5G一体化基站时钟同步系统的设计与实现.pdf
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1、计 算 机 与 网 络技术论坛计 算 机 与 网 络技术论坛0引言对于无线通信而言,时钟同步是保证基站稳定正常工作的必要条件,时钟不稳定会导致基站切换异常,甚至是无法运行。自3G和4G时代以来,基站、基站控制器和核心网之间传输网络逐渐IP化,传统的时分复用(TDM)模式网络承载的时钟功能,必须在新的分组交换网中得以解决1。与传统的无线通信方式相比,5G定义了mMTC、uRLLC及eMBB三大应用场景,在数据速率、接入密度和网络时延等性能指标上有着大幅提高,其对于系统时钟同步精度的需求也更为严格。依据3GPP标准规定,频率精度需达到0.0510-6,基站间同步需达到1.5s的同步要求,才能保证5
2、G基本业务的开展。随着5G基站部署密度增加,传统GPS同步方式架设成本高、卫星信号不稳定等缺点已无法适应其应用场景。1588V2+同步以太网(SyncE)方式精度与GPS并无二致,且具有架设简便、信号稳定和安全性高的优势,将在5G甚至整个无线通信领域获得广泛应用。5G一体化基站时钟同步系统的设计与实现李万松,冯长乐,孙敬伟(河北远东通信系统工程有限公司 河北省专网通信技术创新中心,河北 石家庄050200)摘要:无线通信领域的发展离不开时钟同步关键技术,相较于传统的无线通信方式,5G通信技术对于系统的时钟同步提出了更严格的要求。针对同步以太网(SyncE)技术和IEEE 1588V2精密时钟同
3、步协议(PTP)进行了介绍,阐明了其对于5G技术发展的必要性,并基于上述技术设计了针对5G一体化基站的时钟同步系统,从技术方法、硬件设计、软件设计及系统实现等方面进行了详细介绍,通过搭建实验环境,在时钟同步精度和稳定性方面验证了系统的可行性。关键词:时钟同步;5G通信;IEEE 1588V2;同步以太网;一体化基站中图分类号:TN791文献标志码:A文章编号:1008-1739(2023)17-53-6LI Wansong,FENG Changle,SUN Jingwei(Hebei Private Network Communication Technology Innovation Cen
4、ter,Hebei Far East Communication System Engineering Co.,Ltd.,Shijiazhuang Hebei 050200,China)The development of wireless communications cannot be separated from the key technology of clock synchronization.Compared to the traditional wireless communication methods,stricter requirements for clock sync
5、hronization of systems are put forwardin 5G communication technology.The Synchronous Ethernet(SyncE)technology and IEEE 1588V2 Precision Clock SynchronizationProtocol(PTP)are introduced,and their necessity for the development of 5G technology is clarified.Based on the above technologies,aclock synch
6、ronization system for integrated 5G base stations is designed.The technical methods,hardware design,software design,andsystem implementation are described in detail.Finally,an experimental environment is established,in which the feasibility is verified interms of clock synchronization accuracy and s
7、tability.clock synchronization;5G communication;IEEE 1588V2;SyncE;integrated base station收稿日期:2023-05-1053计 算 机 与 网 络技术论坛计 算 机 与 网 络技术论坛1时钟同步原理1.1技术介绍SyncE技术与SDH同步方式类似,是一种基于物理层码流携带和恢复频率信息的同步技术2,通过以太网链路物理层芯片从串行数据码流中恢复出发送端的时钟,然后通过以太网把频率向下游网络传递,使得时钟频率可以通过以太网传送。基于地面传输的IEEE1588V2精密时钟同步协议(PTP)定义了5种网络节点模型,
8、分别是普通时钟(OC)、边界时钟(BC)、E2E透明时钟(E2E TC)、P2P透明时钟(P2P TC)和管理节点3-4。本系统应用的是OC网络节点模型,其架构如图1所示。图1 1588V2普通时钟架构OC架构有一个物理接口,物理接口上有2个逻辑接口,用来发送和接收Event和General消息,因此其只能是首节点(Grand Master,GM),或者是末节点Slave。在本系统中,将1588时钟服务器配置为OC模式,作为整个网络的GM;5G一体化基站亦配置为OC模式,作为末端的Slave设备。当OC设备端口为从状态时,本地时钟同步于主时钟;当端口是主状态时,本地时钟FreeRun或同步于一
9、个外部基准时钟。OC节点内置时钟数据集和端口数据集,利用PTP引擎发送和接收PTP消息,维护数据集,执行端口状态机以及计算主时钟,其内置的时间戳生成模块基于本地时钟对Event消息标记时间戳,通过记录主从设备之间事件报文交换时产生的时间戳,计算出主从设备之间的平均路径延迟和时间偏差,实现主从设备之间的时钟同步。1588V2可以做到相位同步和频率同步,相位同步由于采用硬件时间戳方式实现,精度可以达到亚微秒,但频率精度一般;SyncE可以实现高精度时钟频率同步,但无法相位同步5-6。SyncE可以降低1588V2的报文发送频率,在网络负荷较重时,不会导致相位同步精度降低,因此在5G一体化基站的应用
10、场景下,需要将1588V2+SyncE技术结合,方可实现同步精度更高,误差更小。1.2 1588实现原理本系统采用OC网络节点,利用Delay-Req机制计算主从设备之间平均路径延时7-8,测量过程和原理如图2所示。图2 Delay-Req机制测量平均路径延时原理实现流程如下:Master设备在1时刻发送Sync报文,并在报文中携带1时间信息;Slave设备收到Sync报文,同时记录此刻的时间2,并从Sync报文中解析出1;Slave设备在3时刻发送Delay_Req报文,并在报文中携带3时间信息;Master设备收到Delay_Req报文,并标注该时刻为4;Master设备发送Delay_R
11、esp报文,并在报文中携带4时间信息;Slave设备收到Delay_Resp报文,并从Delay_Resp报文中解析出4;上述为one-step模式的实现流程,two-step模式不同之处在于1时间信息是在Follow_up报文中携带并发送给Slave设备。上述流程完毕后,Slave设备会得到1、2、3、4四个时间戳,根据上述时间戳可以计算出Master时钟和Slave时钟的传输时延delay和偏移量offset。假设Master到Slave和Slave到Master的时延相同,则传输时延如下:。Master和Slave时钟偏移量如下:。根据上述计算可得:。通过上述计算得到传输时延delay和
12、偏移量offset,并通过delay和offset参数来修正Slave时钟,实现时间同步。54计 算 机 与 网 络技术论坛计 算 机 与 网 络技术论坛2.2主要电路设计1588V2和SyncE技术实现电路如图4所示,1588时钟服务器数据包通过RJ45的MDI接口连接以太网链路PHY芯片,支持SyncE功能的PHY将SyncE时钟解析并发送给锁相环。PHY与ARM的MAC层之间通过RGMII接口连接,携带时钟信息的数据包在ARM中完成1588的解析,输出1PPS。时钟保持电路采用恒温晶振+同步时钟芯片方案实现,恒温晶振频率10.000 MHz,初始频率精度10010-9,稳定度610-90
13、70,短期频率稳定度0.0210-9/秒,老化0.110-6/第一年,老化0.410-6/10年;同步时钟芯片支持1 Hz REF输入,通过软件学习实现对晶振的老化曲线进行预测和补偿来实现1.5s/24 h=10的保持能力。2硬件设计与实现2.1总体设计本系统设计GPS和1588V2两种同步时钟源,优先级依次是GPS、1588V2。主板内置一个GPS模块,通过接入GPS天线获得定位信息和1PPS信号;主板上的以太网接口接入IEEE 1588V2时钟服务器,利用支持SyncE技术的PHY芯片从串行数据码流中恢复发送端的时钟,并将其传递给时钟同步模块作为参考时钟。同时数据包通过RGMII接口进入A
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