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5G网络中的时频技术之一

2017-11-16  BGND

当今5G移动通信已成为一股不可阻挡的潮流。5G网络的关键能力指标是用户体验速率100Mbps1Gbps、峰值速率将达到10-20Gbps、时延为1毫秒级、接入能力为1e66/km2、终端移动速度为500km/h等。在这种高速网络环境下eMBB(移动宽带互联网)mMTC万物互联网以及车联网等的实现将使人类的方方面面更加依赖信息网络,生活节奏会变得更快、工作效率会更高。可以预见,这对世界经济和人类社会将产生难以想象的变化或者叫变革。然而,5G网络要还有许多技术难题需要解决。其中,关键技术之一是时频技术,5G网络必须有更准确和更稳定的时频基准源。

.载波频率同步技术

 移动通信中载频同步是一项最基本的技术要求,没有载频同步无法实现通信。无线通信的空中物理接口好比一列高速运动的火车,你要想登上火车必须有与这列火车一样的速度并对准可以上人的那节车厢才能登上车。这就是所谓无线载波频率同步和帧结构时间同步。

 在移动通信的空口物理接口帧结构中,基站(BS)要不时地向终端(UE)发送下行的导频序列和同步序列信号使其频率和时间与基站同步,终端UE)也需要向基站(BS)发送上行的物理信道信息以便基站识别和估计实现空中链路的建立。在3GPP TS 36 104中第6.5.1节提出了在基站发射端口处载波频率的误差在一个时隙的观察时间为1ms时(5G帧结构中导频符号持续时间为500us~1ms)测量到的频率准确度偏差应小于±50ppb。然而,频率准确度是依靠频率稳定度来保证,根据大量统计数据表明,频率稳定度应该比频率准确度至少高半个量级。也就是说,其频率稳定度至少应该是10ppb/1ms才能保证±50ppb/1ms。又由于频率源固有的噪声的存在使其毫秒级频率稳定度比秒级频率稳定度要差2~3个量级。例如,要满足10ppb/1ms的频率稳定度,其秒级频率稳定度应该是小于0.01ppb/1s,这应该就是5G基站载波频率源的稳定度要求。

 在移动通信中终端经常处于高速运动状态,例如,开车或坐高铁。终端无论是接近或是远离基站其载波频率都会产生多普勒频移,理论计算表明,在100km/h时速下多普勒频移将达到几十ppb。如果基站载波固有频偏大于50ppb/1ms再加上多普勒频移,将会使终端设备的载波同步发生困难甚至失锁导致链路中断无法通信。在移动通信的空口协议中,终端设备的载波频率基准源虽然受控于基站,但其同步范围是有限的,所以终端本振的频率准确度和频率稳定度也是有一定要求。由于终端设备体积和成本的限制使本振频率源无法达到与基站同等精度,但至少应达到0.1ppm/1ms。其秒级频率稳定度应该是小于1ppb/1s。否则由于终端本振频率源频偏过大将会导致载波同步开销增加以及网络时延和功耗的增加。

 在移动通信中终端经常处于移动状态无线服务小区的切换是会经常发生。为了保证终端与基站无线链接不中断,无线网络中的各个基站的载波频率准确度和稳定度也应该是相同的。否则,终端设备需要重新进行载波同步的接入过程,这就谈不上高速和低时延了。为此,要实现所有基站的频率同步,在核心网侧就需要配置更精确和更稳定的时频基准源,也就是ITU-T G.811.1定义的PRC原子基准源,并通过光纤传送给BBU再到基站。以实现全各基站的频率同步。

 目前无线网络实现全网的同步同步方法仍是以主从同步,也就是同步于核心网的原子基准时钟PRC,在同步以太网架构中采用IEEE 1588v2协议,通过光接口传送到BBU,再通过多路CPRI光接口传送给各RRU

1588v2应用场景1

1588v2应用场景2


1588v2应用场景3


     PTN网络通过1588v2协议将时间信息分发到其他网元,采用单纤双向的传输方式可以避免光纤传输不对称造成的时延缺陷,通过光纤接口或其他接口送到达基站,从而实现各基站之间的时间同步。

.基站时间同步技术

 移动通信中时间同步也是一项最基本的技术要求,没有时间同步也无法实现通信。在5G网络中由于采用了MIMO+OFDM技术,用户信息被分散到多个天线以及多个正交子载波中传送,其时序控制非常精确,需要控制送到分布在不同地理位置天线的信号引起的时延以及不同子载波符号的时序需要对齐其时延不能超过CP长度。在3GPP TS 36 104中第6.5.3.1节定义了MIMO+OFDMTAE(Time alignment error)

 基站时间同步分为二个层次,首先是移动网内所有基站之间的时间必须同步,特别是对于TDD组网上下链路在单载频的不同的帧时隙结构中完成, 否则将会与相邻基站的收发时隙交叉产生很强的信道干扰。如果相邻基站没有精确时间同步,收发时隙可能就会有错位导致无法解调。

 基站与终端的时刻同步有两种方式,在下行链路中基站向各个移动终端发送广播式同步序列信号,移动台捕获该信号,测出其符号头位置、载波频率和信号功率并参考捕获的符号定时可知基站接收接入请求的时隙位置,由此开始上行初始同步。建立与基站的下行同步后便可正确解调出基站发送的数据信息。

 在上行链路中基站在每帧保留一定数目的时隙用于上行随机接入。需要接入的移动台在该时隙发送接入请求。移动台从已知的PN码组中随机挑选一个作为接入码,在随后的上行帧中任意选择一接入时隙发送接入请求。不同移动台的随机接入请求到达基站的时刻与基站接收参考时刻之间的延迟误差不同,时延较大时会对相邻符号产生干扰。基站接收到移动台的接入请求后,测量信号功率、时延和频率偏差后,发送确认信号指令移动台调整发送时钟,载波频率和发送功率,同时为移动台的数据业务指定上行和下行信道。移动台调整载波频率和时钟之后与基站的上行同步建立完成

 再同步阶段,由于移动台发射时钟的漂移和信道传播时延的变化,往往需要再同步以保持移动台与基站的连接。有两种情况需要进行再同步。

·  移动台与基站通信过程中,基站不断的检测移动台的时间和频率偏差,如果必要,基站将发送指令给移动台进行参数调整:

· 移动台待机模式下,每隔一段时间需要调整发射时钟参数,移动台可以通过上行随机接入信道发送再同步请求。再同步请求与初始同步请求可通过不同的PN序列码组区分。

 所以移动通信的各个基站的时间和相位必须同步,这就是移动网络规定在任何时间所有基站之间的时间或相位基准误差小于1us的要求。要做到这一点也不容易,因为基站必须始终跟踪G.811.1定义的PRC原子基准源。但是,由于物理传输链路受温度影响以及频率源本身的闪烁超低频噪声(锁相环无法滤除的)的影响使PRC基准损伤至少半个量级,产生频率同步偏差并会导致时间偏差。这就需要采用时间补偿技术以及基站采用高稳低老化的晶振源并具有平滑飘动的统计算法以达到5G规定的保持指标。因为频率偏差的积分就是相移。理论计算表明,1us/24h的时间偏差相当于频率的偏小于0.01ppb/s


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