Microchip Technology Inc.

戰略應用、時序和通信業務部

高級技術顧問

Darrin Gile

網絡中的各個元素必須符合特定的頻率、相位和時間要求，以確保網絡實現正確的端到端運行。由O-RAN聯盟定義的同步架構決定了開放式RAN設備將如何滿足這些要求。

一直以來，開放式RAN吸引著那些希望降低成本、提升競爭力和推動技術創新的服務提供商的目光。市場對分布式虛擬RAN架構的渴求，為5G網絡領域帶來了更多的靈活性、競爭性與開放性。

O-RAN聯盟成立于2018年，初衷是為了實現硬件標準化并定義開放式接口，以確保供應商設備之間的互操作性。O-RAN.WG4.CUS.0-v10.00中已經定義了有關控制、用戶和同步平面的協議、架構和要求。

S平面和精度

同步平面（S平面）解決了O-RAN無線電單元（RU）和分布式單元（DU）之間前傳網絡連接的網絡拓撲和時序精度限制問題。有關頻率、相位和時間同步的要求需遵循3GPP建議并與ITU-T網絡和設備限制相符。對于時分雙工（TDD）蜂窩網絡，TDD蜂窩網絡的基本精度要求是基站之間為3 µs，以及最終應用與公共點之間為±1.5 µs（G.8271）。如果是使用高級無線電技術（例如協作多點或MIMO技術）的設備，其精度要求將更加嚴格。為了滿足此類更加嚴格的網絡限制要求，設備需要符合G.8372.2中定義的C類（30 ns）最大絕對時間誤差要求。

授時配置

S平面由四種拓撲組成，用于通過前傳網絡（RU到DU）分配定時。此類配置將依靠基于時間的同步技術與基于頻率的同步技術的組合。位于網絡中的主參考時鐘（PRTC或ePRTC）將為每個網絡元素提供基準時間。使用GNSS、精確時間協議（PTP）和物理層頻率源（最常見的是同步以太網（SyncE））可確保RU能夠可靠地接收頻率，而且更重要的是，能夠接收網絡運行所需的相位和時間同步信息。

圖1和圖2顯示了四種用于在開放式RAN前傳網絡中支持網絡同步的已定義配置。

圖1. 在這些配置中，授時來自上游（左）或來自前傳中的T-BC（右）。

圖2.DU和RU通過交換芯片從PRTC（左）獲取時間，而授時來自GNSS（右）。

配置LLS-C1

第一個配置的同步需通過DU和RU之間的直接連接來進行。O-DU將從與O-DU位于同一地點的精確實時時鐘/電信級主時鐘（PRTC/T-GM）處接收網絡時間，或者從網絡中位置更靠后的遠程PRTC/T-GM處接收網絡時間。

配置LLS-C2

在配置LLS-C2中，DU仍從位于同一地點的PRTC處或位于網絡中更上游的PRTC處接收網絡時間。網絡時間將通過駐留在前傳網絡中的其他交換芯片從DU進行傳遞。為了獲得最佳性能，這些交換芯片應包含一個完全感知（G.8275.1）網絡，其中每個節點都能夠充當電信邊界時鐘（T-BC）。此外，還可以使用有一個或多個交換芯片不參與PTP過濾的部分感知網絡。通過前傳網絡的躍程類型和數量將限制網絡的整體性能，具體取決于前傳網絡的類型。例如，由C類（30 ns）T-BC組成的完全感知網絡能夠比由B類（70 ns）T-BC組成的完全感知網絡促進的躍程更多。

配置LLS-C3

在第三種配置中，DU和RU都將從位于前傳網絡中的PRTC處接收網絡時間。

與LLS-C2一樣，網絡時間可以通過完全感知或部分感知交換芯片在前傳網絡中傳播。在某些情況下，DU可以作為T-BC參與將時間傳遞給RU的過程。

配置LLS-C4

配置LLS-C4是四種拓撲中最優先采用且最容易實現的，但可能也是成本最高的一種。在此配置中，RU會從用作每秒脈沖數（PPS）時鐘的GNSS處獲取時間，或從位于同一位置的PRTC/T-GM處獲取時間。5G NR站點的龐大數量以及GNSS天線的嚴苛位置要求可能會使該配置的部署變得成本高昂或不切實際。此外，無線電站點的GNSS還可能更容易受到欺騙或干擾，這可能會造成正常運行的中斷。

設備設計

和網絡部署一樣，網絡設備的同步設計也需要適當的規劃和設計工作。為了符合網絡同步限制要求，設備會將時間戳工具、高級鎖相環（PLL）、可靠的PTP支持軟件和精密振蕩器（圖3）搭配使用。

圖3.網絡設備會將PTP軟件、系統同步器、PLL和時間戳工具搭配使用。

設計的第一個關鍵部分是系統同步器，該器件由多個高級PLL組成。同步器可為SyncE時鐘提供抖動和漂移濾波、輸入參考時鐘監視、無損傷參考時鐘切換以及用于精細PPS/PTP時鐘控制的數控振蕩器。PLL還可提供能夠直接鎖定到PPS時鐘源的帶寬。

精確的時間戳工具、PTP軟件和高級算法將管理PTP流量，并提供準確跟蹤T-GM相位和時間所需的調諧計算。最后，精密振蕩器對于確保獲得適當的保持和整體性能參數起到至關重要的作用。

這些構件對于DU、RU以及任何參與定時分配的交換芯片而言都是相同的。功能模塊的實際實現可能會因具體用例的不同而有所差異。例如，精密振蕩器可能會因每個網絡元素的保持要求不同而變化。DU需要更高的穩定性，且必須支持比RU更長的保持時間。因此，RU設計可以選擇更高端的溫度補償晶體振蕩器（TCXO）或恒溫控制晶體振蕩器（OCXO），而DU則可能會使用更加昂貴的OCXO。

改善定時延遲

可以采用多種技術中的任意一種來提高一臺設備的整體時間精度。這些技術包括基本設計項目（例如將時間戳工具盡可能靠近設備邊緣放置）以及用于系統內相位管理的更為復雜的系統校準。使用SyncE（或更具體地說，使用G.8262.1中定義的增強型同步設備從時鐘（eEEC））可以提供穩定的頻率參考，從而極大提升混合配置中的整體相位性能。

當與MACsec等安全協議搭配使用時，請注意確保加密/解密幾乎或完全不會為時間戳功能增加延時。應當正確設計和選擇高級算法的性能以及精密振蕩器的穩定性，以實現所需的性能。對于更復雜的設計，確保PPS時鐘分配中所涉及的所有定時組件能夠最大限度減少輸入到輸出延時變化和輸出到輸出偏差，對于滿足最嚴格的設備限制要求來說至關重要。一些同步器能夠利用校準功能來實現精細的相位控制測量與調整。此外，還可以對精密振蕩器的溫度和老化所引起的相位誤差進行額外補償。可以使用上述部分或全部方法來確保設備符合時間和精度限制要求。

最初，農村和私有綠地網絡一直是部署開放式RAN的理想起點。隨著越來越多的宏部署開始上線，提供高精度的網絡同步開始對實現超低延時應用和高級無線電技術所需的性能有了極其重大的意義。