根據IHS Markit獨立研究的《5G經(jīng)濟》報告2020年更新版，預計到2035年，5G將創(chuàng )造13.1萬(wàn)億美元的全球經(jīng)濟產(chǎn)出，全球5G資本支出和研發(fā)投入將增長(cháng)10.8%，年均投入高達2650億美元。

 

工信部的最新數據顯示，截止2020年底，中國新增5G基站58萬(wàn)個(gè)，推動(dòng)共建共享5G基站33萬(wàn)個(gè)，年初制定的“所有地市均實(shí)現5G覆蓋”的目標已經(jīng)實(shí)現。

 

而全球5G連接數將在2023年突破10億，這比4G時(shí)代實(shí)現10億連接數的時(shí)間整整提前了2年?？梢钥闯?，盡管全球經(jīng)濟受到疫情影響，但5G賦能的經(jīng)濟產(chǎn)出的增長(cháng)趨勢幾乎保持不變。

 

打造電子系統最精準的心跳

 

解讀5G的角度很多，但今天我們想從被稱(chēng)為“電子系統心跳”的時(shí)鐘談起。

 

“時(shí)鐘IC”是一個(gè)廣義上的術(shù)語(yǔ)，用于描述可在電子系統中生成、調制、操縱、分發(fā)或控制時(shí)序信號的集成電路。在目前最先進(jìn)的電子和通信系統中應用時(shí)，時(shí)鐘IC還必須能夠生成精確的時(shí)鐘脈沖，并持續可靠地分發(fā)該信號以供系統中的各種計時(shí)設備使用，以滿(mǎn)足多類(lèi)型應用對“高精度授時(shí)”的需要。

 

其實(shí)，我們所熟悉的4G/5G通信系統就是“高精度授時(shí)”的重要應用場(chǎng)景之一。由于4G/5G網(wǎng)絡(luò )采用TDD時(shí)分復用模式，在大速率數據傳輸過(guò)程中，對時(shí)間同步精度要求極高，例如以TD-LTE為代表的TDD時(shí)分系統時(shí)間同步要求在±1.5 μs。如果通信設備之間時(shí)間不同步，就將影響基站切換和漫游等通信業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行。

 

5G之前的網(wǎng)絡(luò )是如何授時(shí)的？

 

無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )精確時(shí)間的主要來(lái)源一直是全球定位系統（GPS）和構成全球導航衛星系統（GNSS）的區域衛星星座。其中，GPS是全球第一個(gè)部署的定位、導航和授時(shí)（PNT）的衛星星座。借助精心設計的GPS授時(shí)接收機技術(shù)，GPS用戶(hù)可以從GPS衛星上的同步原子鐘中恢復極其精確的授時(shí)。

 

目前，除GPS外，全球范圍內還部署了多個(gè)用于授時(shí)的GNSS技術(shù)，包括Galileo（歐盟）和北斗（中國）等。以北斗為例，北斗衛星導航系統的時(shí)間被稱(chēng)作BDT，屬原子時(shí)，可以溯源到中國國家授時(shí)中心的協(xié)調世界時(shí)UTC，與UTC的時(shí)差控制準確度小于100 ns。

 

再強的GNSS，也有短板

 

雖然GNSS衛星授時(shí)精度更高，覆蓋能力更強，但也面臨著(zhù)巨大的風(fēng)險——如果由于干擾、欺騙、故障或其他事件導致GPS/GNSS無(wú)法使用，引發(fā)的服務(wù)中斷將對系統性能造成災難性的影響。正如電網(wǎng)受到火災/雪災影響斷網(wǎng)一樣，5G網(wǎng)絡(luò )也很容易受到精確時(shí)間分配中斷的影響，甚至可能導致整個(gè)系統中斷。

 

此外，從智能手機的高帶寬視頻傳輸，到自動(dòng)駕駛汽車(chē)、智能城市以及智能工廠(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng)（IoT），5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)的巨大容量和帶寬增長(cháng)是此前無(wú)法想象的。這些新服務(wù)不但依賴(lài)于大量的傳感器、基站和其他設備的同步，還需要在長(cháng)距離上傳遞非常精確的時(shí)間，導致5G網(wǎng)絡(luò )端點(diǎn)密度和依靠GPS/GNSS進(jìn)行授時(shí)的成本越來(lái)越高。

 

新型時(shí)間分配架構

 

運營(yíng)商迫切需要可以更多地減少甚至消除對GPS/GNSS依賴(lài)的解決方案。那么，有沒(méi)有這樣一種新型的時(shí)間分配架構，既能夠允許運營(yíng)商保護其移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )免受GNSS中斷的影響，并在長(cháng)距離上分配精確時(shí)間以覆蓋全國，還能夠提供必要的性能以滿(mǎn)足5G需求的端到端預算？

 

答案是肯定的。

 

增強型PRTC（ePRTC）標準是應對新型授時(shí)架構挑戰的理想選擇。它是ITU-T（ITU電信標準化部門(mén)）為提高時(shí)間精度而定義的主參考時(shí)鐘（PRTC）的幾個(gè)版本之一。PRTC A類(lèi)可以滿(mǎn)足相對于協(xié)調世界時(shí)（UTC）的100 ns（納秒）精度要求；PRTC B類(lèi)更精確，精度達40 ns；增強型PRTC具有符合ITU-T G.8272.1定義的30 ns最高精度。

 

ePRTC的獨特設計使其具有最大彈性，能夠使用銫鐘作為參考時(shí)鐘保持14天或更長(cháng)時(shí)間，同時(shí)在整個(gè)長(cháng)時(shí)間中斷期內與UTC的最大偏差維持在100 ns，這將成為5G移動(dòng)運營(yíng)商部署ePRTC的關(guān)鍵優(yōu)勢。如果GPS關(guān)閉，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )范圍內的服務(wù)交付都將保持無(wú)縫切換，從而確保所需時(shí)間來(lái)修復GPS中斷或在GPS長(cháng)時(shí)間不可用的情況下保持運行。

 

TimeProvider 4100

 

ePRTC解決方案的典型示例來(lái)自Microchip的TimeProvider 4100，它既可以配置為在授時(shí)鏈的源端具有PRTC-A和PRTC-B時(shí)間傳遞功能的ePRTC，也可以配置為光網(wǎng)絡(luò )路徑上的HP BC。此外，還可以根據應用特定的要求配置這類(lèi)產(chǎn)品，以實(shí)現端到端授時(shí)，并在長(cháng)距離上擁有達納秒級的精確時(shí)間傳遞能力。

 

TimeProvider 4100是一種采用IEEE1588協(xié)議的主時(shí)鐘，包括最新的ITU-T G.8275.1和G.8275.2 1588相位規范，同時(shí)也符合中國通信行業(yè)YD /T 2375-2019高精度時(shí)間同步技術(shù)標準要求。TimeProvider 4100支持用于PTP、網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議（NTP）、同步以太網(wǎng)（SyncE）和E1/T1的廣泛端口擴展。2.1軟件版本在早期版本的基礎上增加了關(guān)鍵的軟件增強功能，提供一個(gè)虛擬的主參考時(shí)鐘（vPRTC）。虛擬PRTC能夠設計冗余的精確時(shí)間分布架構，以在光纖網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行相位保護。

 

 

TimeProvider 4100 1GE/10GE擴展模塊

 

Microchip的vPRTC多域架構是一種經(jīng)濟高效的解決方案，可利用現有的光纖網(wǎng)絡(luò )和專(zhuān)用lambda精確、安全地傳輸時(shí)間，避免高成本的暗光纖費用使用，在地區和國家網(wǎng)絡(luò )上提供高性能、冗余、低于5納秒的精確時(shí)間分布。此外，2.1版本符合PRTC-B性能標準（根據ITU-T G.8272），支持單一形狀參數系統中的1G、10G、網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議（NTP）和精確時(shí)間協(xié)議（PTP），并引入了具有信息摘要（MD5）安全算法的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議守護進(jìn)程（NTPd）。

 

而Microchip在今年年初發(fā)布的2.2版TimeProviderÒ 4100主時(shí)鐘產(chǎn)品，更是在2.1版本的基礎上引入了創(chuàng )新的冗余架構以提供全新的彈性水平，從而滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò )對冗余、彈性和安全的精確授時(shí)和同步解決方案的基本需求。

 

 

 

Microchip 2.2版TimeProviderÒ 4100主時(shí)鐘產(chǎn)品

 

結語(yǔ)：

 

時(shí)序可能是5G系統中最大的潛在故障點(diǎn)，并可能影響性能、可靠性和營(yíng)收。

 

考慮到如何最大程度地減少使用GPS站點(diǎn)，同時(shí)保留極具彈性的精確時(shí)間架構，以確保GNSS中斷期間客戶(hù)服務(wù)的連續性？使用5G網(wǎng)絡(luò )時(shí)從源到端點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)如何構成，時(shí)間如何分配，以及這些網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可以支持哪些同步功能？等問(wèn)題正成為運營(yíng)商最大的關(guān)注點(diǎn)，作為一家能夠提供包括高性能時(shí)鐘同步、時(shí)鐘管理和多類(lèi)型振蕩器在內的整體系統解決方案的公司，Microchip正攜手生態(tài)系統合作伙伴，共同打造“電子系統最精準的心跳”。

 

 

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