界時鐘都包含一個PTP用戶端設備，能夠與其緊接的上游單元交互操作來恢復時間，然後充當PTP母鐘來為已連接的下游邊界時鐘或終端設備提供時間；而同步乙太網技術已包括在ITU研議的新標準中，有助實現更優異的頻率基準支援功能，但它並不是必需的。
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| 圖4 回程網路使用ITU-T G.8275.1應用組態來進行相位同步。 |
早期的發展經驗顯示，SyncE須包括在網路部署中，圖4是一個遵循G.8275.1 PTP組態的網路簡化描述，在每一個位置(即未開發地區(Greenfield))部署新網路回程設備的最佳環境，應該是完全On-path支援，但對於其他網路環境，它卻存在實際的缺點。
許多行動服務提供者並不擁有或可控制他們的回程網路，而獨立的協力回程網路提供商可能不願意去升級他們的網路單元以支援完全On-path，或可能會對行動網路營運者收取相應的費用才考慮網路升級。
即便有線網路和行動營運商屬於同一家公司，也要考慮全面升級、改造或更換的成本。由於精確定時已成為LTE網路演進中不可或缺，且更難以設計的元件，在無線和回程運行之間的關係中，應該包括同步服務層級協議(SLA)，並且在運行實踐中加入監測和報告。
在早期部署中，準標準ITU-G.8275.1使用第二層(Layer 2)群播技術。雖然這種做法在新的網路環境中可能不會出現問題，但許多營運商已實施針對更高層上MPLS和IP網路的網路政策，它們可能必須經由修改(和網路重新規畫)，才能實現第二層群播網路服務。
除此之外，PTP封包通過網路來往時出現封包時延變化或不對稱的狀況也是一大問題。雖然邊界時鐘可調整時間標識來補償網路單元中的時間駐留，包括可產生封包時延變化的封包處理、緩衝和排隊延遲，以避免在時間計算上引入了錯誤。
然而，邊界時鐘無法單獨補償路徑不對稱--即在母鐘和客戶機之間的上游和下游路徑的不同，當網路路徑的不對稱狀況發生時，將使用戶端設備的時間計算超出規範，須要營運商手動測量並輸入時間偏移調整來進行補償，並且每次路徑改變後都須進行調整。
封包時延變化和網路不對稱大幅影響服務品質
定時和同步是所有行動網路的根本，而隨著小型蜂巢基地台的部署且網路演進到LTE-TDD和LTE-A技術，兩者變得更為關鍵。回程網路的性能會大大影響PTP的定時準確性以及行動網路本身--影響服務品質和客戶滿意度。
最大的問題是封包時延變化，其表示從封包到封包的延遲與時間變化，封包延遲本身對時鐘準確性沒有影響，固定時間延遲允許PTP客戶機進行準確的時間偏差計算；然而，可變延遲會在PTP用戶端設備對主時鐘的時間感知產生雜訊，導致基於PTP封包中時間標識的時間計算發生變化。
當進行PTP封包處理、緩衝和列隊，以及有效負載流量通過網路交換機和路由器時，延遲會發生變化，並且會趨向與網路負載有關，而網路負載在本質上可以是高度不對稱的。隨著網路流量增加，延遲變化也很可能增加，此外，不對稱也可由網路的物理拓撲引入，因為封包向上游和下游方向行進時會改變和採用不同的路徑。
時間準確度受封包時延變化影響的程度和如何有效消除雜訊息息相關，而營運商在網路中部署的各個同步單元濾除雜訊的方式各有不同，嵌入式邊界時鐘僅在它的主交換機中，調整交換延遲變化，無法在其他網路交換機中調整變化或不對稱，也無法對網路路徑的不對稱進行補償；相較之下，採用GNSS基準的網路定時單元則可補償所有變化，包括網路路徑的不對稱。
比較來自集中式母鐘的PTP輸入和本地GNSS基準，當GNSS基準無法使用時，邊緣母鐘(Edge Grandmaster)可確定典型的偏差值，並應用它來提供出色的準確性，優秀的設計人員懂得為不同回程網路路徑進行多個補償，甚至可透過回程網路重組來繼續提供準確的性能。
總體來說，不對稱的來源包括：
1. 交換延遲變化：
2. 網路路徑變化：
部分On-path搭邊緣母鐘提高網路靈活性
針對設備已經部署完成，或在現實網路環境中更為可行的相位定時解決方案的需求，另一個PTP組態(G.8275.2)亦已提交至ATIS/ITU標準機構，其主要定義為：「新的應用組態應支援在現有已部署網路上的傳送時間和相位，並相容於G.8265.1定義頻率分布的PTP組態」。
雖然該提議還須經過大量的標準制定工作才能正式成為標準，但實際上，它已經可部署在現有網路中。簡單來說，此方法支援兩種解決方案，可單獨或組合使用為廣泛的網路場景提供最佳的同步架構。
「部分On-path支援」是指在網路中間位置高級的邊界時鐘，在可管理的乙太網網路中，很容易在所選的地點上安裝高級的邊界時鐘，並使基地台定時滿足規範。
此方法的關鍵是可以限制主時鐘和用戶端設備之間的跳數，以及主時鐘與用戶端設備之間路徑的不對稱。高級的邊界時鐘內置優質的振盪器，並可利用額外的輸入如SyncE和E1/T1電路作為頻率基準，維持高準確度的時間標識直到路徑中的下一個用戶端設備。
邊緣母鐘透過靠近用戶端設備的布建方式，以確保網路同步的準確性，從而減少跳數及回程網路的問題。邊緣母鐘包含GNSS基準，可滿足G.8272 PRTC標準要求，並執行許多現今普遍部署的類似集中式PTP母鐘設備功能；此外，電信商為更靠近網路邊緣的部署，亦可利用邊緣母鐘擴大規模並使成本最佳化。
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| 圖5 部分On-path支援和/或Edge Grandmaster部署的場景 |
圖5描述許多可利用部分On-path支援和/或邊緣母鐘部署來解決的網路場景。雖然其架構超出本文的探討主題，但值得注意的是，上述解決方案和圖5中所闡述的也可應用到2G、3G和LTE-FDD網路的頻率同步，這些網路也存在與回程網路性能和控制相關的許多相同問題。
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| 圖6 單個銣振盪器可為多個基地台提供保持性能擴展。 |
邊緣母鐘可能包含PTP輸入能力，在GNSS基準受損時，能讓PTP訊號與集中式母鐘交換，繼續做為精確時間基準。
在正常運行期間，邊緣母鐘將跟蹤GNSS計算和建基於採用集中式母鐘PTP計算之間的時間偏差。當GNSS丟失時，邊緣母鐘可將該偏差應用到PTP的計算上，並繼續提供一定程度的準確時間標識，而這是回程網路無法單獨支援的重要功能。
在這兩種高級PTP邊界時鐘和邊緣母鐘中，其額外功能可能包括採用頻率輸入如SyncE，或E1/T1做為一個外部參考輸入，並藉由導入更高品質的振盪器，比如小型銣(Rubidium)原子鐘，為所有連接的用戶端設備提供並保持較高的定時和同步性能，如圖6所示。
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| 圖7 Edge Grandmaster相互提供備分 |
定時和同步是LTE-TDD和LTE-Advanced網路運行的關鍵組成部分，因此保護該功能比以往任何通訊技術發展的時候都更重要。增強保持性能是一種保護方法，而由此架構實現的另一個方法就是，相對靠近邊緣母鐘可以相互備分(圖7)，而與之相反的，要求PTP客戶機採用集中式母鐘重新同步(Re-sync)的方法，可能由於跳數眾多而不可能實現精確定時。
整體而言，採用高級邊界時鐘的邊緣母鐘和/或部分On-path支援提供許多優勢：
LTE-TDD/LTE-A要求嚴格 新興網路同步技術加速崛起
綜合上述討論可發現一個重要且難以解答的問題是：「網路設計人員該如何部署LTE-TDD和LTE-Advanced同步網路？」這個問題並沒有一個簡單的答案，但可以確定的是，使用現今常用的典型「在回程網路上的傳送頻率同步」技術，將無法滿足相位和時間的嚴格要求，因此必須採用新的解決方案。
以下整理適合新一代LTE網路同步機制設計的考量，而正確答案則須取決於各個營運商網路要提供的服務類型與品質：
一旦設計人員了解技術限制和可行性，就可選擇合適的解決方案並對其相關成本進行評估。
簡單地到處部署GNSS接收器和天線，從經濟上和技術上來看，並不是在任何情況下都是可行的，而單獨的GNSS會使基地台暴露於衛星訊號系統的弱點下；也因此，使用IEEE 1588精確時間協定，以網路傳送時間為基礎的設計將成為每家行動網路營運商網路的一部分。
在新建網路中，每一個新的交換機和路由器都可包含SyncE和支援邊界時鐘，完全On-path支援是最可行的，但是支援網路路徑不對稱和同步保護仍然是一個問題。
邊緣母鐘的部署或高級的邊界時鐘則提供較高靈活性，適用於廣泛的網路場景；如提供同步保護解決方案，以及補償所有的交換機和路徑不對稱帶來的時延。
因應新興同步網路技術需求，美高森美(Microsemi)是行動網路PTP母鐘的重要供應商，可提供完整的技術資訊、測試結果、推薦最佳實踐、成本比較說明、設備論證、實驗室測試程式和網路同步檢查說明，協助營運商規畫適合網路的最佳同步分配架構。
(本文作者皆任職於美高森美)