技术资料｜应对开放式无线接入网络（ORAN）基础设施中的网络同步挑战

开放式无线接入网络（ORAN）技术在5G服务实施中发挥着重要作用，其市场规模迅速增长。各大移动网络运营商（MNO）追求更低成本、更高灵活性以及避免供应商锁定的能力，这可以通过采用多家供应商的可互操作技术来实现。此外，运营商还能从实时性能中获益。

ORAN代表了无线接入网络（RAN）演进的最新进展，RAN始于1979年1G的推出，逐步演进至2G、3G和4G（长期演进LTE）。在部署过程中，随着技术的发展，采用了多输入多输出（MIMO）天线阵列以及集中式（或云）cRAN架构，使基带单元（BBU）能够划分为分布式单元（DU）和集中式单元（CU）。

2018年推出的5G新无线电（NR）引入了虚拟化RAN（vRAN）作为实施手段，BBU功能在运行于服务器上的软件中实现。ORAN的目标是通过让运营商访问基于开源软件的vRAN，消除技术障碍。

图一：在O-RAN 下，我们可以有效地在商用服务器硬件上运行模块化基站软件协议栈。MNO可以搭配混用来自不同供应商的 O-RU、O-DU和O-CU

上图说明了O-RAN 联盟(由超过 300 家移动运营商、供应商、研究机构和学术机构组成的社区)的目标，即拥有开放的 RU、CU 和 DU(每个首字母缩写前都带有 O-)并通过 公共无线电接口(CPRI)进行前传。

5G 支持的实时传输速度最高可达 20 Gbps，而 4G 在静态点之间的传输速度为 1 Gbps，在一个或两个移动点之间的传输速度仅为 100 Mbps。此外，5G 的延迟降低到只有 1 ms。

ORAN 的另一个关键组成部分是 RAN 智能控制器(RIC)，它既可以是近实时的也可 以是非实时的，两种选项都负责控制和优化 ORAN 元素。图 2 显示了 O-RAN 软件社区 (SC)，它遵循由 O-RAN 联盟定义的架构。

图二：O-RAN SC架构及其近实时RAN智能控制器

同步

确保 ORAN 元素之间保持同步是实现 ORAN 的主要挑战之一，特别是要求授时精度达到仅±130 ns，这需要严格提高同步性能。RU 交换机与 DU 之间的同步对 ORAN 的有效运行至关重要，因为它可以避免数据包丢失、最大程度地减少网络中断，并有助于降低功耗。此外，同步还有助于运营商履行其频率许可责任。5G 与前几代的另一个关键区别在于从频分双工（FDD）切换到时分双工（TDD）。TDD 可以在同一频率上利用不同的时隙传输上行信号和下行信号，从而更好地利用 RAN RF 频谱，提供增强的移动宽带（eMBB）。TDD 还提高了与 MIMO 波束赋形和 C 波段频谱的兼容性，这些频谱将用于 5G 的部署。为了避免小区内干扰和小区间干扰，上行传输与下行传输之间有一段保护周期。然而，为了保证运行效率和补偿任何频率或相位偏移，仍然需要紧密同步。

精确授时

确保精确的授时是所有新无线电部署的关键要求，需要将相位对齐精度保持在基于全球导航卫星系统（GNSS）协调世界时（UTC）的授时源的±1.5毫秒以内。在建立端到端实时连接时，必须遵循多项行业标准以及行业机构提供的建议。

为了实现整个网络中的高精度时间分配，O-RAN 联盟的架构需要采用由 IEEE 1588-2019 规定的精确时间协议（PTP）。该协议中包括一个最高级时钟（或PTP主时钟），其他PTP时钟在网络中与之同步。同步在路径延时等问题中发挥作用，标准中还规定了时间边界时钟（T-BC）和时间透明时钟（T-TSC）功能，以解决上下行之间的不对称问题和数据包延时变化（PDV）。

此外，ITU-T 也针对TDD提供了建议，如ITU-T G.8272/Y.1367规定了适用于分组网络中的时间、相位和频率同步的主参考时间时钟（pRTC）的要求，ITU-T G.8273.2推荐了用于网络全授时支持（FTS）的电信边界时钟和电信时间辅助时钟的授时特性。

在整个网络中，各时钟之间采用链式结构，时间信号由边界时钟清理以滤除噪声。然而，设备需要满足由ITU-T G.8273.24定义的四个性能类别之一，范围从A类到D类，其中C类和D类对精度的要求最高。例如，D类T-BC时钟产生的时间误差必须小于5纳秒。除了GNSS/UTC和PTP之外，5G部署还使用同步以太网（SyncE），这三者相结合可以通过网络保证时间、相位和频率的精度。

总的来说，在5G中采用TDD带来了巨大的好处，但在同步方面确实会面临一些挑战。幸运的是，在ORAN的框架下，MNO及其系统提供商可以利用半导体和相关平台构建端到端的RAN，从而摆脱对专有解决方案的依赖。

ORAN 需要现成的平台

ORAN 的一个关键需求是可用的平台。它为MNO提供了访问非专有解决方案的途径。在硬件方面，商用半导体器件和平台可满足端到端授时要求。例如，符合IEEE 1588的高级时钟，结合PTP和SyncE功能，能够满足多种规范，如PRTC和多域边界时钟。这种多功能性是实现同步授时解决方案的关键特性。

DU、CU和RU设备中可以部署网络同步硬件，如振荡器、可编程锁相环(PLL)IC、缓冲器和抖动衰减器。同时，现在市场上已经有专用的单芯片网络同步解决方案，如Microchip的ZL3073x/63x/64x平台，它集成了DPLL、低输出抖动合成器、IEEE 1588-2008精密时间协议栈和同步算法软件模块。

图三：Microchip的ZL3073x/63x/64x 单芯片网络同步平台

在5G ORAN中，对温度稳定性的考虑也至关重要。温度补偿型振荡器、PLL和芯片级原子钟已在恶劣环境中得到验证，适用于RU、CU和DU硬件。

总的来说，在5G中采用TDD带来了巨大的好处，但在同步方面确实会面临一些挑战。幸运的是，在ORAN的框架下，MNO及其系统提供商可以利用半导体和相关平台构建端到端的RAN，从而摆脱对专有解决方案的依赖。