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(yàn)速率100Mbps到1Gbps、峰值速率將達(dá)到10-20Gbps、時(shí)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(shí)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(shí)頻技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)必須有更準(zhǔn)確和更穩(wěn)定的時(shí)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(xiàng)最基本的技術(shù)要求，沒有載頻同步無法實(shí)現(xiàn)通信。無線通信的空中物理接口好比一列高速運(yùn)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)實(shí)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(gè)時(shí)隙的觀察時(shí)間為1ms時(shí)（5G幀結(jié)構(gòu)中導(dǎo)頻符號持續(xù)時(shí)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(jì)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(gè)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(gè)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(yùn)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(jì)算表明，在100km/h時(shí)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(shí)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(gè)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(shí)延了。為此，要實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)全各基站的頻率同步。

目前無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)延缺陷，通過光纖接口或其他接口送到達(dá)基站，從而實(shí)現(xiàn)各基站之間的時(shí)間同步。

二.基站時(shí)間同步技術(shù)

移動通信中時(shí)間同步也是一項(xiàng)最基本的技術(shù)要求，沒有時(shí)間同步也無法實(shí)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(gè)天線以及多個(gè)正交子載波中傳送，其時(shí)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(shí)延以及不同子載波符號的時(shí)序需要對齊其時(shí)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(shí)間同步分為二個(gè)層次，首先是移動網(wǎng)內(nèi)所有基站之間的時(shí)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(shí)隙結(jié)構(gòu)中完成，否則將會與相鄰基站的收發(fā)時(shí)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(shí)間同步，收發(fā)時(shí)隙可能就會有錯(cuò)位導(dǎo)致無法解調(diào)。

基站與終端的時(shí)刻同步有兩種方式，在下行鏈路中基站向各個(gè)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(shí)可知基站接收接入請求的時(shí)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(shí)隙用于上行隨機(jī)接入。需要接入的移動臺在該時(shí)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(gè)作為接入碼，在隨后的上行幀中任意選擇一接入時(shí)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(shí)刻與基站接收參考時(shí)刻之間的延遲誤差不同，時(shí)延較大時(shí)會對相鄰符號產(chǎn)生干擾?；窘邮盏揭苿优_的接入請求后，測量信號功率、時(shí)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(shí)鐘，載波頻率和發(fā)送功率，同時(shí)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(shí)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(shí)鐘的漂移和信道傳播時(shí)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(shí)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(shí)間需要調(diào)整發(fā)射時(shí)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(gè)基站的時(shí)間和相位必須同步，這就是移動網(wǎng)絡(luò)規(guī)定在任何時(shí)間所有基站之間的時(shí)間或相位基準(zhǔn)誤差小于1us的要求。要做到這一點(diǎn)也不容易，因?yàn)榛颈仨毷冀K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(gè)量級，產(chǎn)生頻率同步偏差并會導(dǎo)致時(shí)間偏差。這就需要采用時(shí)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(jì)算法以達(dá)到5G規(guī)定的保持指標(biāo)。因?yàn)轭l率偏差的積分就是相移。理論計(jì)算表明，1us/24h的時(shí)間偏差相當(dāng)于頻率的偏小于0.01ppb/s。