因應高速傳輸與低延遲應用 5G時間同步成大挑戰

作者 : Danny Lin,Anritsu Taiwan

時間同步一直是無線通訊提供的重要功能,在5G時代採用分時雙工(TDD)技術並訴求低延遲技術。現在5G選擇時間同步技術有三種,分別是GPS、IEEE 1588和同步乙太網路…

時間同步一直是無線通訊提供的重要功能,在5G時代採用分時雙工(Time Division Duplex,TDD)技術並訴求低延遲。隨著5G應用的蓬勃發展,諸如製造商能夠利用自動化、人工智慧(AI)、擴增實境(AR)、虛擬實境(VR)、合併實境(Merged Reality,MR),以及物聯網(IoT)來達到「智慧工廠」。5G技術支援AR/VR應用,因此在零售業有機會在實體店面推出更多AR/VR服務體驗。

此外,未來AR/VR的應用上,亦能夠支援使用者與虛擬人物的互動。因為這些應用服務都需要低延遲,這使得時間同步化重要性被大大的突顯出來。過去4G時期,每一座基地台僅安裝一個全球衛星定位系統(GPS)作為時脈源(Clock Source),除非當前使用的GPS模組異常,否則4G是每一座基地台都擁有自己獨立的時脈源機制。

5G應用的同步技術選擇

現在5G選擇的時間同步技術有三種,分別是GPS、IEEE 1588和同步乙太網路(Synchronous Ethernet)。由於過去4G延續佈建的5G基地台多數仍是採用傳統GPS來進行時間同步,然而針對新供裝的5G基地台,可能會因為空間,以及佈建成本高昂,且5G傳播範圍有限制,因此目前的作法是會搭配5G小型基地台(small cell)建置。可能在高樓大廈內、辦公室或是工廠等比較難接收GPS訊號或容易受干擾位置,因為這些因素部分可能會改為採用由Fronthaul所提供的IEEE 1588 v2與同步乙太網路兩種模式來進行時間與頻率同步。

簡單來說,採用實體(PHY)轉送同步乙太網路訊號,並於ITU-T G.8261、G.8262及G.8264定義,以及以TCP/IP通訊協定為基礎的同步,於IEEE 1588 v2精確時間協定ITU-T在G.8265.1 IEEE 1588 v2電信規範中定義。

隨著智慧型手機的發展高頻寬的數據傳輸,到自駕車AI的運算,以及搭配終端設備的運用AR、VR、MR等技術,用在智慧工廠、智慧製造等多元應用的發展,3GPP定義5G NR行動網路採用TDD系統,其時間同步要求在±1.5μs。如果行動通訊裝置彼此的時間同步異常不正確,將影響手機在基地台之間切換和漫遊與數據傳輸等進行。

國際組織針對5G定義時間同步準則

3GPP TS 38.104、38.133與IEEE 802.1CM針對4G/5G傳輸網路時間同步有很嚴格的定義,來避免終端使用者無論是通話、資料與影像傳輸等異常。圖1可以看到由頭端(Head End) Grand Master Clock經由局端Switch轉送至RU,甚至於終端裝置TE (Time Error)必須≦ 1.5μs,RU跟RU彼此之間的時間同步TAE (Time Alignment Error)必須≦ 3μs。另外針對MIMO、連續頻段載波聚合(Carrier Aggregation)與非連續頻段載波聚合也定義TAE需≦ 65/130/260ns。

 

圖1:來自Fronthaul的IEEE 802.1CM參考。

 

5G佈建選擇與時間精準度造成的影響

接著來看依據實際的建置場景,應該如何確認同步時間準確度。

1.單一5G基地台戶外站體;

2.多個5G基地台戶外站體;

3.各業者在近距離進行單一或是多個5G基地台供裝(不同頻率TE驗證);

4.5G small cell與室內GPS;

5.5G small cell與室內同步採用IEEE 1588 v2。

 

圖2:單一基地台與多基地台模式。

 

在單一基地台且有安裝GPS的情況下,僅需要考慮由基地台發射的RF訊號到終端手機的TE,此時僅需標準的RF解調變測試儀器本身也與GPS進行同步,即可量測兩者間的TE,如圖3所示。安立知(Anritsu) MS2090A頻譜分析儀與GPS衛星系統進行同步,此時該5G基地台本身也與GPS進行同步,MS2090A會依據收到的SSB計算其時間戳,來計算彼此間的TE,測試結果如圖4。

 

圖3:單一基地台TE量測架構。

 

圖4:單一基地台TE量測結果。

 

在多個5G基地台且各自有安裝GPS或是由Fronthaul提供IEEE 1588 v2同步的情況下,不僅需要考慮由各基地台發射的RF訊號到UE的TE,也要同步瞭解各BTS間彼此的TE來確保訊號傳遞與服務的可靠性。

如圖5與圖6所示,在實際的使用場景,使用者的終端手機會在多個基地台中進行選擇與Handover,此時如果其中一個基地台的時間同步異常,將會衍生斷線甚至是傳輸不穩定的狀況發生。

 

圖5:多基地台TE量測架構(1)。

 

圖6:多基地台TE量測架構(2)。

 

在多基地台(PCI)的情況下,安立知MS2090A與GPS衛星系統進行同步後,此時該儀器可以經由解調SSB Index確認PCI number,並依據收到的SSB計算其時間戳,來計算各別PCI的TE與彼此間的TE (如圖7測試結果)。

 

圖7:多基地台TE量測結果。

 

針對5G small cell與室內GPS,以及5G small cell與室內同步採用IEEE 1588 v2兩種供裝與同步方式,過去進行RF TE量測時並未考慮到室內可能無法進行GPS供裝,如果依據傳統的量測方式是在戶外進行GPS定位後,然後依據儀器本身的Holdover機制確保一定時間內的精準度與飄移在可接受範圍內,但是室內可能會因為距離與多重路徑反射造成飄移進而影響時間精確度。安立知MS2090A新的時間同步測試內加入了GMC考量,將可大大提供室內量測的精度與準確度。

1.該GMC功能可以搭配Ethernet Tester所量測到的GMC offset輸入至MS2090A offset欄位內來確保室內精確度;

2.如果沒有Ethernet Tester所量到的GMC offset值,亦可以使用輸入距離參數來進行估算(儀器到small cell天線的距離)。

 

圖8:搭配Ethernet Tester來量測GMC Offset。

 

隨著5G的佈建越來越多,搭配多變,5G高速傳輸需求與不同環境應用,未來如何進行相關時間同步的測試,以避免後續衍生的干擾甚至造成的服務中斷,是當前服務提供商面對至關重要的問題,本文僅針對目前環境與實務測試上的應用提出測試相關建議與看法。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年8月號

 

 

 

 

 

 

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