利用銣原子鐘的保持能力滿足LTE-TDD基站的要求

本文旨在讓移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和他們的設(shè)備供應(yīng)商了解，隨著當(dāng)前和下一代技術(shù)使得網(wǎng)絡(luò)進(jìn)步，同步要求已經(jīng)發(fā)生了變化，特別是由于同步規(guī)范變得更嚴(yán)格且更難以滿足，所以對優(yōu)良的保持性能(holdover performance)的需求成為了關(guān)注重點(diǎn)。在主同步源運(yùn)行中斷或受損時(shí)，保持特性允許繼續(xù)進(jìn)行服務(wù)運(yùn)營。典型的基于晶體鐘保持能力的解決方案僅能提供一段相對較短的時(shí)間來恢復(fù)高級(jí)業(yè)務(wù)，但對于現(xiàn)有的3G和4G基站，銣 (rubidium)原子鐘的保持能力卻可以滿足新LTE-TDD基站的嚴(yán)格要求達(dá)24小時(shí)乃至更長的時(shí)間。

對于移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)來說，精確同步(sync)和定時(shí)是必不可少的，以確?；局g呼叫信號(hào)的成功切換和準(zhǔn)確的傳輸，以及傳輸實(shí)時(shí)服務(wù)并符合無線電頻率法規(guī)。當(dāng)定時(shí)或同步丟失時(shí)，抖動(dòng)和漂移、封包丟失和丟幀會(huì)降低服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)，并對最終用戶體驗(yàn)產(chǎn)生負(fù)面影響。假如單個(gè)基站漂移至規(guī)定的頻率之外，那么用戶體驗(yàn)將受到呼叫干擾、掉話和受損數(shù)據(jù)服務(wù)的影響。假如違反了電信規(guī)則如E911的要求，運(yùn)營商便可能會(huì)承擔(dān)額外的費(fèi)用如報(bào)告停用，并遭到審查，另外還有可能被判罰款和牽涉潛在的法律訴訟。

正如所有的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)功能，即使發(fā)生主要網(wǎng)絡(luò)組件的失效或停用時(shí)，同步和定時(shí)解決方案也必須實(shí)施。當(dāng)主同步源中斷或不可用時(shí)，保持性能即是維持網(wǎng)絡(luò)同步穩(wěn)定的能力。在定時(shí)或同步基準(zhǔn)丟失的情況下，保持性能可以確保網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)運(yùn)行并可幫助保護(hù)運(yùn)營收益。通過延長網(wǎng)絡(luò)維持運(yùn)行的時(shí)間而無需上門服務(wù)(truck roll)，更長的保持性能周期實(shí)現(xiàn)了更有效的操作響應(yīng)。隨著蜂窩網(wǎng)絡(luò)過度到4G/LTE，銣原子鐘為網(wǎng)絡(luò)保持性能提供了最佳性能的解決方案，并且能夠在網(wǎng)絡(luò)性能降質(zhì)之前檢測到主同步信號(hào)中的微小誤差。相比其它保持性能的技術(shù)，采用嵌入式銣原子鐘的基站設(shè)備可以更長時(shí)間地保持精確性能和支持高QoS。

背景

傳統(tǒng)的時(shí)分多路復(fù)用(time division mulTIplex, TDM)數(shù)字電信網(wǎng)絡(luò)，采用兩種類型的同步原理來維持同步，即主基準(zhǔn)時(shí)鐘(primary reference clocks, PRC)，也稱為主基準(zhǔn)源(primary reference sources, PRS)，和時(shí)鐘分配系統(tǒng)，通過物理路徑來提供同步。PRC或PRS使用銫 (cesium) 原子鐘或者全球定位系統(tǒng)(global posiTIoning system, GPS)來為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它時(shí)鐘的同步提供基準(zhǔn)信號(hào)。同步分配系統(tǒng)也稱為大樓綜合定時(shí)供給系統(tǒng) (building integrated TIme supplies, BITS)、同步供給單元(synchronizaTIon supply units, SSU) 或獨(dú)立同步設(shè)備(stand alone synchronization equipment, SASE)，選擇進(jìn)入基站的其中一個(gè)主時(shí)鐘源作為有效同步基準(zhǔn)。同步分配系統(tǒng)提供同步輸出至所有中央辦公室網(wǎng)絡(luò)單元。基準(zhǔn)信號(hào)一般用來減小抖動(dòng)和漂移，并在保持模式下維持運(yùn)行。

從TDM到分組網(wǎng)絡(luò)的過度要求在同步架構(gòu)上有所改變，因?yàn)槭チ嗽具\(yùn)送同步信號(hào)的TDM鏈路，同步信號(hào)會(huì)中斷，而異步以太網(wǎng)不提供網(wǎng)絡(luò)單元之間的物理電路，因此基站的同步必須使用如IEEE 1588 (PTP)的封包定時(shí)技術(shù)來設(shè)計(jì)成封包回程、或在基站處安裝GPS天線和接收器來提供。在定時(shí)或同步基準(zhǔn)丟失的情況下，保持性能就成為確保最佳網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵。

保持性能的重要性

無論使用何種主要技術(shù)來同步分組網(wǎng)絡(luò)，在基站的規(guī)定要求內(nèi)，采用銣原子鐘技術(shù)是支持4G/LTE服務(wù)的一個(gè)關(guān)鍵。為確保網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)運(yùn)行，建議服務(wù)供應(yīng)商部署銣原子鐘技術(shù)來確保GPS或者PTP同步網(wǎng)絡(luò)的保持性能。

在有些基站雖然安裝GPS接收器提供服務(wù)但其僅能斷續(xù)接收到GPS信號(hào)，例如建筑物內(nèi)部、地下和市中心區(qū)域，保持性能對于基站的運(yùn)行是至關(guān)重要的。在由外部事件引起的GPS運(yùn)行中斷期間，，保持性能技術(shù)也是保持同步所必須的，例如在2007年美國海軍意外干擾了圣地亞哥地區(qū)的GPS信號(hào)。任何保持性能技術(shù)可以在基站的規(guī)范要求內(nèi)實(shí)現(xiàn)的持續(xù)時(shí)間是至關(guān)重要的。因?yàn)槿魏瓮C(jī)時(shí)間都會(huì)影響客戶的滿意度，而且某些故障需要上門服務(wù)，可能無法在幾個(gè)小時(shí)而是需要一整天或更長時(shí)間才能恢復(fù)，這大大影響了用戶體驗(yàn)質(zhì)量和運(yùn)營費(fèi)用。

保持性能的要求和技術(shù)

通過將可以暫時(shí)保持同步信號(hào)的振蕩器或原子鐘安裝在移動(dòng)電話基站收發(fā)信臺(tái)(base transceiver stations, BTS)中，可以實(shí)現(xiàn)保持性能。保持性能的時(shí)間可以從幾個(gè)小時(shí)到幾天，這取決于振蕩器技術(shù)(晶體鐘或銣原子鐘)、環(huán)境因素(溫度和溫度變化)、以及實(shí)施質(zhì)量(考慮并適應(yīng)老化影響的算法)。

保持性能的要求視乎類型、復(fù)雜性和運(yùn)營商要求而不同。4G/LTE時(shí)分雙工(time division duplex, TDD)網(wǎng)絡(luò)較2G/3G網(wǎng)絡(luò)具有更嚴(yán)格的定時(shí)要求，某些應(yīng)用如基于位置的服務(wù)和E911需要采用更嚴(yán)格的同步要求，才能夠從基站進(jìn)行三角測量來準(zhǔn)確地定位手機(jī)。

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，需要更高的同步精度。GSM和UMTS要求在傳輸接口上 的頻率同步精度為16ppb((parts per billion, ppb)，不要求相位同步。CDMA 2000增加了± 3到10微秒(μs)的相位同步要求，而4G/LTE TDD基站要求± 1.5 μs的相位同步精度(圖1)。

圖1：同步要求

最常用的具有保持性能的是恒溫晶體振蕩器 (oven controlled crystal oscillator, OCXO)，以往它一直能夠滿足GMS/UMTS和CDMA網(wǎng)絡(luò)需求。展望未來，銣原子鐘是一個(gè)更好的解決方案，提供更高等級(jí)的性能和精度，并具有更長的保持時(shí)間。這是一個(gè)典型的實(shí)施基準(zhǔn)：在目標(biāo)基站溫度環(huán)境中，銣原子鐘可以保持1.5微秒精度長達(dá)24小時(shí)，而在相同條件下，晶體振蕩器僅能確保在24小時(shí)下達(dá)到8微秒。(圖2)

圖2: 24小時(shí)保持性能

即使對于精度要求并不嚴(yán)格的2G/3G環(huán)境，銣原子鐘也提供了明顯優(yōu)勢，因?yàn)楦L的保持時(shí)間可省去周末或夜間的上門服務(wù) (truck roll)。

我們必須指出的是，不同等級(jí)的振蕩器提供不同的保持性能，當(dāng)然在成本上也是不同的。此外，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)也可以產(chǎn)生重大影響;例如軟件算法可以彌補(bǔ)由于振蕩器老化而產(chǎn)生的精度變化。圖3展示了恒溫晶體振蕩器與銣原子鐘的時(shí)間漂移比較。重點(diǎn)是，對于基站來說，在類似的環(huán)境情況和價(jià)格/性能范圍內(nèi)，銣提供的保持性能明顯勝過晶體振蕩器。

圖3：隨時(shí)間的漂移

支持銣原子鐘保持技術(shù)的其它重要因素有：

● 最新的小型銣原子鐘與用于保持性能的OCXO器件的大小和外形相同，易于嵌入到設(shè)備設(shè)計(jì)中。

● 創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了更低的功耗，而動(dòng)力性能將繼續(xù)改進(jìn)

● 最重要的是，銣原子鐘的成本銳減：五年前的價(jià)格是兩年前的兩倍，今天技術(shù)創(chuàng)新延續(xù)了價(jià)格下降的趨勢。

未來的同步和保持性能技術(shù)

運(yùn)營商服務(wù)可用性一直依賴于冗余和備份解決方案來滿足他們客戶的期望。用于分組網(wǎng)絡(luò)的可靠端對端同步解決方案要求在基站使用主同步源 (無論是IEEE-1588 PTP還是GPS) 和嵌入式銣原子鐘。復(fù)雜算法可自適應(yīng)管理 (adaptively manage) GPS和其它同步信號(hào)源，從而提供更佳的同步輸出精度和穩(wěn)定性。在這個(gè)解決方案中，不同的技術(shù)彼此輔助以延長銣原子鐘的保持時(shí)間，而且基站也可以安裝在過去無法安裝的位置上。這個(gè)方法已經(jīng)進(jìn)行了部署測試，并已針對運(yùn)營商做好加入4G/LTE增建計(jì)劃的準(zhǔn)備(圖4)。

圖4：用于4G/LTE增建的多種同步技術(shù)

結(jié)論

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向4G/LTE方向發(fā)展，以及更嚴(yán)格相位要求的增加，同步要求變得更加嚴(yán)格。為滿足1.5 μs的相位要求并確保網(wǎng)絡(luò)持續(xù)運(yùn)行，需要采用銣原子鐘來提供網(wǎng)絡(luò)保持性能，并在同步信號(hào)丟失時(shí)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。銣原子鐘結(jié)合了性能、成本和易于實(shí)現(xiàn)的特性優(yōu)勢，其價(jià)值對于基站臺(tái)接收站(base transceiver station)越來越具吸引力。