自無線通訊技術投入使用以來，網路定時(Network Timing)一直是無線服務的關鍵基礎之一。定時要求通常被稱為「絕對」測量，這意謂著定時必須可追溯到已知的來源。
對於相位/時間應用，這種可追溯源通常是衛星星座。全球定位系統(GPS)首次將衛星星座用於時間。GPS主要為導航設計，旨在為GPS系統的使用者提供三維定位資料，即經度、緯度和高度。為了實現高水準的空間定位精度，必須將衛星與極其精確的時間源同步，並且能夠再產生定時的準確性。
借助精心設計的GPS定時接收器技術，GPS用戶可以從GPS衛星上的同步原子鐘中恢復極其精確的定時。這種協調的定時允許相鄰的接收器與相同的時間參考對齊。GPS系統的太空原子鐘由美國海軍天文台(USNO)同步。USNO與總部位於巴黎、負責全球範圍計時的國際標準組織國際計量局(BIPM)一起進行連續的測量，以確保與世界其他地區協調一致的時間。這種協調的世界時間或「絕對」時間被稱為「世界協調時間」，更常用的說法是UTC。由美國國防部開發和維護的GPS則是第一個部署的定位、導航和定時(PNT)衛星星座，而現在全球範圍內已部署了多個用於PNT的全球導航衛星系統(GNSS)技術。其他GNSS系統的例子包括Galileo(歐盟)、Glonass(俄羅斯)、北斗(中國)、QZSS(日本)和IRNSS(印度)。
隨著無線技術從2G一路更新到5G，網路定時架構一直在並行發展。2/3G分散式無線電接取網路(RAN)使用了整合在大型蜂巢基地台(Macro Cell Site)內的GPS定時接收器，5G網路則正朝著更加集中或中心加權的模型發展，其中GPS是一種用於定時分配，使用網路的時鐘源。
無線網路定時架構分階段發展
定時架構的發展分為三個不同的階段。在第1階段中，針對頻率網路設計了實體或資料封包層級的定時，GPS本地部署在用於相位(TDD)應用的分散式RAN(DRAN)基地台上。第2階段增加了更集中的GPS源，定時透過資料封包傳送到基頻單元(BBU)的「池」。第1階段和第2階段都使用了從BBU到無線電的專用定時鏈路。第3階段將時序分組協定直接擴展到無線電單元中，而不必依賴專用的定時，同時減少了DRAN基站對GPS的需求。隨著在5G中導入開放式RAN概念，BBU功能將分類為集中式(CU)和分散式(DU)，並將發展為虛擬化和基於伺服器的功能，這些功能將不需要包含在定時路徑中。
有一個重要的技術考量是，將分散式GPS定時架構移植到使用網路的定時架構(基於精確時間協定(PTP)—IEEE 1588透過乙太網路定時協定的電信版本)的推動因素。前者完全依賴GNSS接收器，而後者則導入了GNSS接收器和PTP主時鐘(Grandmaster Clock)技術結合的概念。在無線通訊中，與定時有關最普遍的問題是同通道無線電干擾。當GPS接收器正確追蹤衛星時，在基地台上部署GPS接收器允許進行適當的時間槽傳輸分配，以防止以相鄰或接近頻率運行的無線電相互干擾。在覆蓋範圍重疊的無線電叢集(Cluster)中，如果GPS接收器發生故障或停止正確追蹤，則將導致連接到GPS接收器的無線電與相鄰的無線電互相干擾，因為定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是透過使用規格較低的元件來降低成本)，因此定時降級發生得非常迅速。
為了避免干擾問題，一旦定時開始降級，就必須立即停止使用無線電或關閉受定時降級影響的服務。為了減少這種類型的故障情形，可以部署使用網路的PTP定時服務，在此服務中，叢集中的無線電與整合了GPS接收器的PTP主時鐘同步。如果PTP主時鐘中的GPS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，並且架構中可以包含基於PTP的備用方案，以協助在故障情形下維持UTC可追蹤時間。PTP主時鐘使用網路的定時服務方法非常靈活，且具有成本效益。它可在GPS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。
第1階段：分散式GPS
大型蜂巢基地台中的整合GPS定時接收器，適合公共無線電介面(CPRI)定時應用。在此應用中，定時源是整合到BBU中的GPS接收器，該接收器通常與無線電頭端(Radio Head, RH)位於同一基地台的底部。BBU從GPS接收器中恢復定時，並使用CPRI透過幾公尺長的光纖將其傳輸到RH，如圖1所示。
圖1 這張圖顯示了整合到BBU中的GPS定時接收器，它是DRAN架構中的分散式GPS定時架構的一個範例。定時透過CPRI鏈路從BBU傳送到無線電。
第2階段：適合CPRI定時應用之GPS源網路定時服務
無線電叢集聚集點中的PTP主時鐘，適合CPRI定時應用。在此應用中，BBU遠離RH。BBU通常在被稱為集中式RAN(cRAN)的集線器位置(RH叢集的聚集點)處「彙集」。時間源可以是位於cRAN HUB的GPS接收器，其中GPS訊號從天線直接傳輸到整合在BBU中的接收器，或者，GPS接收器可以與PTP主時鐘結合，在這種情況下，PTP定時服務傳送給BBU中的PTP從站。一旦BBU從PTP流或GPS接收器中恢復了定時，它就會透過CPRI鏈路將定時傳輸到遠端無線電頭端(RRH)。3G和4G服務架構中的CPRI鏈路的距離限值約為17公里(圖2)。
圖2 此圖描繪了PTP最高級PTP作為無線電叢集，使用網路的定時源，它透過CPRI鏈路將時間從BBU中的PTP從站傳輸到無線電叢集。
第3階段：適合乙太網路定時應用之GPS源網路定時服務
無線電叢集聚集點中的PTP主時鐘，適合乙太網路定時應用。與4G相比，5G將需要無線電密集化以及額外的低頻和高頻，這兩者都依賴更精心設計的定時，以避免增加無線電之間的同通道干擾。同時，BBU被分解為兩個元件功能，即分散式單元和集中式單元，在將基於CPRI的定時方式轉移到無線電內的透過乙太網路的PTP方式後，它們都可以虛擬化。這將推動定時架構發生巨大變化：GPS將必須移動到無線電叢集的聚合點，而PTP將在整個網路中無處不在。這類架構將需要在網路中更深入地部署穩健而彈性的GPS和更多PTP，以便為5G無線電單元(RU)提供定時，並為GPS時鐘提供系統備份和保護。
毫無疑問，5G服務將越來越依賴對PTP的設計，這樣才能確保在整個網路中提供彈性和確定性的定時。隨著開放式RAN架構不斷發展並被5G部署所採用，5G無線電中將不再使用PTP定時流，且不再要求DU成為5G無線電的主時鐘定時鏈的一部分。具體如圖3所示。
圖3 此圖描繪了一個PTP主時鐘，它使用PTP協定直接向5G無線電中的PTP從站傳輸時間。
5G導入了一些重大變化，這些變化幾乎涵蓋了行動無線網路架構的各個層面，包括所使用的RF頻率、無線電I/Q資料的傳輸、傳輸架構以及網路的同步方式。在3G和4G系統中對GPS的依賴正轉向PTP，其原因包括存在新的安全性和可靠性問題，需要在沒有衛星系統視距的情況下極為嚴格保證的5G無線電定時，以及營運商傾向於保證關鍵定時服務的相位對齊和控制。
更具確定性和更嚴格的定時能夠為不斷線(Always-on)且無處不在的寬頻服務提供支援，而這將成為5G網路的標誌特點。
(本文作者為Microchip資深技術顧問)