--IEEE 1588以太網(wǎng)授時(shí)（timing-over-Ethernet）標(biāo)準(zhǔn)的智能化實(shí)現(xiàn)，

可削減創(chuàng)建符合4G網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格計(jì)時(shí)精度要求的、基于IP蜂窩回傳鏈路的成本。--

引言

LTE/4G蜂窩技術(shù)的嚴(yán)苛?xí)r頻要求，給微/微微/毫微微蜂窩基站交換機(jī)、路由器以及其他用于所謂小蜂窩網(wǎng)絡(luò)（圖1）設(shè)備的基于以太網(wǎng)的回傳連接帶來了特殊的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。服務(wù)供應(yīng)商計(jì)劃部署微/微微蜂窩基站來提高覆蓋及其4G/LTE網(wǎng)絡(luò)的容量。類似于宏基站，這些基站需要頻率和相位兩項(xiàng)指標(biāo)，或精確計(jì)取時(shí)間（time-of-day）、時(shí)間同步。但是，傳統(tǒng)上用來提供4G/LTE網(wǎng)絡(luò)所需頻率和授時(shí)信號(hào)的GPS信號(hào)，已經(jīng)給小蜂窩模式帶來了技術(shù)和成本挑戰(zhàn)。首要問題是室內(nèi)和擁擠的城市峽谷中GPS信號(hào)的可獲得性，而微/微微蜂窩這類基站都將部署在這些地方。IEEE 1588v2精確授時(shí)協(xié)議（PTP或1588）提供了一種理想的替代方案。特別是，本文將討論一種在很大程度上依賴于透明時(shí)鐘（TC）節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)時(shí)架構(gòu)，如何用來減少在整個(gè)蜂窩系統(tǒng)的基于分組數(shù)據(jù)技術(shù)的回程網(wǎng)絡(luò)上，降低維持精確授時(shí)所需硬件的成本和復(fù)雜性。

圖1：小蜂窩網(wǎng)絡(luò)通常用于在密集的、復(fù)雜的城市環(huán)境中擴(kuò)大4G/LTE網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，或者提供可靠的樓內(nèi)服務(wù)。在小蜂窩回傳網(wǎng)絡(luò)中常見的微波鏈路和復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給滿足LTE/LTE-A系統(tǒng)嚴(yán)苛的計(jì)時(shí)要求增加了挑戰(zhàn)。

PTP 101

1588標(biāo)準(zhǔn)提供了一種基于分組數(shù)據(jù)包的授時(shí)和同步機(jī)制，并且非常適合于新興的基于分組數(shù)據(jù)技術(shù)的回傳網(wǎng)絡(luò)。它建立在同步以太網(wǎng)技術(shù)之上，這種技術(shù)為分組數(shù)據(jù)世界帶來了頻率同步，但沒有提供LTE和LTE-Advanced（LTE-A）所需的、必要的計(jì)時(shí)時(shí)間同步。PTP在數(shù)據(jù)包內(nèi)直接攜帶了計(jì)時(shí)信息（也稱為時(shí)間戳）。攜帶時(shí)間戳的數(shù)據(jù)包，連同來自生成時(shí)間戳（也稱為主基準(zhǔn)時(shí)鐘）的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的剩余網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量直達(dá)基站設(shè)備，其中的這些時(shí)間戳采用1588標(biāo)準(zhǔn)來恢復(fù)原始時(shí)間。

主基準(zhǔn)時(shí)鐘和恢復(fù)時(shí)鐘之間的差異（如同步誤差）必須在指定的精度要求范圍內(nèi)，這取決于網(wǎng)絡(luò)的類型。但應(yīng)該注意的是網(wǎng)絡(luò)路徑上同步誤差是不斷累積的，包括從生成主時(shí)鐘的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)到增加計(jì)時(shí)誤差的基站之間的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2：通過一系列時(shí)間戳信息來計(jì)算主/從時(shí)鐘之間的傳播延遲，IEEE 1588v2精確授時(shí)協(xié)議（PTP）估算出了從時(shí)鐘的時(shí)間。但是，分組網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)大數(shù)值的數(shù)據(jù)包延遲變量（PDV），如果不進(jìn)行糾正，可能引入授時(shí)的不準(zhǔn)確性。

時(shí)間就是一切

TD-LTE、LTE-A及其他先進(jìn)蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)只允許在其基站及其他網(wǎng)絡(luò)單元之間存在極小的時(shí)間同步誤差，以提供基站之間的無干擾寬帶多媒體和無縫切換。例如，LTE-A網(wǎng)絡(luò)只能容許兩個(gè)相鄰基站之間最多為500ns的相位誤差值。以下表格說明了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同移動(dòng)通信技術(shù)空中接口的頻率和相位精度要求（圖3）。

圖3：每個(gè)新的先進(jìn)蜂窩技術(shù)代系都要求更高的計(jì)時(shí)精度，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間必須這樣的精度

對(duì)于許多較新的移動(dòng)通信技術(shù)，同步是一個(gè)嚴(yán)重影響吞吐量的參數(shù)。雖然圖3顯示出了最低要求，但應(yīng)當(dāng)指出，實(shí)現(xiàn)更高的時(shí)間/相位和頻率精度可帶來性能/吞吐量的總體改善。這也導(dǎo)致了更高的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)裕度，可以很容易地適應(yīng)剩余鏈路或系統(tǒng)損傷（impairment）。在實(shí)際的蜂窩系統(tǒng)中，這部分同步預(yù)算被RF鏈路的延遲變量及其他固有的時(shí)同變量消耗了，例如光纖鏈路中的那些變量。另一部分同步預(yù)算則被用來對(duì)抗城市峽谷和室內(nèi)環(huán)境中的多徑反射和噪聲影響的干擾抑制技術(shù)消耗了，小蜂窩網(wǎng)絡(luò)往往用于這些地方。因此，雖然我們必須讓微波和毫米波回傳鏈路留有100ns的最大時(shí)間誤差，但對(duì)于光纖連接的路由器、交換機(jī)和網(wǎng)關(guān)，以及留給基站/蜂窩網(wǎng)絡(luò)本身的時(shí)間誤差預(yù)算，應(yīng)該保持在每一跳（per hop）10ns的數(shù)量級(jí)上，以保持在LTE-A空中接口的精度范圍內(nèi)。

一個(gè)采用1588協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)是提供納秒級(jí)的精確同步，需要通過一個(gè)預(yù)先定義的時(shí)鐘分層結(jié)構(gòu)來管理網(wǎng)絡(luò)中的PDV和非對(duì)稱組件。該標(biāo)準(zhǔn)定義了邊界時(shí)鐘（BC）以及透明時(shí)鐘（TC）。一個(gè)實(shí)現(xiàn)了BC的節(jié)點(diǎn)有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，并能準(zhǔn)確地從一個(gè)網(wǎng)段到另一個(gè)網(wǎng)段橋接同步。它也可以基于它接收到的時(shí)間戳重新生成計(jì)時(shí)。除了時(shí)間戳，BC也需要時(shí)間戳糾錯(cuò)、一個(gè)可靠的PDV濾波算法，以及一個(gè)可以與網(wǎng)絡(luò)同步的可感知1588的復(fù)數(shù)生成。其結(jié)果是，實(shí)施一個(gè)BC節(jié)點(diǎn)需要一個(gè)高度精確的振蕩器、一個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)，以及微處理器和元件，因而使其在實(shí)現(xiàn)時(shí)通常更加昂貴復(fù)雜。與此相反，一個(gè)TC節(jié)點(diǎn)只有在它糾正了可能引入的所有錯(cuò)誤之后，簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)發(fā)傳入的時(shí)間戳。如果所提供的設(shè)備符合1588標(biāo)準(zhǔn)（即它已增加了支持PTP準(zhǔn)確時(shí)間戳和時(shí)間戳糾錯(cuò)機(jī)制所需的邏輯），TC的實(shí)施成本較低，并且可以簡(jiǎn)便地重用它在數(shù)據(jù)通路中遇到的PHY或交換。事實(shí)上，這種基于端口的PHY解決方案完全足以實(shí)現(xiàn)一個(gè)高度精確的TC節(jié)點(diǎn)。運(yùn)營(yíng)商可以部署TC和BC的組合，其中的最佳解決方案可能是位于網(wǎng)絡(luò)互連點(diǎn)的BC和位于后面枝干和環(huán)的TC的一個(gè)組合。在室內(nèi)環(huán)境中，建筑物屋頂上的GPS天線可以為中心單元（類似于宏基站）進(jìn)行授時(shí)，然后可以使用透明時(shí)鐘將時(shí)間分配給室內(nèi)單元。

目前已可供應(yīng)PHY和交換芯片解決方案，它們包括用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)PDV和非對(duì)稱的時(shí)間戳標(biāo)記糾錯(cuò)。這可以支持TC和BC節(jié)點(diǎn)在小基站網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)相位提供所要求的精度。Vitesse Semiconductor在其SynchroPHY GbE和10GbE PHY產(chǎn)品及以太網(wǎng)交換機(jī)引擎產(chǎn)品組合中使用的VeriTime™ 技術(shù)，包括納秒級(jí)精度的時(shí)間戳標(biāo)記糾錯(cuò)和非對(duì)稱補(bǔ)償機(jī)制，即使是在微波鏈路中非常具有挑戰(zhàn)性的情況下也可以正常工作，有望在小蜂窩部署中普遍采用。Vitesse Serval™ 交換產(chǎn)品系列的最新成員是六端口Serval Lite（VSC7416）交換機(jī)，它專門針對(duì)采用低功耗和小外形尺寸解決方案的小蜂窩應(yīng)用而進(jìn)行了優(yōu)化，包括了一整套多樣化的電信級(jí)以太網(wǎng)功能和VeriTime技術(shù)。

結(jié)論

綜上所述，在可能包括微波或毫米波鏈路的網(wǎng)絡(luò)中，小蜂窩基站將需要采用1588來為網(wǎng)絡(luò)提供高度精確的同步。一個(gè)TC節(jié)點(diǎn)只需要準(zhǔn)確的時(shí)間戳標(biāo)記和時(shí)間戳糾錯(cuò)機(jī)制；盡管BC節(jié)點(diǎn)功能更強(qiáng)，但實(shí)現(xiàn)起來復(fù)雜而昂貴。因此，在網(wǎng)絡(luò)向LTE-A和未來小蜂窩網(wǎng)絡(luò)升級(jí)時(shí)，性價(jià)比最高的方式是在各處部署分布式TC，只有在必要的段時(shí)間域采用BC來增強(qiáng)。正如Vitesse近期提交給ITU-T標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的提案所描述的那樣，使用精確的時(shí)間戳標(biāo)記可以將授時(shí)精度提高到納秒級(jí)。而當(dāng)今芯片已實(shí)現(xiàn)的進(jìn)步將可確保這些解決方案只是在今天為3G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的非1588感知系統(tǒng)上僅有一個(gè)名義上的價(jià)格提升。

作者：Uday Mudoi，Vitesse Semiconductor

作者簡(jiǎn)介

Uday Mudoi現(xiàn)任Vitesse Semiconductor產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)，他獲得了印度理工學(xué)院卡哈拉格普爾分校（Indian Institute of Technology, Kharagpur）電機(jī)工程理學(xué)士學(xué)位、美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)羅利分校（North Carolina State University, Raleigh）的計(jì)算機(jī)科學(xué)碩士學(xué)位，以及位于美國(guó)紐約州紐約市的哥倫比亞大學(xué)（Columbia University, New York, N.Y.）工商管理碩士學(xué)位，可通過uday#vitesse.com與他取得聯(lián)系。

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