Microchip - 使用增強(qiáng)型主參考時(shí)鐘（ePRTC）標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)時(shí)間架構(gòu)應(yīng)對(duì)5G彈性挑戰(zhàn)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商需要為其5G網(wǎng)絡(luò)提供高時(shí)間和相位保護(hù)，但是當(dāng)依賴導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）時(shí)很難做到這一點(diǎn)，因?yàn)閷?dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)很容易因人為干擾、欺騙或自然現(xiàn)象而導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法使用。增強(qiáng)型主參考時(shí)鐘（ePRTC）為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供一種令人高枕無(wú)憂的解決方案：即保持功能，它擁有解決問(wèn)題所需的、可靠性和性能。要成功部署ePRTC，需要充分了解構(gòu)建可靠、彈性的時(shí)間架構(gòu)所需的關(guān)鍵要素，包括網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商要求的時(shí)鐘和其他相關(guān)系統(tǒng)。

保持5G正常運(yùn)行

設(shè)想一下：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)速度很快，支持快速視頻，并且提供的密集5G服務(wù)能夠滿足多地客戶的要求。突然，一切都中斷了。移動(dòng)服務(wù)關(guān)閉，客戶指責(zé)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商，運(yùn)營(yíng)商聲譽(yù)受損，導(dǎo)致用戶流失。GNSS中斷期間很容易發(fā)生這種情況。

負(fù)責(zé)國(guó)家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商和團(tuán)隊(duì)一直在考慮采用各種方法來(lái)提供GNSS備份或者總體減少對(duì)GNSS技術(shù)的依賴。即使在近的3G或4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，流行的無(wú)線電技術(shù)也主要采用基于頻率的同步策略。這項(xiàng)技術(shù)為業(yè)內(nèi)所熟知，已廣泛部署并且效果卓著。隨著5G的到來(lái)，必須有非常嚴(yán)格的時(shí)間和相位才能地利用移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商所投資的珍貴頻譜。避免數(shù)據(jù)沖突和頻率干擾至關(guān)重要，與此同時(shí)，還需要地縮小防護(hù)頻帶的范圍，以增強(qiáng)和更有效地利用其頻譜。此時(shí)，憑借的計(jì)時(shí)便可實(shí)現(xiàn)此目的。

這種級(jí)別所需的時(shí)間源主要通過(guò)GNSS提供。不過(guò)，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的密集化，將不再考慮這種選項(xiàng)。無(wú)線電臺(tái)或基站中缺少GNSS接收器時(shí)，需要無(wú)線電臺(tái)或基站迅速停止運(yùn)行，以避免由于無(wú)線電臺(tái)或基站中缺少高質(zhì)量保持振蕩器而出現(xiàn)干擾問(wèn)題。這種技術(shù)考慮可使基站計(jì)時(shí)減少對(duì)GPS的依賴，并逐步遷移到時(shí)間協(xié)議（PTP）架構(gòu)。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商需要地減少使用GPS的站點(diǎn)，同時(shí)保留極具彈性的時(shí)間架構(gòu)，以確保GNSS中斷期間客戶服務(wù)的連續(xù)性。

ePRTC標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的理想選擇。它是ITU-T（ITU電信標(biāo)準(zhǔn)化部門）為提高時(shí)間而定義的主參考時(shí)鐘（PRTC）的幾個(gè)版本之一。PRTCA類可以滿足相對(duì)于協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）的100ns（納秒）要求。PRTCB類更，達(dá)40ns。增強(qiáng)型PRTC具有符合ITU-TG.8272.1定義的30ns。

ePRTC的獨(dú)特設(shè)計(jì)使其具有彈性，能夠使用銫鐘作為參考時(shí)鐘保持14天或更長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)在整個(gè)長(zhǎng)時(shí)間中斷期內(nèi)與UTC的偏差維持在100ns。這將成為5G移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商部署ePRTC的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。如果GPS關(guān)閉，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的服務(wù)交付都將保持無(wú)縫切換。這樣可確保所需時(shí)間來(lái)修復(fù)GPS中斷或在GPS長(zhǎng)時(shí)間不可用的情況下保持運(yùn)行。

時(shí)鐘與配件的重要性

ePRTC不能單獨(dú)運(yùn)行。高質(zhì)量ePRTC的原理是通過(guò)產(chǎn)生獨(dú)立自主的時(shí)標(biāo)來(lái)產(chǎn)生時(shí)間。時(shí)標(biāo)將提供時(shí)間、相位和頻率，隨著時(shí)間的推移，這幾個(gè)參數(shù)會(huì)根據(jù)GNSS信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)。高質(zhì)量ePRTC引擎使用獲得的測(cè)量算法來(lái)評(píng)估和測(cè)量其相對(duì)于GNSS的自主時(shí)標(biāo)偏移。

ePRTC系統(tǒng)的方法可為自主的主時(shí)間源設(shè)置時(shí)標(biāo)，而銫原子鐘和GNSS可幫助保持ePRTC時(shí)標(biāo)的準(zhǔn)確性。

因此，在理想情況下，應(yīng)將ePRTC連接到GPS時(shí)鐘和原子鐘（銫原子鐘通常用于地提高彈性，因此建議使用兩個(gè)銫原子鐘）。ePRTC不是僅僅鎖定到一個(gè)原子鐘，而是在適當(dāng)加權(quán)的時(shí)標(biāo)集合中主動(dòng)無(wú)縫鎖定到兩個(gè)時(shí)鐘。例如，如果一個(gè)原子鐘的性能下降，則ePRTC將平穩(wěn)地降低其權(quán)重，以避免影響傳出時(shí)間和頻率服務(wù)。

要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，高質(zhì)量ePRTC需要通過(guò)適當(dāng)?shù)闹悄芑瘉?lái)實(shí)現(xiàn)集合和自主時(shí)標(biāo)功能，同時(shí)還要善于與高質(zhì)量原子鐘“耦合”。對(duì)于保持功能尤其如此。質(zhì)量的銫原子鐘將為ePRTC系統(tǒng)本身提供的保持性能。

設(shè)置和調(diào)試要求

成功構(gòu)建優(yōu)化的時(shí)標(biāo)系統(tǒng)包括成功構(gòu)建銫原子鐘和ePRTC系統(tǒng)，需要格外小心地進(jìn)行設(shè)置和調(diào)試。ITU標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了需要執(zhí)行的調(diào)試驗(yàn)證，包括：

·ePRTC已完全鎖定到傳入的參考時(shí)間信號(hào)，并且未在預(yù)熱過(guò)程中運(yùn)行

·參考路徑中沒(méi)有故障或設(shè)備錯(cuò)誤，包括但不限于天線故障

·環(huán)境條件處于設(shè)備規(guī)定的工作限值內(nèi)。

·設(shè)備的固定偏移經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)試和校準(zhǔn)，例如天線電纜長(zhǎng)度、電纜放大器和接收器延時(shí)以及參考時(shí)間信號(hào)（例如，GNSS信號(hào)在相關(guān)運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)確定的限值內(nèi)運(yùn)行）。

·如果參考時(shí)間信號(hào)是通過(guò)GNSS等無(wú)線電系統(tǒng)運(yùn)行的，則必須將多路反射和來(lái)自其他本地發(fā)射的干擾（例如人為干擾）盡可能減小到可接受的水平。

·沒(méi)有極端的傳播異常，例如嚴(yán)重的雷暴或太陽(yáng)耀斑。

·根據(jù)原子鐘，時(shí)間參考為GNSS，頻率參考為1pps/10MHz。常見的錯(cuò)誤是將GNSS的時(shí)間和頻率設(shè)置為優(yōu)先級(jí)，這會(huì)使原子鐘成為經(jīng)典備用角色，從而無(wú)法發(fā)揮ePRTC的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)。

在考慮了這些調(diào)試要求后，選擇ePRTC解決方案的下一步是系統(tǒng)驗(yàn)證和測(cè)試。

驗(yàn)證和測(cè)試

測(cè)試和驗(yàn)證分為3個(gè)主要階段：

1.21天“學(xué)習(xí)”期

2.14天“保持”期

3.7天“恢復(fù)”期

21天的學(xué)習(xí)期有助于以超高確定ePRTC時(shí)標(biāo)的UTC校準(zhǔn)校正參數(shù)和本地銫原子鐘的頻率偏移估值。GNSS子系統(tǒng)本地時(shí)標(biāo)相對(duì)于UTC的一組連續(xù)時(shí)間誤差測(cè)量結(jié)果，以便可以緩慢地調(diào)整本地時(shí)標(biāo)速率。這段為期三周的學(xué)習(xí)期（階段）有助于驗(yàn)證ePRTC是否確實(shí)符合ITU-T的時(shí)間規(guī)范。

圖1——21天后顯示符合ITU-TG.8272.1時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)

在14天的保持期內(nèi)，GNSS信號(hào)斷開，ePRTC必須驗(yàn)證其是否可以在14天的保持期內(nèi)保持100ns。銫原子鐘越出色，此測(cè)試的性能就越高。

如圖2所示，經(jīng)過(guò)測(cè)試的ePRTC在幾乎整個(gè)中斷期內(nèi)都將時(shí)間誤差性能限制保持在100ns標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，并維持了25ns的時(shí)鐘類。使用高性能銫原子鐘可提供比標(biāo)準(zhǔn)要求高四倍的保持性能。

圖2.在Microchip的TimeProvider4100的ePRTC測(cè)試過(guò)程中，經(jīng)過(guò)14天的中斷期（+1天的恢復(fù)期）后，時(shí)間誤差完全處于100ns要求（42ns）之內(nèi)。重新連接GNSS時(shí)返回零

恢復(fù)期是為了驗(yàn)證將GNSS重新連接到ePRTC單元時(shí)，一切是否恢復(fù)正常。目標(biāo)是驗(yàn)證能否成功重新收斂和重新建立100%的正常時(shí)標(biāo)保護(hù)操作，如圖3所示。

圖3.與G.8272.1標(biāo)準(zhǔn)相比，后保持期與主UTC-NIST參考的時(shí)間偏差（TDEV）

——顯示7天后保持期的結(jié)果

保持“油表”的重要性

“油表”特別有用，因?yàn)樗梢詭椭苿?dòng)運(yùn)營(yíng)商充分了解ePRTC保持功能能夠保持100ns（相對(duì)于UTC）的時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)要求是14天。

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