1为什么无线通信网络需要同步?

无线网络是由一个一个的基站组成的。单个基站的覆盖范围和容量有限,因此基站间需要进行各种信令交互来实现小区选择,重选,切换,负荷均衡,干扰协同等复杂的操作。

 

5G 基站组网示意图

 

各个基站要交互信息,除了信令能互相理解之外,还需要步调一致,准确知道对方目前的状态,预知下一个时刻将要发生的动作,才能配合默契。

 

我们以 5G 为例,在 TDD 模式下,时间是用来区分上下行的,基站间需要严格步调一致。如果相邻基站没有采用相同的时间基准,一个正在进行下行发射,另一个却在进行上行接收,发射基站的信号会进入接收基站,从而产生强烈干扰,系统完全无法运转。

 

 

如下图所示,一个 5G 的上下行传输周期包含若干个下行时隙,若干个上行时隙,中间的一个灵活时隙(也称作特殊时隙或者 S 时隙)作为上下行的转换点。都每个基站必须在时钟同步下严守这样的节律来传输数据。

 

5G 帧结构

 

因此,“同步”是所有无线网络正常工作的基础。

 

2、什么是频率同步和相位同步?

同步,从字面意思上看,是指两个或两个以上随时间变化的量在变化过程中保持一定的相对关系。

 

到底是怎么样的相对关系呢?一般根据关系的紧密程度分为“频率同步”和“相位同步”这两个级别。

 

频率同步是指两个基站的时钟的变化频率一致,而相位则不一定一致,可以保持相对固定的差值。

 

 

假设两个基站内部各有一个钟表,在某一时刻,表 A 指示的时间是 12:15,表 B 指示的时间为 11:45,很显然,他们的时间相差 30 分钟,也就是相位不同;在下一时刻,表 A 指示的时间是 12:25,表 B 指示的时间是 11:55,它们虽相位不同,但时间差还是 30 分钟。如果在其他时刻这两个表的时间始终相差 30 分钟的话,就可以认为它们走的快慢一致,是频率同步的。

 

相位同步是指两个基站的时钟的相位始终保持一致。

 

还以表 A 和表 B 为例,在相位同步下,它们每时每刻指示的时间都是一模一样的,不但要走得快慢一样,还不允许有任何时间差。因此,相位同步也叫做“时间同步”。

 

 

由此可见,相位同步的要求比频率同步要高得多,频率同步是相位同步的基础。

 

频率同步的精度使用频率偏差或者频率稳定度这个指标来衡量,其单位是 ppm,全称为 part per million,意为百万分之一,无量纲。它表示在一个特定中心频率下,允许偏差的值,该值越小则同步精度越高。

 

ppm 和赫兹之间的换算关系如下公式:

f = (f*ppm)/10^6

 

这里 ppm 是最大变化值(+/-),f 是中心频率(赫兹),△f 是允许最大的频率变化范围。

 

例如:如果系统时钟频率为 100MHz 的话,允许的频率误差为 100 ppm,利用上面公式得出频率的变化是 10kHz。那么系统可接受的最大频率是 100.01MHz,最小是 99.99 MHz。

 

ppm 这个单位有些大,有时候,也会用到 ppb。ppb 的全称是 parts per billion,意为十亿分之一。1 ppb 为 1 ppm 的千分之一,即:1 ppm = 1000ppb。

 

而表征相位同步的方式就要直接地多,直接以时间为单位,一般使用微秒(us)来表示。毕竟相位和时间息息相关,相位同步也叫做时间同步。

 

3不同的网络制式,对于同步精度的需求有什么不同?

不同的无线制式,对于频率同步和相位同步有着不同的要求,如下表所示。

 

不同无线接入技术(2/3/4G)的同步需求

 

总体来看,使用 FDD 双工方式的技术,比如 2G 中的 GSM,3G 的 WCDMA,以及 4G 的 LTE FDD 都只需要频率同步,精度为 0.05ppm(或者 50ppb);而使用 TDD 双工方式的技术,比如 3G 的 TD- SCDMA,4G 的 LTE TDD 等,则需要更为严格的相位同步,精度一般为±1.5us。

 

CDMA 是个特例,它虽然采用 FDD 双工方式,但其长短码都是 m 序列,不同的 m 序列通过相位来区别,所以各基站需要严格的相位同步。

 

对于 5G 来说,双工模式因频段不同而不同,目前以 TDD 为主,FDD 为辅,因此不同基站间也需要相位同步。其基本的业务的同步精度需求跟 4G 基本相同。

 

但 5G 的一些高级功能还可能需要站内各小区间,甚至站间的协同增强,从而使同一个用户的数据可以通过不同的有源天线单元(AAU)收发,在交叠覆盖区合并多个信号,从而有效提升业务带宽。

 

这些高级功能对同步精度提出了更为严格的要求。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。

 

来源:IMT-2020 推进组,5G 同步组网架构及关键技术白皮书

 

另外,5G 网络支撑的多种新业务也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。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。

 

综上,高精度相位同步,将成为 5G 网络施展拳脚的关键基础。