5G網路技術在蜂巢網路行動營運商和LTE專用網路環境中的推廣力度不斷加大。5G新空中介面(New Radio, NR)採用分時雙工(Time Devision Duplex)技術，這項技術要求所有新空中介面部署相對於使用世界協調時間(UTC)全球導航衛星系統(GNSS)的授時源保持相位對齊，並確保準確度在+/-1.5μs範圍內。
網路營運商需要瞭解在5G授時架構中使用精確時間協定(PTP)進行使用網路授時所需的時間誤差抑制技術和虛擬主參考時鐘(vPRTC)的概念，這對於其制定合理的基礎設施決策至關重要。
5G前傳應用中使用PTP實現的基於網路的授時架構需要時間誤差分配工程，以確保授時要求得到支援，因為授時是基礎設施的關鍵組成部分。
在無線通訊中，與授時有關的最普遍問題是同通道無線電干擾。當接收機正確追蹤衛星時，在蜂巢網路基地台上部署的全球導航衛星系統(例如GPS、Galileo和北斗)接收機，能夠進行時隙傳輸分配，以防止相鄰或接近頻率的無線電相互干擾。在覆蓋範圍重疊的無線電叢集中，如果GNSS接收機發生故障或停止正確追蹤，則將導致連接到GNSS接收機的無線電與相鄰的無線電相互干擾，因為授時降級或積累了相位誤差。由於無線電使用低成本、低效能的振盪器(無線電設計目標之一就是透過使用規格較低的元件來降低成本)，因此授時降級會突然發生。
為了避免干擾問題，一旦授時開始降級，就需要立即停止使用無線電或關閉受授時降級影響的服務。為了減少這類故障情形，可以部署基於網路的PTP授時服務，在這種服務中，叢集中的無線電與整合了GNSS接收機的PTP主時鐘(Grandmaster)同步。如果PTP主時鐘中的GNSS發生故障或出現追蹤問題，同步到主時鐘的無線電將相對於相鄰無線電保持相位對齊，並且不會出現干擾問題。可以在PTP主時鐘中部署高品質振盪器，以在較長時間內保持與UTC的時間對齊，並納入基於PTP的備用方案，以協助在故障情形下維持UTC可追蹤時間。PTP主時鐘使用網路的授時服務方法非常靈活，且具有成本效益。它可在GNSS故障情形中提供無線電叢集相位對齊的額外好處，同時將GNSS部署到集中式存在點，可在其中為衛星星座設計安全而良好的視距。
圖1說明了使用乙太網路光學前傳技術實現的PTP到5G無線電叢集的分布，使用PTP提供使用網路式授時服務的業務和技術案例正迅速發展。
圖1 此圖顯示了具有主時鐘功能的全球導航衛星系統(GNSS)授時接收機，它是前傳架構中的分散式授時架構的一個示例。授時透過乙太網公共無線電介面(eCPRI)鏈路從主時鐘傳送到無線電
消減授時誤差以授時應用滿足5G要求
隨著授時及傳輸技術的發展和進步，它們為前傳應用的5G授時架構提供了增強功能和替代方案。本文導入虛擬主參考時鐘的概念，對這些概念進行了探究，並詳細說明了相關授時和傳輸技術及架構的一些優勢。
圖1所示架構為使用網路的PTP授時服務，這項服務利用了分散式GNSS授時接收機。與對PTP資料流程的全路徑支援相關的技術進步在交換機和其他設備中導入了新型邊界時鐘。此類時鐘可減小這些設備在使用PTP進行授時的路徑中產生的時間誤差。現在可以滿足5G應用的嚴格授時要求，如1.5μs或260奈秒(ns)，而毋需在5G無線電中的PTP用戶端附近使用GNSS授時接收機/PTP主時鐘功能。
將使用網路的PTP授時架構用於5G授時應用等高精度應用時，務必要確保消除或盡最大可能減少授時誤差來源，因為每一奈秒的時間誤差都有很大影響。與授時誤差抑制相關的方法以兩個概念為中心，這兩個概念是時間誤差預算分配工程的一部分。
第一個概念側重於GNSS時間源，它由GNSS授時接收機和PTP主時鐘功能組成。電信應用中用於授時的GNSS授時接收機稱為主參考時鐘(PRTC)。PRTC技術分為三類，取決於GNSS在追蹤和提取GNSS衛星星座的時間時保持相對於UTC的時間精度大小。PRTC A類要求PRTC A處於UTC的+/-100ns範圍內。UTC是正確追蹤時為GNSS衛星星座提取的時間參考。PRTC B類要求PRTC B在正確追蹤時處於UTC的+/-40ns範圍內。增強型PRTC(ePRTC)類要求ePRTC在正確追蹤時處於UTC的+/-30ns範圍內。ePRTC還具有與GNSS漏洞相關的額外要求，該要求增加了保持規範，即如果GNSS接收失敗或受到影響，ePRTC將保持在UTC的100ns範圍內至少兩周。這是透過將原子鐘參考與GNSS授時接收機功能部署在同一位置來實現的。ePRTC具有可學習原子鐘讀數和GNSS UTC參考之間偏移的學習演算法。如果參考不可用，這些演算法可以補償原子鐘的偏移，並延長UTC可追蹤時間的保持期限。
第二個概念側重於傳輸網路和設備，稱為全路徑支援。在全路徑支援模型中，PTP時間戳記不會流經使用GNSS的PRTC品質主時鐘和無線電單元(RU)中最終應用PTP用戶端之間路徑上的交換機和路由器。PTP時間戳記流在交換機入口點終止，並透過主時鐘功能在交換機出口點再生。這一過程稱為邊界時鐘(BC)功能，其目的是透過測量和補償由交換機的交換結構導入的時間戳記可變延遲來減小開關元件的時間誤差。隨著時間的推移，交換機內使用的BC技術不斷發展，進而允許在使用PTP實現使用網路的授時服務時減小授時誤差。
BC技術首次導入時採用單一分類，此分類定義了包含BC功能的交換機所允許的最大時間誤差。對於允許更低最大時間誤差的交換機，現在有多個BC分類，這些分類允許在網路中更遠的距離處部署基於GNSS的主時鐘功能，並且從RU中的PTP用戶端經過更多交換躍點。邊界時鐘功能可恢復來自PTP輸入的授時，屬於ITU標準G.8273.2中定義的電信時間次級/用戶端時鐘(T-TSC)範疇。邊界時鐘分類和T-TSC時間誤差功能以最大允許恆定時間誤差(cTE)為界，cTE是用單一數字表示的時間誤差平均值，可與精度規範相比較。請記住，BC技術允許減小交換設備的授時誤差，但不允許減小由於導入任何額外使用網路的不對稱性而導致的時間誤差。
表1描述了使用ITU標準的邊界時鐘/T-TSC分類和相關的cTE邊界。
虛擬主參考時鐘提高時間準確度
主參考時鐘和邊界時鐘功能的技術進步允許使用PTP實現基於網路的授時服務，以將授時服務的範圍從GNSS時間源擴展到終端RU應用(適用於距離和交換躍點數)，並保持超高精度以允許替代分散式GNSS授時架構，在GNSS架構中，GNSS時間源可以位於更靠近網路核心的中心位置。這一概念稱為虛擬主參考時鐘，可以透過乙太網路/資料封包交換或高密度分波多工器(DWDM)光傳輸網路進行工程設計。
vPRTC架構由三個部分組成。第一部分是具有PTP主時鐘功能的GNSS時間源，此時間源可達到PRTC B(+/-40ns)或ePRTC(+/-30ns)品質標準。對於GNSS漏洞問題和保持效能，建議ePRTC增加銫原子鐘並與GNSS授時接收機部署在同一位置，以提高GNSS接收機相對於UTC的授時精度，同時提供延長保持時間的能力，即在GNSS訊號中斷時，可以保持小於100ns(相對於UTC)至少兩周。
第二部分是網路本身以及GNSS時間源和終端RU PTP應用之間的網路傳輸架構。vPRTC的此傳輸段必須提供具有C類或D類邊界時鐘分類功能的全路徑支援，以便實現正確的時間誤差分配和抑制。
vPRTC的第三個部分是網路邊緣接入位置，其中PTP時間戳記流會傳送到終端RU PTP授時應用。此位置必須恢復和重新生成PTP授時流，進而創建vPRTC功能並滿足小於100ns(相對於UTC)的PRTC A規範要求。
隨後，此PTP授時流透過前傳網路段傳送到終端RU PTP授時應用。圖2給出了C類邊界時鐘全路徑支援傳輸網路中的vPRTC概念。
圖2 使用C類邊界時鐘時間誤差分配工程配置為虛擬主參考時鐘(vPRTC)的分組網路
5G授時架構邁向穩固
隨著網路技術的進步，支援在更遠距離和更長的網路元素鏈上實現高精度授時，進而使營運商可以選擇從邊緣到網路核心的不同位置，為5G授時架構導入使用GNSS的時間源。vPRTC架構在彈性和備援方面擁有顯著的技術優勢。vPRTC可以採用東西向配置，其中有兩個位置來部署GNSS時間源和最高級時鐘功能，進而實現ePRTC或PRTC備援。此外，這種配置還支援環狀網路或Liner環狀網路架構中的雙向PTP授時流，當這種架構中發生光纖切斷時，允許從相反方向授時和通訊，進而提高架構的彈性和備援能力。
隨著5G網路的不斷發展，分散式GNSS PTP授時架構和集中式vPRTC PTP架構將成為全球營運商和5G LTE專用網路的可行商業和技術選擇。營運商必須意識到，在底層網路拓撲可用的情況下，務必要考慮到設計的嚴密性，以便構建最穩健且可靠的授時架構。
(本文作者為Microchip資深技術顧問)