無線網絡中的時鐘同步怎樣組網？
冰河 本文轉載自微信公眾號「無線深海」，作者蜉蝣采采。轉載本文請聯系無線深海公眾號。
PART 1
同步是基本需求
時鐘同步，對于無線網絡來說至關重要。從2G到5G，不同的無線接入技術對頻率同步和相位同步的精度都有著不同的要求。詳情見我上一期的文章：為什么無線通信網絡需要同步?
同步的基本原理和對表類似。
每個基站的內部，都有自己獨立的時鐘模塊：晶振(晶體振蕩器)，在沒有外部時鐘源時，就處于自由震蕩狀態。
可想而知，在自由震蕩狀態的各個基站間的時鐘沒有同步，每個基站都只是一個孤島，只能獨立運行無法協同工作。唯有通過參考時鐘來同步這樣的“對表操作”，才能讓它們步調一致，從而緊密連接形成網絡。
對于參考時鐘，它首先要確定一個參考源，然后再是不同節點之間的同步關系。在通信系統中，一般來說精度較低的節點向精度較高的節點來獲取參考時鐘同步。
PART 2
時鐘等級和精度
ITU-T一共定義了4種精度的時鐘，一般也稱之為一級鐘，二級鐘，三級鐘和四級鐘。它們的精度要求隨等級的變大而降低。
一級鐘是最高等級的時鐘，因此也稱作PRC(Primary Reference Clock，主參考時鐘)。它要求的精度非常高，即在任何情況下的頻率精度在±1x10^-11，也就是頻率誤差為千億分之一。
最好的一級鐘是由銫原子組成的基準時鐘，它利用銫原子內部的電子在兩個能級間躍遷時輻射出來的電磁波作為基準來控制時鐘的精度。每種不同的原子都有自身的特有的振動頻率，最常見的現象就是當食鹽被灑在火焰上，鈉原子所發出的黃光。
銫原子鐘的原理
銫原子鐘的穩定度非常高，可以做到500萬年才偏差一秒。
但是它的成本太高了，只有國家機器才能造得起這種昂貴的系統。對于通信系統來說，可以使用以GPS為代表的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球導航衛星導航系統)加銣鐘作為一級時鐘源，成為LPR(Local Primary Reference，區域基準鐘)。
二級鐘和三級鐘的特點是它們需要從外部選擇一個同步鏈路來獲取時鐘信號，對抖動和偏移進行衰減，然后再向其他設備轉發時鐘。因此它們稱作SSU(Synchronization Supply Unit，同步支持單元)，二級鐘也叫SSU-A，三級鐘也叫做SSU-B。
不同時鐘等級的精度要求
二級鐘在一年內的精度需要達到0.016ppm，三級鐘在一年內的精度要能夠達到4.6ppm。
四級鐘也叫做SEC(SDH Equipment Clock，SDH設備時鐘)，作為最低級別的時鐘，它的精度不大于4.6ppm。
通過和無線通信的時鐘同步精度進行比較，我們會發現，所有無線通信制式的頻率同步精度要求都為0.05ppm，三級鐘和四級鐘無法滿足需求，一般需要達到二級鐘的級別。也就是說，基站需要和一級鐘或者二級鐘同步才能正常工作。
不同無線接入技術(2/3/4G)的同步需求
PART 3
時鐘同步的組網
有了時鐘源，還需要一個網絡，把時鐘分發下去。根據組網的不同，可分為集中式和分布式這兩種方式。
集中式時鐘同步的代表為基于分組網絡的同步以太網(SyncE)，1588v2等技術，其大體上的組網如下圖所指示。
集中式同步分發網絡
主時鐘PRC，作為最高節點，通過一個金字塔式的傳輸網絡，一層層地把時鐘傳遞下來。圖中的SSU即為二級鐘，可認為是無線通信中的基站。
在這種模式下，同步以太網(SyncE)只能實現頻率同步，1588v2除了可以實現頻率同步之外，還能支持更高精度的相位同步。
同步以太網+1588v2同步分發網絡
但是，要1588v2實現相位同步，需要每一個傳輸節點都支持PTP(Pricise Time Protocol，精準時間協議)協議，并且還要求上下行鏈路的時延完全一致，這一點在現網中實施起來非常困難。
分布式時鐘同步的代表技術為美國的GPS，還包括中國的北斗，俄羅斯的格洛納斯，以及歐洲的伽利略等GNSS系統。
基于GPS的分布式同步分發網絡
如上圖所示，作為一級鐘的GPS并不直接和下級SSU物理相連，而是通過無線接口來廣播時鐘信息，所有的SSU都通過GPS接收機來直接和主時鐘同步。
毫無疑問，無線通信的基站也屬于SSU，只需要在基站上安裝GPS接收機就能實現高精度的同步。GPS同步目前也是全球應用最廣的同步方式。
由于5G需要更高精度的相位同步，以1588v2為代表的集中式網絡同步的精度難以保證，因此以GPS為代表的GNSS系統的重要性更近一步增強。
好了，本期的內容就到這里，個人淺見，希望對大家有所幫助。
