5G定时和同步5G Timing and Synchronization for TDD.docx

资源描述

5G定时和同步5G Timing and Synchronization for TDD.docx

《5G定时和同步5G Timing and Synchronization for TDD.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5G定时和同步5G Timing and Synchronization for TDD.docx（19页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

5G定时和同步5G Timing and Synchronization for TDD.docx

5G定时和同步5GTimingandSynchronizationforTDD

5G定时和同步

（TDD部署）

5GTimingandSynchronizationforTDDDeployment

1．前言

同步是通信系统最关键的功能之一。

然而，在5G的环境中，特别是对于上行链路和下行链路传输在同一频率上的时分双工（TDD），干扰的可能性要大得多。

因此，我们看到了TDD-LTE和5G-NR对定时和同步的更严格的要求。

在本文中，我们将讨论TDD、定时和同步以及帧同步的关系，特别是对于5G-TDD部署。

2．频谱的利弊权衡

并非所有的无线电频谱都具有相等的性能。

比如说1GHz以下提供了最佳的覆盖面，但是，可用的低频段频谱数量有限。

频率范围FrequencyRange2（FR2），即大于6GHz提供了大量的频谱，带宽非常宽（高达400MHz），但覆盖范围有限。

事实上，它是一个极好的无线信道，具有千兆吞吐量，但覆盖范围仅限于数百英尺。

C波段频谱是FrequencyRange1（FR1）的一部分，也称为中间频谱，它在覆盖率和高吞吐量之间提供了一个很好的折衷方案。

作为3GPPRelease15的一部分，确定了三个波段n77、n78和n79，用于C波段的5G操作，其潜在服务带宽高达100MHz。

见表1。

波段

频谱

调制

频率（GHz）

UL/DLFreq

（GHz）

信道带宽（MHz）

100

n77

C波段

TDD

3.7

3.3-4.2

n78

3.5

3.3-3.8

n79

4.7

4.4-5.0

表1-C波段频谱

凭借100MHz的带宽，C波段可以真正实现5G的增强移动宽带（eMBB）用例。

需要注意的是，C波段只提供时分双工（TDD）。

TDD通过半双工通信链路提供全双工通信信道。

这意味着发射机和接收机使用相同的频率，但通过使用同步的时间间隔在不同的时间发送和接收业务。

数字信号处理和硬件计算速度的进步允许TDD操作，但它确实带来了一些挑战。

让我们回顾一下TDD的优点以及一些定时和同步要求，以确保它能够提供与频分双工（FDD）类似的射频服务质量。

从频谱效率的角度来看，TDD更具吸引力的选择，因为它只需要一个不成对的频谱来进行操作，考虑到频率资源的稀缺性，这是有益的。

此外，由于信道互易性，依赖于上行链路中的信道状态信息（CSI）测量的物理层特征（例如大规模MIMO、波束形成和预编码），TDD会更加健壮。

TDD在带来频谱效率的同时，也带来了一个关键的挑战：

定时和同步。

由于下行（DL）和上行UL共享相同的频谱，因此需要对TDD系统施加严格的定时限制以避免干扰。

3．TDD时隙格式

与LTE一样，5G无线帧的固定持续时间为10ms，每个无线帧包含10个子帧。

它与LTE的不同之处在于，在5G-NR中，时隙和符号持续时间取决于其数量。

见图1。

图1-5GNR时隙与子载波间隔的关系

随着子载波间隔的改变，每个子帧的时隙和符号的数量也随之改变。

例如，15KHz有一个持续时间为1ms的子帧，该子帧等于一个带14个符号的时隙。

对于30KHz子载波间隔，一个子帧等于2个时隙，每个时隙的持续时间为0.5ms，28个符号，依此类推（对于正常循环前缀）。

对于不同类型的服务，例如，超可靠低延迟通信（URLLC）与eMBB，服务提供商可以决定使用不同的时隙和帧配置。

3GPP38.213的发行15版本定义了56个时隙格式（表2），每个时隙格式都是一个时隙期间Down下行链路/Flexbile/Uplink上行链路符号的预定义模式。

下表提供了快速参考。

Format

时隙中的符号编号

56–254

保留

255

255UE基于tddULDLConfigurationCommon，tddUL确定时隙的时隙格式-

DLConfigurationCommon2或tddULDLConfigDedicated，如果有的话，在检测到的DCI格式上

表2-普通循环前缀的时隙格式

这些格式允许在5GNodeB（gNB）上支持灵活的应用，例如，具有UL部分的DL重流量可以实现Format28。

当然如果两个提供不同类型服务的网络相邻，这也会带来挑战。

即使它们在时间上是同步的，但是它们的时隙格式不同步，也会产生干扰。

图2-具有非同步时隙格式的两个网络

4．同步及其重要性

在通信网络特别是无线通信网络中，同步的重要性值得讨论。

如果无线电时钟失去同步精度，或者无线电不同步，在TDD信道中，TDD帧将漂移到保护周期之外，并干扰相邻小区站点。

时钟源的精度越低，时间偏移的概率就越高，最终会带来性能和干扰方面的挑战。

以下是TDD环境中可能出现的干扰问题：

⏹小区内干扰

由于大的定时误差在同一小区内引起的干扰。

小区内干扰的概率很低，因为在TDD小区中，调度器将不同的用户调度在不同的时隙上。

⏹小区间干扰

当相邻小区中的用户被调度在相同的子载波上但具有不同的DL/UL时隙时，小区间干扰是可能的，特别是当小区不与公共时钟同步时。

下图展示了LTETDD系统干扰分析和性能评估的四种可能场景。

图3-小区间干扰场景

在类型1场景中：

小区1被分配在DL时隙上，相邻小区2也同时被分配在DL时隙上。

在这种情况下，小区边缘的两个ue都接收来自相邻小区的干扰。

在类型2场景中：

与类型1相反，小区1和小区2都被分配了一个UL时隙。

这导致在小区处接收到来自相邻ue的微弱干扰。

记住，与gNB相比，UE的功率是有限的。

在类型3场景中：

小区1被分配DL时隙，小区2被分配UL时隙。

小区1中的小区边缘UE受到来自小区2中的小区边缘UE的强干扰。

这是所有案件中最严重的一种干扰。

在类型4场景中：

小区1被分配到UL时隙，小区2被分配到DL时隙。

小区1受到小区2的干扰。

然而，干扰强度相对较低，因为小区之间的距离较大，因此小区之间的路径损耗较高。

一般来说，为避免此类干扰用例，网络中的所有基站应与公共相位时钟基准（例如UTC-协调世界时）同步。

根据ITU-T标准建议，5G-NRTDD和LTE-TDD网络都需要进行相位同步，以便将端到端时间误差限制在1.5μs以下。

这1.5μs包括到接入点的1.1μs绝对时间误差和到无线电的前传0.4μs绝对时间误差。

可以使用不同的定时同步解决方案来确保网络中的所有无线电单元都是同步的，这将允许基站处的调度程序确保干扰最小化。

⏹交叉时隙/链路干扰

TDD网络干扰的另一个潜在实例是网间交叉链路干扰。

当两个TDD网络被部署在同一频带内的块中时，就会发生这种情况，当上行链路和下行链路方向上的同时传输在不同的TDD网络中发生时，就会产生干扰，如图4所示。

在这种情况下，属于一个网络的基站（BS）或UE发射，而属于另一个网络的另一BS或UE接收，这种情况被称为UL/DL同时发射。

图4-同时进行UL/DL传输时的干扰场景

如果两个网络是相位和帧同步的，则可以避免此类问题。

然而，对于部署多运营商同步网络是一个挑战。

在已经部署LTE网络的情况下，由于5G-NR新的帧结构带来了新的兼容性和性能问题，这可能变得更具挑战性。

在同信道相邻网络或并置相邻信道网络同步的情况下，同步操作的目的是防止BS-BS和MS-MS干扰场景。

在这种情况下，同步不仅仅意味着有一个共同的协调世界时（UTC）参考；相反，它还需要跨运营商的兼容帧结构。

帧和时隙同步将有助于避免由于交叉链路干扰而导致的性能降低，而不需要额外的缓解技术，例如额外的滤波、互操作保护频带、基站之间的地理间隔等。

因此，网间同步可以简化部署，因为小区站点无线电规划只需要较少的协调。

总之，对于TDD-LTE或5G-NR网络（其中TDD是C波段的唯一选项），我们不仅需要频率和相位同步，还需要帧和时隙同步以避免网络间干扰。

了解不同类型的同步以及3GPP、ITU-T和ECC等其他监管机构提出的一些要求和建议对于理解部署5G-NRTDD网络的复杂性至关重要。

此外，随着RAN向开放RAN（O-RAN）架构的演进，定时和同步需求以及定时和同步测试将更加重要，因为无缝5G服务可能需要考虑来自开放接口网络节点的额外延迟。

5．同步类型

在用于相干检测的通信信道中，接收机需要评估接收信号相对于本机振荡器的频率和相移，以便能够补偿该频率和相移，这种现象称为同步。

同步可以标识为以下类型：

⏹频率同步

按重复间隔（即频率）排列但不按相位或时间排列的两个时钟。

图5-频率同步

⏹相位同步

按重复间隔（即频率）和相位（1秒间隔）排列的两个时钟，但没有共同的时间原点。

图6-相位同步

⏹时间同步

按重复间隔（即频率）、相位（1秒间隔）排列的两个时钟，它们共用一个时间原点。

图7-时间同步

⏹帧同步

一种兼容的帧结构，用于避免同时进行UL/DL传输，它确定特定的DL/UL传输比和帧长度。

即在任何给定的时刻，或者所有网络在DL中传输，或者所有网络在UL中传输，基本上不发生同时的UL和DL传输。

对于涉及的所有TDD网络采用单帧结构，并且在所有网络上同步帧的开始。

6．定时和同步的标准要求

网络中不同节点的同步意味着时间和频率在时钟网络上的分布，这些时钟分布在一个广泛的地理区域，都有一个共同的主要来源。

所有通信网络都要求节点同步，以便能够正确地解调接收到的信号。

在无线通信中，接收器不知道与发射信号相关联的物理无线信道或传播延迟的信息。

典型的通信接收机使用低成本振荡器来保持设备的成本可控。

这些振荡器本身就有一些漂移。

因此，使用定时同步作为接收机节点确定对传入信号进行采样的正确时间实例的处理，并且使用载波同步作为接收机将其本地载波振荡器的频率和相位与接收信号的频率和相位相适配的过程，接收节点能够正确解调接收到的信号。

同步定义和过程可能因特定通信系统而异。

例如，就OFDMA而言，定时同步可以包括帧、时隙和符号同步、剩余定时跟踪、第一到达路径搜索等。

类似地，载波同步可以意味着整数或分数频率偏移估计，在5GNR中，载波精度要求为十亿分之五十，定时精度要求为10μs。

然而，对于LTE/5GNR-TDD，这一要求更为严格1.5μs。

对于MIMO、基于位置的服务等高级功能，需要几个100ns的定时精度。

有关定时和同步要求、同步类型、是否需要绝对同步与相对同步以及不一致的影响，请参见表2。

用例

同步类型

同步要求

需求遵从

不遵从的影响

LTE/5G-NR

FDD

频率

50PPB

绝对同步

可达性和可保持性

干扰和高跌落连接

LTE/5G-NR

FDD

时间

~10μs

绝对同步

时隙对齐

丢包冲突，

性能下降

LTE/5G-NR/eMBMS/

载波汇聚

时间

~3-5μs

绝对同步

时间对齐

用于视频解码和载波聚合的多载波和小区

视频质量差，CA故障，

低吞吐量

LTE/5G-NRTDD/eCIC

时间

~1.5μs

绝对同步

干扰管理/干扰协调

网络干扰，

容量减少，性能差

LTE/5G-NRCoMP/LBS

时间

<1μs相对同步

OTA测量

协调进出站点小区的信号

LBS精度、光谱效率

LTE/5G-NR

TDD

帧

取决于相邻的TDD网络（LTE与5G）

与相邻LTE或5G网络的协调

网络干扰，

容量减少，性能差

表3-不同功能/服务的LTE/5G-NR定时要求

7．绝对同步与相对同步

绝对同步和相对同步有什么区别？

为了理解这一点，让我们回顾一下图8。

时间误差（TE）是指两个节点时钟之间的时间差，在5G网络中有两个不同但同样重要的组成部分。

⏹绝对同步TE：

在节点和主参考时钟（PRTC）之间的时差，PRTC是主参考时间。

对于5G-NRTDD系统，可以使用精确定时协议（PTP）进行测量，ITU-T建议到接入点的时间为1.1微秒。

⏹相对同步TE：

在两个无线电单元之间的时间差。

如表4所示，满足相对TE要求对于高级功能（包括载波聚合、MIMO、CoMP和基于位置的服务）至关重要。

图8-5GNR网络的定时和同步要求

另一个需要理解的部分是时间对准误差（TAE），它是两个天线端口之间的时间差，使用GPS或公共定时源作为参考在空中测量。

空中TAE测量限值在两个RU、载波或天线端口（对于MIMO）之间不同，如图8所示。

虽然定时和载波同步对于成功的通信是必要的，但是它们不能提供跨分布式节点的时间的通用概念。

时钟同步是在独立的本地时钟之间实现和保持协调的过程，以便在整个网络中提供一个共同的时间概念。

例如，在过去，GPS接收机被用作小区站点最常见的时间同步源。

在5G中，这可能不是一个划算的选择。

8．CPRI与以太网

5G在网络拓扑结构方面引入了许多变化。

CPRI（一种同步的前端传输接口）是LTE使用的技术，它可能并不适用于所有5G情形。

CPRI强制执行严格的延迟要求，这非常适合于集中化，但它在带宽和节点灵活性方面带来了挑战。

CPRI提供了一个专门设计的传输协议，用于在无线单元和数字单元之间传输无线波形。

CPRI帧随着无线信道带宽和天线单元数量的增加而扩展。

然而，CPRI在统计复用方面不是非常有效，并且不能扩展到5G的需求，特别是对于大规模MIMO和更大的带宽增量。

5G场景中所需的带宽和天线将使CPRI带宽超过100Gbps。

这就是为什么将以太网用于前端和中端是非常实用的。

以太网是向后兼容的，这允许设备实现接入网络的更大融合，并支持统计复用，并将有助于降低总比特率要求。

使用标准IP/以太网网络交换/路由也将使功能虚拟化和整体网络协调变得相对容易。

而这里的挑战在于以太网是不同步的。

在5G（eCPRI或O-RAN）中，同步平面将通过以太网层独立承载，而不局限于特定的协议。

全球定位系统（GPS）、精密时间协议（PTP）、同步以太网或类似的东西可用于定时和同步。

9．同步选项

如图9所示，在3G和4G蜂窝网络中，卫星接收机嵌入在NodeB和BBU中。

这些控制器利用一天中的时间信息，通过无线电波传送到UE。

他们还获取每秒接收到的精确定时脉冲（1PPS），并以此保持所有基站频率同步。

3G和4G网络只需要一颗卫星就可以进行频率同步。

5G蜂窝网络使用与3G和4G网络相同的GPS卫星，最多可使用全球范围内32颗卫星，具体取决于在服务的卫星数量，但使用方式略有不同。

图9-基于GPS的同步（对4G使用CPRI同步BBU和RRH）

每天的时间消息仍将通过空中接收并发送到UE和分布式单元（DU），它们是5G网络中控制器的名称。

DU还使用从卫星接收到的每秒1个脉冲（PPS）来保持频率同步。

然而，对于重叠小区的相位同步，我们需要网络设备访问相同的时间源，以及来自该源的时间消息。

对于这种类型，需要多个卫星的视角来提供同步。

同样的挑战也存在于使用LTE-TDD技术的4G网络中，该技术也需要相位同步。

为了充分了解卫星接收器一天中的确切时间，我们需要能够补偿卫星发送时间消息和该消息到达卫星接收器之间的延迟。

然而，这将变得非常有挑战性，因为卫星在我们上方不是静止的。

挑战处理如下：

所有卫星都定期发送星历表。

卫星的星历是对其轨道的数学描述。

所有卫星接收器都计算出它们所在位置的准确位置。

这种计算称为测量，并使用类似的数学技术三边测量。

一旦计算出准确的位置，换句话说，一旦测量完成，然后就可以计算卫星和卫星接收器之间的延迟来“校正”当天的接收到的时间。

图10-基于GPS的同步

为了准确地执行此计算并建立准确的位置，至少需要四颗卫星，如上图10所示。

有四个变量要考虑——经度、纬度、海拔和时间，因此需要四颗卫星。

测量运行的时间越长，计算的位置就越精确。

卫星接收机的位置越精确，小区间的时间误差越小，重叠小区的相互干扰可能性越小。

10．5G前沿挑战

在5G中，回程的同步将与LTE的同步非常相似；然而，在没有前传同步的情况下，在每个RU部署卫星接收机是很不划算的，特别是对于小型小区，C波段无线电和毫米波无线电。

在5G中，回程同步将与LTE非常相似。

然而，在没有同步前程的情况下，在每个RU部署卫星接收机将不具有成本效益，特别是对于小型小区，C波段无线电和毫米波无线电。

我们仍将看到卫星连接在C-RAN中心位置，并对无线电进行严格的定时控制。

基本上，定时和同步分布是通过以太网工作的。

在大多数情况下，PTP（IEEE1588v2）将用于分配一天中的时间（ToD），SyncE将用于分配频率，以便通过以太网同步RU（图11）。

图11-5G-NR网络上的定时分布

有多种选项可满足严格的相位和时间同步要求例如，选择S面配置。

目的是确保所有节点与PRTC源同步。

源的位置可能因网络拓扑、成本和应用程序而异。

通过使用与卫星源同步的主时钟以及边界时钟和子时钟的组合，网络节点可以与公共时间和相位对齐。

选项包括：

1.在所有基站安装GNSS/GPS。

这非常昂贵，在某些情况下可能不是一

展开阅读全文