CN109495962A - 一种网络计时架构及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种网络计时架构，应用于采用IEEE 1588协议的小蜂窝基站网络，所述网络计时架构包括：GPS天线，用于获取基准参考的时间信号；BC节点和/或TC节点，用于获取所述GPS天线的时间信号，并利用时间戳标记和时间戳纠错机制对所述时间信号进行纠错；通信终端，用于接收纠错后的所述时间信号。本发明中结合了IEEE 1588协议、BC节点和TC节点，将该网络计时架构应用在同步要求较高的小蜂窝基站网络中，不仅实现了小蜂窝基站网络中的精确授时，同时降低了维持精度授时所需硬件的成本和复杂性。

Description

一种网络计时架构及方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种网络计时架构及方法。

背景技术

当前，服务供应商计划通过部署微/微微/耗微微蜂窝基站来提高4G/LTE网络的容量和覆盖率，以便在密集复杂的城市环境中扩大4G/LTE网络的覆盖范围，或者提供可靠的楼内服务。

类似于宏基站，这些基站需要频率和相位两项指标，或者精确记取时间和时间同步，4G/LTE蜂窝技术对此类时频要求更为严苛。

传统上用来提供4G/LTE网络所需频率和授时信号的GPS信号，在蜂窝系统基于分组数据技术的回程网络上，很难精确授时；且4G/LTE蜂窝技术常用于室内和拥挤的城市中，GPS信号的可获得性也成为需要解决的问题。针对小蜂窝回传网络常见的微波链路和复杂的拓扑结构，如何满足严苛的时频要求，成为目前本领域技术人员面临技术和成本的挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种网络计时架构及方法，以便在小蜂窝基站网络中实现准确的时间同步。其具体方案如下：

一种网络计时架构，应用于采用IEEE 1588协议的小蜂窝基站网络，所述网络计时架构包括：

GPS天线，用于获取基准参考的时间信号；

BC节点和/或TC节点，用于获取所述GPS天线的时间信号，并利用时间戳标记和时间戳纠错机制对所述时间信号进行纠错；

通信终端，用于接收纠错后的所述时间信号。

优选的，所述BC节点具体包括：

高精度振荡器、数字锁相环和包括所述时间戳纠错机制的微处理器。

优选的，所述微处理器还用于利用PDV滤波算法调整所述时间信号。

优选的，所述通信终端包括PHY和/或交换机。

优选的，每个所述BC节点将所述时间信号发送给与该BC节点建立通信连接的一个或多个所述TC节点；每个所述TC节点将所述时间信号发送给与该TC节点建立通信连接的一个或多个所述通信终端。

优选的，未与所述GPS天线建立通信连接的所述BC节点，通过其他的所述BC节点获取所述时间信号。

相应的，本发明还公开了一种网络计时方法，应用于上文所述网络计时架构中，包括：

通过GPS天线获取基准参考的时间信号；

通过BC节点和/或TC节点，获取所述GPS天线的时间信号，并利用时间戳标记和时间戳纠错机制对所述时间信号进行纠错；

通过通信终端接收纠错后的所述时间信号。

本发明公开了一种网络计时架构，应用于采用IEEE 1588协议的小蜂窝基站网络，所述网络计时架构包括：GPS天线，用于获取基准参考的时间信号；BC节点和/或TC节点，用于获取所述GPS天线的时间信号，并利用时间戳标记和时间戳纠错机制对所述时间信号进行纠错；通信终端，用于接收纠错后的所述时间信号。本发明中结合了IEEE 1588协议、BC节点和TC节点，将该网络计时架构应用在同步要求较高的小蜂窝基站网络中，不仅实现了小蜂窝基站网络中的精确授时，同时降低了维持精度授时所需硬件的成本和复杂性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种网络计时架构的结构分布图；

图2为传统的时间同步方法对频率的影响示意图；

图3为本发明实施例中一种网络计时方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

传统上用来提供4G/LTE网络所需频率和授时信号的GPS信号，在蜂窝系统基于分组数据技术的回程网络上，很难精确授时；且4G/LTE蜂窝技术常用于室内和拥挤的城市中，GPS信号的可获得性也成为需要解决的问题。针对小蜂窝回传网络常见的微波链路和复杂的拓扑结构，如何满足严苛的时频要求，成为目前本领域技术人员面临技术和成本的挑战。本发明中结合了IEEE 1588协议、BC节点和TC节点，将该网络计时架构应用在同步要求较高的小蜂窝基站网络中，不仅实现了小蜂窝基站网络中的精确授时，同时降低了维持精度授时所需硬件的成本和复杂性。

本发明实施例公开了一种网络计时架构，应用于采用IEEE 1588协议的小蜂窝基站网络，参见图1所示，所述网络计时架构包括：

GPS天线1，用于获取基准参考的时间信号；

BC节点2和/或TC节点3，用于获取所述GPS天线的时间信号，并利用时间戳标记和时间戳纠错机制对所述时间信号进行纠错；

通信终端4，用于接收纠错后的所述时间信号。

可以理解的是，一般GPS天线1位于建筑物屋顶上，由于GPS天线1能够获取基准参考的时间信号，因此以GPS天线1作为中心点或宏基站进行授时。

参见图2所示，利用传统的时间同步方法时，存在网络短期抖动和长期相位稳定性的数据包延迟变化，对时间同步信息造成损伤。而IEEE 1588协议，又称PTP授时协议，提供了一种基于分组数据包的授时和同步机制，适用于新兴的基于分组数据技术的回传网络。它建立在同步以太网技术之上，这种技术为分组数据世界带来了频率同步，但没有提供LTE和LTE-Advanced(LTE-A)所需的、必要的计时时间同步，因此本实施例中需要利用LTE/LTE-A加载IEEE 1588协议来实现时间同步。PTP授时协议在数据包内直接携带了计时信息(也称为时间戳)。携带时间戳的数据包，连同来自生成时间戳(也称为主基准时钟)的网络设备的剩余网络数据流量直达基站设备，利用这些时间戳和IEEE 1588协议来恢复原始时间。

主基准时钟和恢复时钟之间的差异(如同步误差)必须在指定的精度要求范围内，这取决于网络的类型。但应该注意的是网络路径上同步误差是不断累积的，包括从生成主时钟的网络节点到增加计时误差的基站之间的每个节点。

利用IEEE 1588v2精确授时协议(PTP)可以估算出从时钟的时间。但分组网络可能出现大数值的数据包延迟变量(PDV)，如果不进行纠正，可能引入授时的不准确性。

TD-LTE、LTE-A及其他先进蜂窝移动通信技术只允许在其基站及其他网络单元之间存在极小的时间同步误差，以提供基站之间的无干扰宽带多媒体和无缝切换。例如，LTE-A网络只能容许两个相邻基站之间最多为500ns的相位误差值。表1说明了网络内不同移动通信技术空中接口的频率和相位精度要求。

表1不同移动通信技术的精度要求

技术类型	频率精度	计时精度
			GSM	≤±50ppb	不详
UTMS FDD	≤±50ppb	不详
			UTMS TDD	≤±50ppb	≤2.5微秒
3GPP2-CDMA 200	≤±50ppb	≤3微秒
			TD-SCDMA	≤±50ppb	≤3微秒
LTE		≤1.5微秒
			LTE-Advanced/MMO		≤0.5微秒
有带间聚合的LTE-A		～0.1微秒

根据表1可以得出，每个新的先进蜂窝技术代系都要求更高的计时精度，其网络节点之间必须这样的精度。

对于许多较新的移动通信技术，同步是一个严重影响吞吐量的参数。虽然表1显示出了最低要求，但应当指出，实现更高的时间/相位和频率精度可带来性能/吞吐量的总体改善，也会带来更高的系统裕度和网络裕度，从而很容易地适应剩余链路或系统损伤(impairment)。在实际的蜂窝系统中，这部分同步预算被RF链路的延迟变量及其他固有的时同变量消耗了，例如光纤链路中的那些变量。另一部分同步预算则被用来对抗城市峡谷和室内环境中的多径反射和噪声影响的干扰抑制技术消耗了，小蜂窝网络往往用于这些地方。因此，虽然我们必须让微波和毫米波回传链路留有100ns的最大时间误差，但对于光纤连接的路由器、交换机和网关，以及留给基站/蜂窝网络本身的时间误差预算，应该保持在每一跳(per hop)10ns的数量级上，以保持在LTE-A空中接口的精度范围内。

具体的，一个采用IEEE 1588协议的网络可提供纳秒级的精确同步，需要通过一个预先定义的时钟分层结构来管理网络中的PDV和非对称组件。该标准定义了边界时钟(Boundary Clock，BC)以及透明时钟(Transparent Clock，TC)。一个实现了BC的节点有多个网络连接，并能准确地从一个网段到另一个网段桥接同步。

具体的，时钟分层结构通过补偿网络和非对称组件的时间戳标记、纠错，可以支持TC和BC节点在小基站网络中实现相位提供所要求的精度。Vitesse Semiconductor公司在其SynchroPHY GbE和10GbE PHY产品及以太网交换机引擎产品组合中使用的VeriTime^TM技术，包括纳秒级精度的时间戳标记纠错和非对称补偿机制，即使是在微波链路中非常具有挑战性的情况下也可以正常工作，有望在小蜂窝部署中普遍采用。

具体的，BC节点2基于它接收到的时间戳重新生成计时。除了时间戳，BC还需要时间戳纠错、可靠的PDV滤波算法，生成可以与网络同步的可感知1588的复数。可以理解的是，实施一个BC节点2需要一个高精度振荡器、一个数字锁相环，包括时间戳纠错机制的微处理器以及其他辅助元件，因而BC节点在实现时通常更加昂贵复杂。与此相反，TC节点3只要纠正了可能引入的所有错误之后，简单地转发传入的时间戳即可。如果所提供的设备符合1588标准(即它已增加了支持PTP准确时间戳和时间戳纠错机制所需的逻辑)就可以实施TC节点3，成本较低，当通信终端4为PHY(physical layer，物理层)或交换机，可以通过PHY或交换机将纠错后的时间信号传导更远端。

本发明实施例公开了一种具体的网络计时架构，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的：

GPS天线1作为中心单元进行授时，BC节点2被部署与必要的网络互连点，多个TC节点3分别位于对应的BC节点2的下端枝干或环上；再由TC节点3将时间信号发送给通信终端4。

也就是说，每个所述BC节点将所述时间信号发送给与该BC节点建立通信连接的一个或多个所述TC节点；每个所述TC节点将所述时间信号发送给与该TC节点建立通信连接的一个或多个所述通信终端。

进一步的，未与所述GPS天线建立通信连接的所述BC节点，通过其他的所述BC节点获取所述时间信号。

本实施例考虑了整套网络计时架构的性价比，因为一个TC节点3只需要准确的时间戳标记和时间戳纠错机制，而BC节点2虽然功能更强，但实现手段复杂成本高昂，因此选择更多地部署TC节点3，在必要的区域部署BC节点2来增强效果，这样的部署方案足够将授时精度提高到纳秒级。

相应的，本发明实施例还公开了一种网络计时方法，应用于上文所述网络计时架构中，参见图3所示，包括：

S1：通过GPS天线获取基准参考的时间信号；

S2：通过BC节点和/或TC节点，获取所述GPS天线的时间信号，并利用时间戳标记和时间戳纠错机制对所述时间信号进行纠错；

S3：通过通信终端接收纠错后的所述时间信号。

其中，本发明实施例具有与上文所述网络计时架构相同的有益效果，此处不作赘述。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种网络计时架构及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种网络计时架构，其特征在于，应用于采用IEEE 1588协议的小蜂窝基站网络，所述网络计时架构包括：

GPS天线，用于获取基准参考的时间信号；

BC节点和/或TC节点，用于获取所述GPS天线的时间信号，并利用时间戳标记和时间戳纠错机制对所述时间信号进行纠错；

通信终端，用于接收纠错后的所述时间信号。

2.根据权利要求1所述网络计时架构，其特征在于，所述BC节点具体包括：

高精度振荡器、数字锁相环和包括所述时间戳纠错机制的微处理器。

3.根据权利要求2所述网络计时架构，其特征在于，所述微处理器还用于利用PDV滤波算法调整所述时间信号。

4.根据权利要求1所述网络计时架构，其特征在于，

所述通信终端包括PHY和/或交换机。

5.根据权利要求1至4任一项所述网络计时架构，其特征在于，

每个所述BC节点将所述时间信号发送给与该BC节点建立通信连接的一个或多个所述TC节点；每个所述TC节点将所述时间信号发送给与该TC节点建立通信连接的一个或多个所述通信终端。

6.根据权利要求5所述网络计时架构，其特征在于，

未与所述GPS天线建立通信连接的所述BC节点，通过其他的所述BC节点获取所述时间信号。

7.一种网络计时方法，其特征在于，应用于权利要求1至6任一项所述网络计时架构中，包括：

通过GPS天线获取基准参考的时间信号；

通过BC节点和/或TC节点，获取所述GPS天线的时间信号，并利用时间戳标记和时间戳纠错机制对所述时间信号进行纠错；

通过通信终端接收纠错后的所述时间信号。