當(dāng)今5G移動通信已成為一股不可阻擋的潮流。5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵能力指標(biāo)是用戶體驗速率100Mbps到1Gbps、峰值速率將達(dá)到10-20Gbps、時延為1毫秒級、接入能力為1e6⁶/km²、終端移動速度為500km/h等。在這種高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下eMBB(移動寬帶互聯(lián)網(wǎng))、mMTC萬物互聯(lián)網(wǎng)以及車聯(lián)網(wǎng)等的實現(xiàn)將使人類的方方面面更加依賴信息網(wǎng)絡(luò)，生活節(jié)奏會變得更快、工作效率會更高?？梢灶A(yù)見，這對世界經(jīng)濟(jì)和人類社會將產(chǎn)生難以想象的變化或者叫變革。然而，5G網(wǎng)絡(luò)要還有許多技術(shù)難題需要解決。其中，關(guān)鍵技術(shù)之一是時頻技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)必須有更準(zhǔn)確和更穩(wěn)定的時頻基準(zhǔn)源。

一.載波頻率同步技術(shù)

移動通信中載頻同步是一項最基本的技術(shù)要求，沒有載頻同步無法實現(xiàn)通信。無線通信的空中物理接口好比一列高速運動的火車，你要想登上火車必須有與這列火車一樣的速度并對準(zhǔn)可以上人的那節(jié)車廂才能登上車。這就是所謂無線載波頻率同步和幀結(jié)構(gòu)時間同步。

在移動通信的空口物理接口幀結(jié)構(gòu)中，基站（BS）要不時地向終端（UE）發(fā)送下行的導(dǎo)頻序列和同步序列信號使其頻率和時間與基站同步，終端UE)也需要向基站(BS)發(fā)送上行的物理信道信息以便基站識別和估計實現(xiàn)空中鏈路的建立。在3GPP TS 36 104中第6.5.1節(jié)提出了在基站發(fā)射端口處載波頻率的誤差在一個時隙的觀察時間為1ms時（5G幀結(jié)構(gòu)中導(dǎo)頻符號持續(xù)時間為500us~1ms）測量到的頻率準(zhǔn)確度偏差應(yīng)小于±50ppb。然而，頻率準(zhǔn)確度是依靠頻率穩(wěn)定度來保證，根據(jù)大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，頻率穩(wěn)定度應(yīng)該比頻率準(zhǔn)確度至少高半個量級。也就是說，其頻率穩(wěn)定度至少應(yīng)該是10ppb/1ms才能保證±50ppb/1ms。又由于頻率源固有的噪聲的存在使其毫秒級頻率穩(wěn)定度比秒級頻率穩(wěn)定度要差2~3個量級。例如，要滿足10ppb/1ms的頻率穩(wěn)定度，其秒級頻率穩(wěn)定度應(yīng)該是小于0.01ppb/1s,這應(yīng)該就是5G基站載波頻率源的穩(wěn)定度要求。

在移動通信中終端經(jīng)常處于高速運動狀態(tài)，例如，開車或坐高鐵。終端無論是接近或是遠(yuǎn)離基站其載波頻率都會產(chǎn)生多普勒頻移，理論計算表明，在100km/h時速下多普勒頻移將達(dá)到幾十ppb。如果基站載波固有頻偏大于50ppb/1ms再加上多普勒頻移，將會使終端設(shè)備的載波同步發(fā)生困難甚至失鎖導(dǎo)致鏈路中斷無法通信。在移動通信的空口協(xié)議中，終端設(shè)備的載波頻率基準(zhǔn)源雖然受控于基站，但其同步范圍是有限的，所以終端本振的頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度也是有一定要求。由于終端設(shè)備體積和成本的限制使本振頻率源無法達(dá)到與基站同等精度，但至少應(yīng)達(dá)到0.1ppm/1ms。其秒級頻率穩(wěn)定度應(yīng)該是小于1ppb/1s。否則由于終端本振頻率源頻偏過大將會導(dǎo)致載波同步開銷增加以及網(wǎng)絡(luò)時延和功耗的增加。

在移動通信中終端經(jīng)常處于移動狀態(tài)無線服務(wù)小區(qū)的切換是會經(jīng)常發(fā)生。為了保證終端與基站無線鏈接不中斷，無線網(wǎng)絡(luò)中的各個基站的載波頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度也應(yīng)該是相同的。否則，終端設(shè)備需要重新進(jìn)行載波同步的接入過程，這就談不上高速和低時延了。為此，要實現(xiàn)所有基站的頻率同步，在核心網(wǎng)側(cè)就需要配置更精確和更穩(wěn)定的時頻基準(zhǔn)源，也就是ITU-T G.811.1定義的PRC原子基準(zhǔn)源，并通過光纖傳送給BBU再到基站。以實現(xiàn)全各基站的頻率同步。

目前無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全網(wǎng)的同步同步方法仍是以主從同步，也就是同步于核心網(wǎng)的原子基準(zhǔn)時鐘PRC，在同步以太網(wǎng)架構(gòu)中采用IEEE 1588v2協(xié)議，通過光接口傳送到BBU,再通過多路CPRI光接口傳送給各RRU。

1588v2應(yīng)用場景1：

1588v2應(yīng)用場景2：

1588v2應(yīng)用場景3：

PTN網(wǎng)絡(luò)通過1588v2協(xié)議將時間信息分發(fā)到其他網(wǎng)元，采用單纖雙向的傳輸方式可以避免光纖傳輸不對稱造成的時延缺陷，通過光纖接口或其他接口送到達(dá)基站，從而實現(xiàn)各基站之間的時間同步。

二.基站時間同步技術(shù)

移動通信中時間同步也是一項最基本的技術(shù)要求，沒有時間同步也無法實現(xiàn)通信。在5G網(wǎng)絡(luò)中由于采用了MIMO+OFDM技術(shù)，用戶信息被分散到多個天線以及多個正交子載波中傳送，其時序控制非常精確，需要控制送到分布在不同地理位置天線的信號引起的時延以及不同子載波符號的時序需要對齊其時延不能超過CP長度。在3GPP TS 36 104中第6.5.3.1節(jié)定義了MIMO+OFDM的TAE(Time alignment error)

基站時間同步分為二個層次，首先是移動網(wǎng)內(nèi)所有基站之間的時間必須同步，特別是對于TDD組網(wǎng)上下鏈路在單載頻的不同的幀時隙結(jié)構(gòu)中完成，否則將會與相鄰基站的收發(fā)時隙交叉產(chǎn)生很強(qiáng)的信道干擾。如果相鄰基站沒有精確時間同步，收發(fā)時隙可能就會有錯位導(dǎo)致無法解調(diào)。

基站與終端的時刻同步有兩種方式，在下行鏈路中基站向各個移動終端發(fā)送廣播式同步序列信號，移動臺捕獲該信號，測出其符號頭位置、載波頻率和信號功率并參考捕獲的符號定時可知基站接收接入請求的時隙位置，由此開始上行初始同步。建立與基站的下行同步后便可正確解調(diào)出基站發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。

在上行鏈路中基站在每幀保留一定數(shù)目的時隙用于上行隨機(jī)接入。需要接入的移動臺在該時隙發(fā)送接入請求。移動臺從已知的PN碼組中隨機(jī)挑選一個作為接入碼，在隨后的上行幀中任意選擇一接入時隙發(fā)送接入請求。不同移動臺的隨機(jī)接入請求到達(dá)基站的時刻與基站接收參考時刻之間的延遲誤差不同，時延較大時會對相鄰符號產(chǎn)生干擾。基站接收到移動臺的接入請求后，測量信號功率、時延和頻率偏差后，發(fā)送確認(rèn)信號指令移動臺調(diào)整發(fā)送時鐘，載波頻率和發(fā)送功率，同時為移動臺的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)指定上行和下行信道。移動臺調(diào)整載波頻率和時鐘之后與基站的上行同步建立完成。

再同步階段，由于移動臺發(fā)射時鐘的漂移和信道傳播時延的變化，往往需要再同步以保持移動臺與基站的連接。有兩種情況需要進(jìn)行再同步。

· 移動臺與基站通信過程中，基站不斷的檢測移動臺的時間和頻率偏差，如果必要，基站將發(fā)送指令給移動臺進(jìn)行參數(shù)調(diào)整：

· 移動臺待機(jī)模式下，每隔一段時間需要調(diào)整發(fā)射時鐘參數(shù)，移動臺可以通過上行隨機(jī)接入信道發(fā)送再同步請求。再同步請求與初始同步請求可通過不同的PN序列碼組區(qū)分。

所以移動通信的各個基站的時間和相位必須同步，這就是移動網(wǎng)絡(luò)規(guī)定在任何時間所有基站之間的時間或相位基準(zhǔn)誤差小于1us的要求。要做到這一點也不容易，因為基站必須始終跟蹤G.811.1定義的PRC原子基準(zhǔn)源。但是，由于物理傳輸鏈路受溫度影響以及頻率源本身的閃爍超低頻噪聲(鎖相環(huán)無法濾除的)的影響使PRC基準(zhǔn)損傷至少半個量級，產(chǎn)生頻率同步偏差并會導(dǎo)致時間偏差。這就需要采用時間補(bǔ)償技術(shù)以及基站采用高穩(wěn)低老化的晶振源并具有平滑飄動的統(tǒng)計算法以達(dá)到5G規(guī)定的保持指標(biāo)。因為頻率偏差的積分就是相移。理論計算表明，1us/24h的時間偏差相當(dāng)于頻率的偏小于0.01ppb/s。