精准的频率源满足5G对保持时间间隔误差的要求

Precise Frequency Sources Meeting the 5G Holdover Time Interval Error Requirement

A. Kotyukov, Y. Ivanov and A. Nikonov, Morion Inc., Russia

对于所有的移动网络操作来说，同步是一个重要的先决条件。它是数据完整性的基础，如果不同步，数据将会出现错误，网络将会面临运行中断。无线电基站依赖可靠准确的参考计时信号的获取，以便生成无线电信号并保持信号间的帧同步。有效的同步还将允许相邻无线电基站之间用户连接的无中断切换。测量时间间隔误差（TIE）提供了一种评估参考时间信号的方法。本文将介绍这一过程。

历史上，频率同步由全球卫星导航系统（GNSS）提供，或是由传输网络提供，这种传输网络与需要同步的网络器件相连接。公共GNSS提供了一种准确且稳定的同步源，但在一个网络中，使用GNSS提供的同步源来装备每一个站点的经济成本过高，因为有安装和管理额外设备的需求。GNSS同步的成本问题对于小蜂窝基站更加严重，因为小蜂窝基站的数目相比于大基站来说是不断增加的。

电信网络依赖于高精度基本参考时钟的使用，这些参考时钟利用同步链路和同步保持单元（synchronization supply unit，SSU）分布在整个网络范围内。首要参考时钟（PRC）或主要参考时钟必须满足国际标准对持久频率精度的要求。为了达到这一性能，人们通常使用原子钟或与GPS同步的振荡器。

SSU被用于确保可靠的同步时钟信号分布。他们具有一系列关键功能：

过滤他们接收到的同步信号以便消除更高频率的相位噪声。

提供输出数量可变的分布信号，以同步其他本地设备。

在他们的输入参考信号丢失的情况下，保持继续产生高品质输出的能力。这就是所谓的保持模式。

5G需求

相比于前几代移动通信技术，5G回程网络对于频率和时间的同步性有更高的要求。作为最终从LTE Advanced（LTE-A）迁移至5G的移动网络，有三个基本的变化将产生非常重要的影响：

* 在容量上有10-15倍的增加（从LTE/LTE-A的约100Mbps增加到5G的约10Gbps）。

* 约1ms的超低延时（往返）。

* 随着小蜂窝和重叠蜂窝基站的激增，网络的超密集性质对蜂窝基站的同步性提出了空前的要求。

5G对于高精度时间同步的要求在不断增强，主要原因在于存在新服务、新技术以及新的网络架构：

* 新服务

      高精度定位服务；高精度定位表现为在道路、隧道、地下停车场及室内环境的百分之八十的场合下误差要小于3米。

* 新技术

     ¡ 载波聚合技术；载波聚合使得在相同或不同频率范围内使用多载波成为可能，以增加移动数据的吞吐量。

     ¡ 协同多点技术。

     ¡ 5G帧结构。

* 新网络架构

      回程线路和前向线路。

载波聚合技术要求基站间的时间误差少于260ns。人们正在研究的5G帧结构对于空中接口的精度要求达到±390ns，以避免干扰。5G网络将结合集中式无线接入网络（C-RAN）和分布式无线接入网络（D-RAN）。时间同步在传输网络的回程线路和前向线路中都必须满足。¹

时间间隔误差（TIE）是一种度量，用以说明电信标准中对时钟准确性和稳定性的要求。对于移动网络来说，特别值得关注的是保持模式（非锁定）下网络时钟的TIE。5G通信网络的核心要求是在保持模式下4到24小时时间范围内，TIE范围在100到400ns之间。²

频率稳定性随温度和长期稳定性（老化）的变化情况是精准频率源的关键参数，它们将对保持模式下的TIE产生巨大的影响。这篇文章涵盖了TIE的测量，以及测试一些精准频率源获得的结果，这些精准频率源在4到24小时时间范围内，TIE范围为100到400ns。

TIE测量过程

TIE测量需要3至7天才可完成，且在这些天内需保持周期性的温度变化。3至7天的测量时间对于计算及补偿由老化引起的频率偏移是必需的。通常来说，如果长期记录一个精准频率源的频率输出并和外部参考频率同步，对保持模式下的频率源老化进行补偿是可能实现的。基于最后2至3天的操作数据，创建能够补偿频率源老化的学习系统也是有可能实现的。

考虑频率源的老化，TIE估算应根据以下步骤进行（如图1）：

l 选择TIE估算的起始点（“滑动”时间窗口的起点）。滑动的时间窗口被用于数据收集，其具有一定的移动步长（1至14小时）。这个窗口由两部分组成：合适的范围和TIE估算范围。

l 近似老化程度。频率老化的近似函数φ(t)是基于合适范围内的读数确定的，这是最优的老化近似。

l TIE估算。TIE估算范围内的读数被用来测定附属的时间误差。这个范围内时间误差由频率读数和老化近似之间的差值来确定。

         （1）

TIE估算的时间范围为4至24小时。

图1：TIE估算算法。

对于固定和移动网络来说，保持模式下TIE为100到400ns的频率源是主要的被用于关键位置的频率源，它们被安装在室内环境下。这就意味着一天之中的温度变化不超过5摄氏度。

不同的温度变化可以被用于TIE估算。图2展示了两种温度变化曲线。值得注意的是，图2a的曲线关于平均温度变化成对称分布。因此，沿该曲线24小时累计的时间误差应该等于0（理想情况下）。图2b给出的曲线不具有对称性，因此即使在理想情况下，经过24小时的累计也将会出现净时间误差。

图2：TIE估算的温度曲线：对称（a）及非对称（b）。

对于TIE估算，我们使用图2b的温度曲线，因为它是精准频率源最差情况下的模型。图3为对一个双炉控制晶体振荡器（DOCXO）的TIE估算实例，利用了上面所述的测量过程。TIE估算结果通过下述过程获得：

l 用于估算近似线的初始“滑动”窗口位置（A）根据合适范围内的频率读数确定。

l TIE估算范围内的数据被用于按公式（1）计算时间误差TIE_A。

l 图3c给出了计算得到的TIE_A的值。

l 滑动时间窗口按1小时间隔隔开，并重复所有计算。

l 只要TIE估算范围仍处于测量长度内，此过程一直重复进行。

图3：DOCXO 24小时之内的TIE：测试过程中的温度曲线（a）；测量到的频率（b）；估算的TIE（c）。

TIE测量

即使是可以忽略的频率变化也将影响TIE估算结果。在获得可靠TIE数值的过程中必须考虑误差源。这些误差源包括各振荡器之间的相互同步，以及频率测量的稳定性。

相互同步

相近频率的振荡器之间的相互同步是频率测量中最主要的误差源之一。这种影响在批量生产且同时有大量振荡器被测试时是显而易见的。为了避免这种影响，应该尽量减小振荡器可能给其他器件造成的影响，比如电源电路和频率开关电路的共地结构。减小方法可通过电磁耦合和反转信号传输线，或通过开关的开放通路。作为例子，图4给出了铷振荡器的TIE的两种测量结果，分别为实施上述测量方法之前及之后的测量结果。

图4：铷振荡器在避免频率互相同步测量之前（a）和之后（b）的频率和TIE估算结果。

频率测量稳定性

对于精准频率源，要满足TIE范围为100到400ns的要求，就必须得到单调性为1至2E-11/天的老化曲线。换句话说，不能存在频率数值激增或其他不正常的频率变化。图5对比了满足TIE范围在100到400ns之间要求的老化曲线和不满足该要求的老化曲线。“短期”频率变化的原因可以通过参考源的接触现象、稳定性以及由精准频率源内部问题引起的误差来解释。

图5：满足100到400ns的TIE需求的老化曲线（a）；与“标准”老化曲线的对比（b）。

为了区别内部问题和其他现象，需要使用高质量的连接器和精准的参考源。在初始测量过程中，我们发现在不考虑制造厂商时，一些精准铷振荡器有显著的5E-12至5E-11的频率增量。明确了这一点后，我们采用氢频标对100到400ns之间的TIE进行测量。图6给出了具有“短期”频率变化和不具有“短期”频率变化的石英振荡器的TIE测量结果。

图6：石英振荡器具有“短期”频率变化（a）和不具有“短期”频率变化（b）的频率和TIE。

如果将所有上述影响因素都考虑在内，TIE测量结果将会非常可靠。图7给出了4小时、8小时、16小时及24小时的TIE测量的实例。

图7：24小时、16小时、8小时及4小时的TIE测量结果。

参考文献

1. H. Li, L. Han, R. Duan and G. M. Garner, “Synchronization Requirements of 5G and Corresponding Solutions,” IEEE Communications Standards Magazine, Vol. 1, No. 1, March 2017, pp. 52–58.
2. “NR; Base Station (BS) Radio Transmission and Reception,” 3GPP TS 38.104 specification, 3GPP Portal.