2022-04-28

對時!! 精準時間用於5G O-RAN

甚麼是5G？

台灣5G行動網路開台已經快三年時間，雖然比美國、南韓晚一年。但台灣5G的表現算是符合預期 (可參考OpenSignal*)。我們簡單說明一下，甚麼是5G。

5G 是第五代無線移動通訊技術 (5th generation mobile networks 或 5th generation wireless systems)，對比於先前的世代，它可以提供更快的速度，與更多的容量。5G比現有的4G網路對比上更快。5G 技術的速度最快可達 20 Gbps，而 4G 的最高速度僅 1 Gbps。為了更廣泛的應用，如遊戲，串流影音，視訊會議，社交網路，甚至是自動駕駛，這些移動通訊應用與數位體驗都可以從速度升級中受益，增進更佳的使用者感受。

第四代行動網路通訊 vs 第五代行動網路通訊：

簡言之5G的優勢主要展現在兩個地方：網速比 4G 快近10倍；延遲比 4G 少10倍。

隨著 4G升級5G, 高頻通訊頻段增加, 根據電磁波原理, 隨著頻率增加, 其傳輸的距離衰減也跟著增加, 亦即 5G 基地台,可涵蓋範圍降低. 因此, 佈建的數量必須要倍數增加才可以涵蓋原有範圍.

因此 Open RAN 的聯盟的角色更顯突出，而相關的伺服器，工業電腦廠，網通廠，也想藉此切入5G基地台的市場分食大餅。

	4G	5G
峰值速率（理想上傳、下載速度）	0.1-1 Gbps	1-10 Gbps
延遲（回應時間）	15-25 毫秒（0.02-0.03秒）	1 毫秒（0.001秒）
頻率	10 GHz 以下	30到300 GHz
優點	低頻覆蓋廣，不用大量基地台	高頻提升傳輸速率
缺點	頻寬小、易壅塞	難穿透固體，訊號隨距離快速下降，需建置更多基地台

表1、第四代與第五代行動網路通訊比較

在5G移動通訊時代裡，有關設備的部分，就不得不提一下，這個Open RAN 聯盟。(O-RAN)

甚麼是Open RAN ?

Open RAN (Open Radio Access Network) 開放性無線接入網路。是一種新的網路架構規範，其中行動網路是來自多個供應商，這些供應商可以是含硬體或軟體系統組成，這些組合通過「開放且可互相對接」的網路接口來運行。.

回顧過往，相容性的RAN設備僅能從單一供應商處提供，當系統升級換到4G時，射頻系統跟數據系統會有搭配性的問題，系統各自有專屬的接口，兩個不同供應商彼此無法互通。行動網路營運商無法在供應商間選擇不同的RAN設備，這狀況成為4G商業發展的不利條件。

進入到5G時代無線網路進一步細分元件，但情況還是相同，如果要讓所有5G RAN設備兼容只有向單一供應商購買。這樣的情形降低了電信營運商議價能力，因此為了增加更多來源的設備供應商，Open RAN 聯盟應運而生。

開放式無線電接入網 (O-RAN) 是一個基於 RAN 元素的互通性和標準化的概念，包括針對不同供應商的Whitebox(白盒)和 Open source software開源軟體的統一互連標準。O-RAN 架構將模組化基地台軟體堆疊集成在現成的硬體上，允許來自不同供應商的基帶(Baseband)和無線電單元(RU, Radio Unit) 彼此可以互通運行。

圖一、O-RAN聯盟成員

前述有提到，5G跟4G 的差異在於延遲時間縮短，以3GPP聯盟制定5G延遲時間規範，基地台間的時間延遲需低於 3uS. 為何需有延遲時間的制定? 見下圖，5G環境中基地台之間的延遲需低於3uS.

圖二、5G無線基地台與基地台之間的訊號延遲需低於3微秒

基地台間的時間同步

我們知道無線網路是由一個一個的基地台組成的。單個基地台的覆蓋範圍和容量有限，因此基地台間需要進行各種指令通信交互來實現小區選擇，重選，切換，負荷均衡，干擾協同等複雜的操作。各個基地台要交互通訊，除互相通信之外，還需要步調一致，準確知道對方目前的狀態，預知下一個時刻將要發生的動作，才能配合默契。

我們以5G為例，在TDD模式下，時間是用來區分上下行的，基地台之間需要嚴格步調一致。如果相鄰基地台沒有採用相同的時間基準，一個正在進行下行發射，另一個卻在進行上行接收，發射基地台的信號會進入接收基地台，從而產生強烈干擾，系統會無法運轉。所以，基地台與基地台的時間同步就非常重要。

時間同步技術

基地台時間同步有幾種技術，目前常用的有GNSS 與 1588

GNSS技術:

衛星導航系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）是覆蓋全球的上空衛星的所提供時間與空間定位的系統，接收器可以接收衛星訊號並計算出裝置本身所處的位置訊息（經度、緯度和高度），可用來作為科學，軍事，農漁礦業交通等多種應用上。

目前常用的系統有:

美國的全球定位系統（GPS）
俄羅斯的格洛納斯系統（GLONASS）
中國的北斗衛星導航系統（BDS）
歐洲聯盟的伽利略定位系統 (Galileo)。

衛星會內建精準時間源“原子鐘”並透過信號發射出時間訊息來給接收器接收。

利用GNSS取的時間可能會有幾個缺點

1. 可能因天氣原因或駭客攻擊(網路詐騙、干擾等)，任何GNSS都可能會被關閉，暫時失聯。

2. GNSS需有天線對著天空，而室內應用通常受限天空能見度。佈建天線成本也因此增加，透過PTP network數據封包網路傳遞時間，來作為GNSS的補強。

數據封包網路傳遞時間 PTPv2/1588v2：

IEEE 1588由電氣電子工程師協會(IEEE)在2002年定義，為用於網路化測控系統的精密時鐘同步協定(PTP)。簡稱為「精確時間協定」(Precision Time Protocol)。

IEEE 1588v1適用於工業自動化以及測試和測量領域。隨著IP網路的發展和3G網路的普及，對電信網路時間同步的需求日益增加。為了滿足這一需求，IEEE於2006年6月在IEEE 1588v1的基礎上制定了IEEE 1588v2，並於2007年對IEEE 1588v2進行了修訂，並於2008年底發佈了IEEE 1588v2。

1588v2是一種時間同步通訊協定，可在裝置之間實現高度準確的時間同步。它還用於實現裝置之間的頻率同步。這種基於分組的同步機制通過有效的分組交換機制將次微秒(Sub-microsecond)級的頻率和相位同步與ToD (Time Of Date) 分佈功能相結合PTP的主要弱點也在於其資料包性質，因為PTP使用的同步資料包是在主時鐘和主機之間的網路中轉發的，這些主機受到所有網路事件的影響，例如幀延遲（Frame Delay）、幀延遲變化（Frame Delay Variation）和幀丟失(Frame Loss)。即使採用將高優先順序應用於同步流的最佳實踐，這些同步資料包仍將遇到擁塞以及可能的路由和轉發問題，如順序錯誤和路由擺動。

下面是一個網路架構，一個網域上有 Grand Master 與 Slave. Slave透過1588來取得的Master的精準時間並修正自己的時間。

圖三、Slave 裝置透過1588跟Grandmaster取得精準時間並調整本地時間

如下圖: 封包打上時間戳，加上傳遞的時間，可以透過運算式算出Slave跟Master 的時間差。

圖四、Master與 Slave 分別在封包裡面打上時間戳，加上傳遞時間，透過計算即可以取正確的時間

其中SMU (Synchronization Management Unit) 就是重要的角色之一。

下圖左方Host (CPU) 透過控制介面來調整PLL，使Slave系統時鐘調快或調慢，來跟Grandmaster的時間一致。

圖五、綜合圖三圖四，本地端調整內部SMU(PLL)，使得本地時間與Master 時間一致

瑞薩電子ClockMatrix系列多通道定時器件降低了複雜性和成本的時鐘樹，用單個定時晶片替換多個定時晶片。支援廣泛的輸入和輸出處的頻率和信號類型。ClockMatrix 系列器件是高性能、高精度時序解決方案，能為介面速度最大800Gpbs等相關應用來簡化時鐘設計。

圖六、瑞薩SMU 單元內部架構

此器件可以用於系統中的任何地方，以執行關鍵的時序功能，如時鐘生成、頻率轉換、抖動衰減和相位校準。此器件可用於CU（Central Unit）、DU（Distributed Unit）、RU（Radio Unit）。前傳或回傳網路時間同步(IEEE 1588) 時間戳記單元 (TSU) 和 SyncE (Synchronous Ethernet) 埠。此系列器件支援多個獨立時鐘通道：IEEE 1588 時鐘合成；SyncE 時鐘生成；抖動衰減和射頻時鐘生成（包括轉換器的 SYSREF 生成）。所有輸入到輸入、輸入到輸出和輸出到輸出相位偏差均可精確管理。此器件輸出的超低抖動時鐘可以直接應用於112Gbps 運行的 SERDES，以及 CPRI/OBSAI、SONET/SDH ADC/DAC 和 IEEE 1588 TSU。為了便於在 IEEE 1588 系統中實施同步，瑞薩電子也提供了提供 PTP 時鐘管理器軟體(PCM4L)

ClockMatrix 器件包括兩種類型的定時通道：數位 PLL / 數位控制振蕩器（DPLL/DCO）通道和單獨的DCO通道。任何DCO都可以基於本地振蕩器自由運行。它們可以通過外部軟體控制，也可以連接到 DPLL 通道，為該 DPLL 提供額外的輸出和頻率。 ClockMatrix系列利用其靈活的架構、通用寄存器集和幾種封裝類型，涵蓋了從簡單到複雜的定時和同步應用。