摘 要：5G网络与4G相比，在峰值速率、网络时延、系统容量等性能指标方面将出现大幅度提升，由此对系统的时间同步提出了新的要求。通过地面卫星组网，为5G网络提供卫星校时系统，本文分析单频授时技术、双频授时技术、卫星共视技术的优劣。
关键词：5G时间同步;地面卫星;授时系统
中图分类号：TN927+.2 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）24-0060-03
Abstract：Compared with 4G，5G network will be greatly improved in peak rate，network delay，system capacity and other performance indicators，which puts forward new requirements for system time synchronization. Through the ground satellite network，the satellite timing system is provided for 5G network，and in this paper the advantages and disadvantages of single frequency timing technology，dual frequency timing technology and satellite common view technology are analyzed.
Keywords：5G time synchronization;ground satellite;time dissemination system
1 5G同步需求
5G网络（5G Network）是第五代移动通信网络，其峰值理论传输速度可达每8秒1GB，比4G网络的传输速度快10倍以上。与4G相比，5G在峰值速率、网络时延、系统容量等性能指标方面将出现大幅度提升，由此对系统的时间同步提出了新的要求。
5G时钟同步包括频率信号同步和时间信息同步，频率同步只要调整时钟信号与时钟源频率相同，不需要相位同步。时间同步要求各设备之间的时刻信息相同，维持时间同步比维持频率同步的难度要大，在要求频率同步的同时还要维持相位同步，不允许相位累计，时刻保持频率和相位同步。
在5G时间同步方面，ITU已经制定了新的标准。例如，核心网的时间服务器指标误差过去是±100ns，现在缩减到了±40ns。
只有保证基站间严格的时间同步，5G网络才能顺利地承载大量的行业应用，确保用户感知。特别的是，在协同工作、测距定位、时延测量、精准控制等部分领域的垂直行业，5G应用需通过基本同步及协同增强同步获得更高精度的同步。
在同步网的建设过程中，需要考虑网络发展的后向兼容性，保证面向5G需求的时间同步网能够实现平滑演进。5G同步网作为重要的通信基础设施，不仅需要进一步完善同步网的架构，提高同步网的时间精度、安全性、可靠性和健壮性，而且需要提升同步网的可服务性和易用性。面向高精度的时间同步解决方案的初步意向主要集中在提升PRTC、承载网、基站的时间同步精度，同时减少组网的跳数。在基准源方面，在传统多制式卫星（GPS/北斗/GLONASS）参考源的基础上，增加国家高精度地基授时系统的专用光纤网络参考源，实现对天上卫星失效的可靠备份。通过建立基于光纤的地面时间同步网络，为基站提供空中和地面一主一备的两路时间同步信号是业界认同的最佳方案。此外，利用高精度地基授时系统的专用光纤网络提供的参考源，还可以对5G同步网的重要节点进行实时的性能监测。在组网架构方面，采用共视法和高精度地基授时系统专用光纤网络参考源，可以实现真正的全网同步，从而为5G网络提供一张安全可靠、自主可控的高精度时间同步支撑网。
2 5G地面卫星组网
在4G时代，为了实现组网同步的需求，卫星接收机作为标配在基站中内置实现基站同步。相比之下，5G同步具有鲜明特点：同步精度高、应用场景复杂、安全可靠性要求严格、成本更敏感。
基于高精度时间协议（PTP/1588）组网是5G高精度时间同步的最主要实现方案;
高精度同步源头PRTC/ePRTC通常同时实现祖时钟（GM）功能，时间精度应优于±30ns，满足ITU-TG.8272.1标准的要求;
采用高精度同步传输技术实现高精度同步承载。传输设备单节点时间同步精度应优于一定的限值（例如，ITU-TG.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）;
一般通过实现相对于UTC的绝对时间精度来满足无线侧的相对时间精度要求。为了满足两个AAU的无线空口参考点E之间的相对误差（如3us），要求每个AAU无线空口输出相对于UTC的绝对时间误差满足一定的限值即可（如±1.5us）。
单频授时技术、双频授时技术、卫星共视技术的授时技术比较，如表1所示。
卫星授时的精度取决于卫星系统、大气层、接收系统、本地钟源、锁相环和分发接口等多个要素，其中卫星接收部分对精度的影响比重最大，提升卫星接收部分的精度成为5G时间服务器精度提升的关键技术。
卫星单向授时是目前传统的也是应用最广泛的卫星授时方案。其成本较低，可独立部署应用，但无法解决性能监测问题，精度无法满足高精度源头设备（如ePRTC）的要求。
双频接收机是相对于单频接收机而言的，双频接收机可同时接收GPS的L1、L2或者北斗的B1、B2载波信号，利用双频载波信号受电离层延迟影响的差异性，可以有效消除电离层对电磁波信号的延迟影响，从而提升卫星授时精度。
双频修正电离层延时方法在业界已经成熟应用，只要时间服务器采用相应的卫星天线和卫星接收机，可以独立部署，精度上一般可以做到±30ns。卫星双频技术能够满足高精度源头设备性能要求，可以独立部署应用，可作为高精度时间服务器实现技术。
卫星共视法利用了卫星到两站路径中误差的相关性，通过相减来抵消共同误差的影响。卫星共视不仅类似于双频消除了大部分路径延迟的影响（比如电离层延迟），同时还完全抵消了星载钟的影响，提高了两地相对钟差的精度，从而达到高精度时间比对，卫星共视法比对精度可达10ns。卫星共视技术比较成熟，性能较好，但无法独立部署应用，需主从站配合使用，并配置数据通道进行数据交互。
基于现有1588v2优化能够实现高精度同步传输，打戳位置尽量靠近物理接口，尽量减少光模块内部的半静态延时误差和动态延时误差;提升打戳精度，提升打戳采样时钟的频率，或者采用其他方法提升打戳分辨率;改进同步算法，提升系统RTC同步精度;加强模块间协同，提升系统内部RTC之间（如接口卡和时钟卡）同步对齐精度;选取优质品振，提高本地时钟的稳定度。提升时间同步和频率同步的动态性能和保持性能。
3 中国地面卫星授时系统
众所周知，卫星导航授时系统作为国家重要的空间信息基础设施，可以提供精确定位和精准授时功能。无论是对于国防，还是社会生产、日常生活，都具有极其重要的战略意义。也是一个国家自主和安全的保障基础。
中国的北斗导航授时系统总体上可以分成三代：
第一代，部署时间：2000年10月～12月。2+2（备用）颗卫星，属于有源区域卫星导航系统。其服务范围为国内;定位精度为20米;授时精度为100纳秒。
第二代，部署时间：2007年至2012年。由14颗北斗二号（5颗静止轨道导航卫星+5颗倾斜地球同步轨道导航卫星+4颗中圆地球轨道导航卫星）组成，属于无源与有源相结合的区域卫星导航系统。其服务范围为亚太地区;定位精度为10米;测速精度为0.2米/秒;授时精度为50纳秒。
第三代，部署时间：2017年至2020年，将先后发射35颗北斗三号导航卫星（5颗静止轨道卫星+3颗倾斜地球同步轨道卫星+27颗中圆轨道卫星），属于无源与有源相结合的全球卫星导航系统。其服务范围为全球;定位精度为2.5至5米;测速精度为0.2米/秒;授时精度为20纳秒。届时，“北斗”的定位和授时精度将与美国GPS媲美，甚至更优。
另外，我国的北斗三代系统还有一些美国GPS、俄罗斯GLONASS和欧洲Galileo导航系统不具备的性能和特点，如通信和短报文能力、星间链路能力、高精度氢原子钟（时钟稳定度提高了10倍）、双向授时、卫星自主导航、三种轨道卫星组合等。星间链路是“北斗”实现自主高精度校时的关键，35颗“北斗”导航卫星可以通过星间链路相互校准，保障整个星座可靠运营，不中断精准定位和授时服务，这等于为北斗系统的全天候、全天时、高可靠、高精度多上了一道保险。另外，北斗特有的双向授时功能，能大幅提升授时精度，在一些特殊场合更是能发挥关键的作用。
近年来4G网络大规模建设，因历史原因，绝大多数的基站目前都依靠GPS进行授时。可想而知，一个完全依赖美国GPS的网络和系统，其安全和可靠性是存在较大的风险和不确定性的。
作为新一代移动通信网络，作为国家和社会至关重要的高速、高效的基础信息网络，其自主性和安全性不言而喻。单从网络同步、基站授时这个方面来看，采用北斗系统或者北斗/GPS双模替代单一GPS系统，需要尽早提上日程并付诸实施，在今后的5G扩大规模试验、发改委5G示范城市项目，乃至2020年全面商用中，需要坚定地落实和推进应用。
4 结 论
未来高精度的时间同步将成为5G网络的基础功能和5G服务的使能开关。时钟同步将变成一种增值服务，为5G网络运营商提供广阔的市场机会。
面向5G的同步需求特性明确，既有与4G相同的微秒量级基本同步需求，也有5G协同增强提出的百纳秒级同步需求，还有以定位需求为代表的纳秒级同步要求，以及解决卫星覆盖盲点，提升安全可靠性，节约建设和运维成本等问题，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。
通过5G高精度同步组网，可满足5G系统多种业务的同步需求，解决5G网络复杂部署场景同步问题，实现天地互备，避免完全依赖卫星授时带来的安全隐患，进一步提升5G应用的安全可靠性。
从组网方案来看，高精度时间同步通用组网模型给出了端到端的参考点位置和相关要求，是后续5G时间同步网具体组网方案的基本模型。
从源头技术来看，卫星单频单向授时性能上无法满足高精度同步需求，当前双频技术更适合于高精度时间同步网的建设部署，共视技术可用于网络同步性能集中监控和高精度测试仪表的实现手段。
从同步传输技术来看，1588v2技术目前仍是高精度同步的基本传输技术，可以进一步对其进行改良及增强以满足多场景高精度同步传送需求。从高精度同步监测技术来看，存在基于卫星信号的绝对监测和基于设备自身功能的相对监测等方式，可根据业务要求、网络规模、成本预算等因素进行选择。
随着5G系统商用化不断推进，作为基础支撑网络，我国需进一步加速推动5G同步研究及方案部署，结合运营商5G承载技术及组网架构，继续研究5G同步具体组网技术方案、5G同步网演进策略、高精度同步测试技术等内容，推动制定和完善5G高精度同步方案，全力支撑5G系统商用部署。
参考文献：
[1] 杨长风.中国北斗导航系统综合定位导航授时体系发展构想 [J].中国科技产业，2018（6）：32-35.
[2] 谢军，刘庆军，边朗.基于北斗系统的国家综合定位导航授时（PNT）体系发展设想[J].空间电子技术，2017，14（5）：1-6.
作者简介：简书候（1983-），男，汉族，福建霞浦人，高级工程师，总裁，在职研究生，主要研究方向：红外遥感、卫星融合通信。
