I M T- 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G同步组网架构及关键技术白皮书 目录 引言 P1 5G同步需求 P2 5G高精度时间同步组网模型 P5 5G高精度同步关键技术 P8 总结与展望 P14 主要贡献单位 P15 IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架 构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力 量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。 I M T- 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G同步组网架构及关键技术白皮书 引言 5G牌照已经发放，5G商用蓄势待发。5G网络正处于标准完善和产业化培育应用的关键时期，5G 同步网作为必不可少的基础支撑网络，急需在技术和产业发展方面尽快推动，有力支撑5G商用。 5G同步用于支撑5G网络和业务，包括频率同步和时间同步，频率同步相对于现有无线通信系统并 无明显变化，而时间同步则要求更加严格，本白皮书重点研究了5G时间同步组网架构和关键技术。 本白皮书在分析5G系统时间同步需求的基础上，结合应用场景、安全可靠性、成本等多方面因 素，剖析基于高精度时间同步地面组网解决5G系统同步的必要性，并提出高精度同步通用组网模型， 重点研究了高精度源头、高精度同步传输、高精度同步监测等关键技术。本白皮书将为我国后续5G同 步技术方案选择及组网策略制定、国际国内标准推动、同步网平滑演进等提供重要指引。 1 I M T- 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G同步组网架构及关键技术白皮书 5G同步需求 1 5G基本同步需求与4G相同 基本时间同步是所有时分复用（TDD）制式无线通信系统的共性要求，其对基站空口时间偏差进 行严格限定，主要是为了避免上下行时隙干扰。 在TDD制式无线通信系统实际部署时，基站间同步偏差、保护周期（GP）、基站收发转换时间、 小区覆盖半径等多方面因素相互制约，应满足如下关系： …………… 公式（1） 其中，TSync是基站间时间偏差，TGP是保护周期时间， 迟， 是基站从“开”到“关”的转换延 是基站从“关”到“开”的转换延迟，Tprop，BS1-BS2是基站间距离引入的传输时延。 根据公式（1），各种影响因素相互关系如表1所示。 表1 各种影响因素相互关系 根据表1，对于目前普遍采用的6G以下频段，4G TDD系统采用固定子载波间隔15kHz，GP配置 单符号，保护周期时间为71.4µs，在一定覆盖范围内，要求基站间时间偏差应小于3µs。5G 系统根 据子载波间隔可灵活扩展的特点（即NR的子载波间隔可设为15 (2^m) kHz，m∈{-2, 0, 1, ..., 5}），通过在GP中灵活配置多个符号的方式，使得基站间时间偏差要求仍应小于3µs，与4G TDD基本 时间同步需求相同。 2 I M T- 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G同步组网架构及关键技术白皮书 2 5G协同增强提出100ns量级高精度需求 站间协同增强是指到同一个用户的数据可以通过不同基站的有源天线单元（AAU）收发，使用户 可以在交叠覆盖区合并多个信号，从而有效提升业务带宽。多信号间的时延差须满足一定要求，否则 无法合并。根据3GPP TS36.922协议描述，站间协同要求满足如下关系： TD1+ TD2 + TD3 = Total TD ≤ CP …………………………… 公式（2） 其中，TD1为不同AAU空口到用户终端（UE）因不同距离产生的时延差，TD2为多径传播导致的 时延差，TD3为不同AAU空口之间的时间偏差，Total TD为不同AAU信号到达UE侧的时间总差值， CP为防止符号间干扰的循环前缀。根据公式（2），为顺利实现协同功能，不同AAU空口信号到达UE 的总时差应小于CP的长度。 根据3GPP R4-1802142 CR 38104-f00，不同类型的协同增强同步要求如表2所示，其中，多入 多出（MIMO）和发射分集技术的时间偏差要求为65ns，对于带内连续载波聚合（CA），低频基站 （Sub 6G）时间偏差要求为260ns，高频基站（Above 6G）时间偏差要求为130ns，带内非连续CA和 带间CA的时间偏差要求均为3µs。 表3给出了5G协同增强技术应用场景说明。其中，MIMO、发射分集、带内连续CA主要发生在 AAU内部，很小可能发生在同一基站的不同AAU之间，而带间或带内非连续CA则正好相反，主要发 生在同一基站的不同AAU之间，很少发生在AAU内部，另外，各种协同增强均基本上不发生在不同基 站的AAU之间。 表2 5G不同类型的协同增强同步要求 表3 5G协同增强应用场景说明 3 I M T- 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G同步组网架构及关键技术白皮书 综上，为了提升覆盖效率和服务体验，多天线MIMO、多点协调、载波聚合等协同增强技术将在 5G系统中得到更广泛的应用。为了确保协同有效，来自不同协同点信号的时间差不能超过循环前缀 CP，从而对协同点之间的时间偏差提出了100ns量级甚至更高的苛刻要求。 3 部分新业务需要更高精度同步 5G网络支撑的多种新业务可能具备高精度同步需求，包括高精度定位业务、高速移动业务覆盖、 业务时延精确测量、各种垂直行业应用（如物联网，车联网，智能制造）等。典型的基站定位服务， 主要基于到达时间（TOA）或到达时间差（TDOA）技术，时间同步精度与定位精度要求直接相关。 例如，要满足3m的定位精度，要求基站间的空口信号同步偏差为10ns；要满足m级的定位精度，要 求基站间的空口信号同步偏差为3ns。5G基站部署密度大，基于基站提供定位服务具有天然优势， 特别是在卫星信号覆盖盲区，该优势更加凸显。随着高精度定位服务需求爆炸式增长，作为定位服务 提供的重要手段，基于5G系统基站定位极具潜力，可与其它定位技术相结合，满足m级及以上的定位 需求。 4 I M T- 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G同步组网架构及关键技术白皮书 5G高精度时间同步组网模型 1 5G高精度同步地面组网是大势所趋 长期以来，运营商主要采用在基站加装卫星接收机的方式满足无线移动通信系统的同步需求。在 4G时代，部分运营商通过地面同步组网方式解决无线基站的同步问题，但一般作为备用，或者用于解 决卫星信号难以覆盖区域的基站同步，如地铁、地下车库、部分城区高楼等。 相对于4G系统，5G系统具有如下新的同步需求特点： • 同步需求精度更高。根据第2部分分析，5G系统既有µs量级的基本业务同步需求，也有100ns量 级的协同增强技术同步需求，还有其它新业务的更高精度同步需求，基站直接通过普通卫星接收机单 站授时难以完全满足要求； • 同步应用场景更加复杂。5G系统的一大特点是部分应用场景基站部署密度大，随着中国城市化 不断推进，室内基站占比增大，将会存在大量无法获取卫星信号的5G基站部署场景； • 同步的安全可靠性要求更加严格。同步是确保5G系统安全可靠运行的前提，鉴于5G系统本身 及其所支撑业务的重要性，相应对同步的安全可靠性也提出更高的要求。考虑到卫星信号受到无意或 有意干扰导致失效的情况越来越多，卫星信号被攻击（如伪卫星欺骗）的案例时有发生，5G同步完全 依赖于卫星授时将会带来极大安全隐患； • 成本方面更加敏感。5G基站部署规模大，若每个基站均加装卫星接收机，设备投资和运维成本 巨大，而通过承载网络带内方式实现地面高精度同步组网，建设与运维成本相对较低。 鉴于上述分析，为满足5G系统的同步需求，解决卫星覆盖盲点问题，提升安全可靠性，节约建设 和运维成本，研究建设自主可控、安全可靠的高精度时间同步网是大势所趋、非常必要。需要说明的 是，建设高精度地面时间同步网，并不会一步到位完全替代基站卫星授时方案，两者是天地互备的关 系，将会长期共存、相互补充。 5 I M T- 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G同步组网架构及关键技术白皮书 2 5G高精度同步通用组网模型 国内CCSA，国外ITU-T、3GPP、CPRI、IEEE以及ORAN等多个标准化和行业组织正针对5G同 步解决方案开展研究。目前来看，相对于光纤授时、网络时间协议（NTP）等技术，基于高精度时间 协议（PTP）组网是5G高精度时间同步的最主要实现方案。 基于PTP的5G高精度时间同步通用组网模型如图1所示。 图1 5G高精度时间同步通用组网模型 作为源头设备的高精度时间服务器（PRTC/ePRTC）可采用卫星授时关键技术（见第4部分第1 节），在卫星不可用的情况下，可通过地面获取超高精度时间同步信号（如通过光纤授时溯源至国家 守时单位），从而确保5G时间同步网自主可控。PRTC/ePRTC通常同时实现祖时钟（GM）功能，因 此图1参考点A一般位于设备内部，在这种情况下无需对其性能要求进行规范。高精度时间服务器的性 能指标应满足ITU-T G.8272.1标准的要求，即时间精度应优于±30ns。 图1参考点B和C之间属于5G时间同步网的核心部分，可采用高精度同步传输技术（见第4部分第2 节）实现高精度同步承载，属于由多个电信用边界时钟（T-BC）组成的同步链。需要强调的是，单个 节点的时间同步性能和网络规模（时间同步链的跳数）是B与C之间承载部分同步指标的两个重要制约 参数。为了提升端到端同步性能，扩大组网规模，要求传输设备单节点时间同步精度应优于一定的限 值（例如，ITU-T G.8273.2规定类型 C和类型D的T-BC的时间误差在10ns量级甚至更小）。 6 I M T- 2 0 2 0 ( 5 G ) 推 进 组 5G同步组网架构及关键技术白皮书 图1中参考点C或D属于5G时间同步网与无线末端设备（如5G基站）连接点，可考虑采用高精度同 步接口（如带内10GE/25GE光）进行对接，降低局内互联引入的时间误差。在5G组网中，通过对5G 网络无线接入网（RAN）侧功能的重新划分，以及基于以太网的eCPRI接口在前传中的使用，图1中从 时钟（Slave）可能和末端应用（例如AAU）集成在同一设备中，因此参考点D有可能位于无线设备内 部。 5G同步需求一般是以无线空口（图1参考点E）间的相对时间偏差来衡量，而同步网一般通过实现 相对于协调世界时（UTC）的绝对时间精度来满足无线侧的相对时间精度要求。例如，为了满足两个 AAU的无线空口参考点E之间的相对时间偏差（如3µs），要求每个AAU无线空口输出相对于UTC