整合式GNSS主時鐘顯威　LTE網路突破同步瓶頸

另一個特殊情況，就是部署在高層大樓中的小型蜂巢基地台網路，直到現在長距離跨多層(Multi-floor)的線路運行，都只能透過架設於屋頂上的定時接收器及天線來連接小型蜂巢基地台，但其安裝工作既困難又昂貴。現在，新型的全球導航衛星系統主時鐘(GNSS Grandmaster)解決方案，將適用於這些小型蜂巢基地台，它在小型封裝中整合了天線，是高成本效益而且隨插即用的單一解決方案。

LTE網路催化定時/同步技術發展

定時和同步是數位網路運行的根本。以往只要求採用相對容易的頻率同步，但現在LTE-TDD和LTE-A技術提高了對相位和時間的要求。圖1可協助理解三者之間的差異。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(包含GPS、GLONASS或北斗)傳送的訊號。

圖1 頻率、相位和時間同步的關係

高品質的GNSS接收器取得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，例如同步乙太網(Synchronous Ethernet, SyncE)或E1/T1訊號，使解決方案能夠更快融合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(Holdover)。

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。

如果沒有共同的UTC時間基準，蜂巢基地台(Cell Site)將無法如預期運作。值得一提的是，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。

對於具有非常嚴格定時要求的無線通訊應用，無線基地台早已部署了原子鐘振盪器，以應對GPS定時接收器無法處理衛星資料的情況。新技術LTE網路的部署也會採用高成本效益的PTP/IEEE1588技術。該技術不須透過基地台內的原子鐘振盪器，就可以保留並維持時間及相位。

PTP/IEEE1588技術跟在24小時內保持誤差小於1.5微秒(Microsecond)的嚴格定時準確性相比，較優先考慮成本問題。

作為第二或第三層時間戳協定的PTP可分配來自母鐘(Grandmaster Clock)的準確定時源，可被分配給LTE基地台當作GNSS時鐘源的後備，或是在沒有GNSS訊號的地區當作主時鐘源。GNSS接收器和PTP彼此互補，PTP可驗證GNSS接收器是否提供準確的網路定時，而GNSS接收器同樣也可以驗證PTP是否傳達準確的網路定時。

LTE網路同步有三大方法

滿足LTE-TDD和LTE-A網路的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；完全路徑上(On-path)支援的PTP；以及部分路徑上支援和/或邊緣母鐘(Edge Grandmaster)的PTP。每種解決方案都各有優點和缺點。

．無處不在的GNSS：
在每一個行動基地台部署GNSS接收器，可以是一台單獨設備或者嵌入到基地台中，還可以嵌入或搭配支援基地台同步傳送的鄰近蜂巢基地台路由器(Cell Site Router, CSR)及網路周邊設備(Network Interface Device, NID)，一般是使用PTP。
這種方法雖然簡單直接，但並非每一個地點都可行(特別是公共存取小型基地台)，而且它還會使得基地台容易受到GNSS訊號的干擾。GNSS訊號接受力弱的問題也日益受到關注，因為GNSS訊號在地球表面非常微弱，而且容易受干擾。由於一些地區難以實行無所不在的GNSS，選擇採用這種方法的電訊營運商須要採用另一個替代解決方案，而且這種方法的最佳實踐也必須備份定時源。無論是作為主要的定時方案，或作為GNSS無法部署地區的替代源，以及當GNSS受損時作為備份，電訊商也有必要同時使用其他解決方案。

．完全路徑上的PTP(G.8275.1)：
IEEE1588-2008精確時間協定應用在封包架構的回程網路上，可將同步資訊傳輸到要求頻率同步的行動網路單元，是已經得到驗證的技術。它一般是使用集中式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的子時鐘或客戶端軟體進行交互操作，使得使用者端設備能夠確定頻率並計算時間。
最適合使用完全路徑上支援的情況，就是未開發地區(Greenfield)部署，即是在每一個位置都部署新網路回程設備；但是對於其他網路環境，這種方法卻存在實際的缺點。

．部分路徑上支援搭邊緣母鐘的PTP(G.8275.2)：
部分路徑上支援是指在網路中間位置部署高階的邊界時鐘(Boundary Clock)，以針對在未開發地區以外的現實網路環境中，更為可行的相位定時解決方案的需求。
這個方法的關鍵是限制母鐘和使用者端設備之間的跳數以及路徑的不對稱。高階的邊界時鐘配有優異的振盪器，並可利用額外的輸入如SyncE和E1/T1電路作為頻率基準，以維持直到路徑中下一個使用者端設備的高準確度時間戳。
邊緣母鐘透過靠近使用者端設備部署的方式，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，運行方式類似集中式PTP母鐘設備，最大分別是它們為針對更靠近網路邊緣的部署而調節擴大規模並使成本最佳化。
採用高階邊界時鐘的邊緣母鐘和/或部分路徑上支援提供許多優勢，包括可靈活地在不同的網路場景中工作，能更為經濟地部署小型蜂巢基地台，不必為了嵌入式邊界時鐘而升級回程網路(也可能為SyncE而升級)以節省成本。它還可避免與封包時延變化增大、不對稱和/或協力廠商網路回程相關的問題。再者，定時和同步保護技術可保持行動網路的高可用性和性能，不會因為眾多嵌入式邊界時鐘的其中一個失效而威脅到同步可靠性。
最後一點，它使擴展保持性能成為可能，因為一個優異的銣振盪器(Rubidium Oscillator)的成本能夠由多個基地台來分擔，而且可沿用在集中式PTP母鐘和SyncE上的現有投資，同時保留為頻率同步而實施的實踐和多重通訊協定標籤交換(MPLS)網路和工程的流程。

新型GNSS主時鐘受矚目

電訊營運商小型蜂巢基地台的市場開始起飛。這種室內部署在2014年開始興起。行動產業的專家表示，有64家電訊營運商提供小型蜂巢基地台給客戶做網路使用，並有超過44家電訊營運商使用企業級小型蜂巢基地台。

當前室內小型蜂巢基地台同步面臨三項挑戰：
．部署室外GNSS天線產生的高營運費用。
．在屋頂設站存取的法律問題以及相關的設站授權許可費。
．安裝GNSS天線和布線的營運團隊，要負上的責任以及保險等各方面的問題。

室內小型蜂巢基地台須要準確定時，必須動用室外GNSS天線；對於相當少數的小型蜂巢基地台，目前為止安裝GNSS天線都是十分昂貴的，而且通常十分複雜。iGR報告指出，部署小型蜂巢基地台的平均成本約為三萬一千美元，比小型蜂巢基地台本身的成本高出很多。

同樣地，在屋頂部署GPS天線的成本通常為一萬五千至二萬五千美元，在高層建築中更可能高達六萬美元，另外還有每年租用屋頂的支出費用。

另一個選擇是在小型全封閉的封裝中完全整合1588v2 PTP主時鐘和GNSS接收器及天線的解決方案，這也是一款針對室內安裝所設計的產品。這項解決方案毋須在屋頂安裝天線和相關布線，從而大幅減少所需的成本，同時可提供所有1588主時鐘的性能條件。

美高森美首創的整合式全球導航衛星系統主時鐘(Integrated GNSS Master, IGM)解決方案開創了這類型解決方案的先河，由於省去了室外天線的需求，因此可顯著降低典型GNSS天線系統的採購、安裝和維護資源配置成本。

該GNSS接收器使用專利的演算法，可在許多不同的室內環境中進行配置。IGM使用標準乙太網設施，還可利用乙太網供電(Power-over-Ethernet, PoE)來簡化安裝，而且從乙太網電纜直接使用的功率不超過12.95W。就像安裝典型的室內Wi-Fi熱點一樣，IGM能夠安裝在牆壁或天花板上，並透過PoE連接至網路。IGM可以自動配置並且鎖定GNSS訊號，為小型蜂巢基地台的運作提供精確和準確的PTP主時鐘同步。

這解決方案也可配合電訊運營商已經部署在自家網路中的PTP1588產品，從而為企業客戶提供更可靠的服務，同時最大限度降低投資成本及營運成本。

該如何部署LTE-TDD和LTE-A同步網路的問題，並沒有單一簡單的答案。以往常用的「在回程網路上傳送頻率同步」技術已無法滿足相位和定時的嚴格要求。只依賴無處不在的GNSS接收器和天線，無論就經濟或技術上而言，也不能適合所有情況；而單獨採用GNSS則會使基地台受制於衛星訊號系統的弱點。由於這些原因，使用IEEE1588 PTP並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。對於大部分的新建網路條件，完全途徑上支援是最可行的，然而邊緣母鐘的部署或高階的邊界時鐘則提供較高靈活性，可適用於廣泛的網路場景，同時提供同步保護解決方案，以及交換機和路徑不對稱補償。

最近，隨著創新型網路定時解決方案及將其安裝在室內的方法問世，為實現準確和精確PTP母鐘同步開啟了新局面，將可推動LTE小型蜂巢基地台大幅擴展。

(本文作者為美高森美市場行銷和業務發展總監)