發布日期：2022-07-14 點擊率：69
像UMTS及CDMA2000等3G無線技術,都要求有嚴格的數據流同步來保證各基站間的可靠信號傳輸。過去,一般僅在工作不正常或跨運營商網絡邊界時才在無線網絡中進行同步。隨著眾多無線業務的高帶寬要求及實時特性的提高,掉線正日益變得無法忍受,尤其當系統轉向3G時。因此出現了以整個網絡內的可靠參考時鐘有效管理及分配為形式的解決方案。全球定位系統(GPS)即是這種時鐘分配的基礎。
無線網絡一般由數個關鍵子系統組成。理論上講,同步取自公共交換電話網(PSTN)并利用T1/E1線路在網絡其他部分中分發。所有節點都能被鎖住,且轉接時所增加的任何抖動及飄移都能在各轉接點處濾除。但不幸的是,這種方案因下列許多原因而并不現實,如:不能保證PSTN的質量；轉接時會引入過多的時鐘噪聲；網絡流量打包會增加過多的飄移；子系統間的連接可能需要由多家供應商來管理等。
實際上,無線網絡一般采用由保持時鐘所支持的參考時鐘工作,所有其他網絡時鐘都必須源自該參考時鐘。其中的挑戰是如何在整個網絡內分配可靠參考時鐘,而GPS則能為包括無線在內的各種應用提供獨立的時鐘參考。
現在幾點了？
知道確切的時間可能會很棘手。在整個系統內分配參考時鐘需要一定的時間,且每通過一級都會增加一定程度的噪聲。而當您設置完子系統時鐘后,它又會開始飄移,因此您需要定期將它再校準到參考時鐘上。即使兩個子系統連接到同一參考時鐘上,它們也會以不同的速度開始偏離參考時鐘。如果這種偏離足夠大,則會引起連接掉線。
CDMAone及cdma2000對同步的要求最嚴,規定時鐘飄移不能超過1/1010或每24小時7.5微秒。而UMTS寬帶碼分多址(W-CDMA)及GSM網絡則要求相對較松,規定時鐘飄移不能超過5/108或每24小時4.3毫秒。要達到這種水平的可靠同步,子系統必須能精確地訪問可靠參考時鐘,并在參考時鐘不可用時具有出色的時鐘保持能力。
傳統上,參考時鐘一直是通過網絡自身分發。但隨著網絡日趨復雜以及難以計算節點間定時數據包的執行時間,故網絡定時已變得不那么可靠。例如,Sonet及SDH指針調整會增加模糊性,從而增加通過網絡傳輸的定時數據包的錯誤率。
定時數據包自己感覺不到出錯,故當Sonet載荷從光學域被帶回數字域時即開始出現問題。此時,數據包可能會根據對任何指針進行的調整而被調整一個字節左右。這種調整會在計算數據包執行時間時引起相位誤差,但可用長度調整來予以消除。即使對于UMTS標準,這種誤差也足以導致不適當的切換或掉線。網絡定時可能在大多數時候都很合適,但它不可能保證在所有工作條件下、以及在高度受限的無線網絡中都能一直滿足高速數據傳輸的最低要求。
GPS是分配參考時鐘的一種杰出候選方案,因為每一子系統都能擁有與同一參考時鐘的直接連接,而不是借助不可靠網絡鏈路的間接連接。由于GPS普遍可用,故它能避免許多互操作問題,這些問題可能會出現在由不同廠商提供的設備之間、或由不同運營商管理的網絡之間。但也有一些情況GPS并非是合適的同步源,例如對快速移動對象等,不過,基站一般都相對較固定,因此這種情況對于無線網絡并不適用。在這種情況下,CDMA要求用GPS來作為同步源也就并不讓人驚奇了。
但對于一些成本敏感應用,提供GPS接收機就不太可行。例如,一座大廈或園區就可能支持眾多與一個基站鏈接的微蜂窩。在這種情況下,微蜂窩的成本可通過利用一個中心及可靠的時序源并將參考時鐘分配給各微蜂窩而減少。基站中可安裝一臺GPS接收機并將時間(亦即參考時鐘)再分配給微蜂窩。
建筑物內CAT5線或其他網絡基礎設施的流行,為可靠地分配時鐘信號提供了一種方便及低成本的手段。通過固定線纜的長度,微蜂窩或中心時鐘源可對線纜的已知執行時間進行補償。由于能避免必須用無線方式來分配參考時鐘,故您能提高時鐘信號的可靠性及可用性。
我的表停了
鎖在GPS信號上可提供足夠可靠的參考時鐘來讓您運行您的網絡,但GPS并非100(的可靠。子系統也許會找不到足夠的衛星或適當的環境條件,從而使信號難以鎖定。
用GPS進行導航的美國海軍,要求其導航人員在GPS不可用時進行航位推測。當GPS不可用時(一小片云的遮擋也會使蜂窩網絡中斷),基站必須以其自己的形式(例如時鐘保持)來進行航位推測。通常,每次當時鐘可用時,系統時鐘都會再校準到參考時鐘上。只有當參考時鐘信號不能到達且時鐘保持在其鎖定的最后頻率上時才會出現時鐘保持。對于CDMA網絡,當GPS/參考時鐘不可用時,時鐘必須能以24小時內飄移不超過7.5微秒的精度來保持住參考信號。
當今基站中(一直到能精確保持擁有上述精度參考時鐘在內的任務)所使用的兩種標準時鐘,其精度都遠高于石英晶體振蕩器及銣原子時鐘。石英振蕩器雖然價格低廉但要求使用額外的器件。例如,石英性能會隨溫度而改變,故必須對其進行溫控。而另一方面,銣原子時鐘卻能提供高于CDMA網絡要求一個數量級的可靠性。
曲線顯示在5分鐘窗口內即達到鎖定的7個精密銣單元,其絕對精度優于1ppb(十億分之一)。相反,即使擁有GPS參考,基于晶體整體聲學性質的石英振蕩器也可能需要花數小時才能達到無線所需的精度水平。
從掉電以及從參考源丟失后需多長時間才能恢復穩定中,即可看出上述兩種時鐘的主要差別。石英時鐘需要4至24小時才能穩定頻率。隨著石英溫度升高,其穩定性亦隨之提高。而銣原子時鐘則能在數分鐘內達到98%的可靠性。
GPS的替代方法
當不要求絕對時間碼時(例如UMTS),您可以自由運行一個本地時鐘來作為替換,且只要其長期穩定性優于50 ppb/10年,即可用作參考時鐘源。這種穩定性要求當沒有GPS等外部參考源時,會將石英技術推向極限,但銣原子時鐘卻能達到此種水平的精度。銣原子時鐘可高精度地運行10多年并超過UMTS要求。
無線頻譜是無線網絡中最有限的資源。盡管您可以在一個波段內擠進理論上最多的信道,但根據信號傳輸的精度、系統冷卻條件及噪聲等其他因素,它仍有一個實際極限。
今天,幾乎在全球每座符合CDMAone IS-95標準的CDMA基站中都裝有一臺GPS接收機。
GPS可為網絡同步提供最精確及通用的參考時鐘。由于基站能直接訪問時鐘信號,故時鐘分配也很可靠。以適當的系統時鐘,即使長時間不能訪問GPS信號以及從掉電中恢復后,也能精確保持參考時鐘。采用固定網絡基礎設施,GPS可充當不能吸收GPS接收機及各節點系統時鐘額外成本網絡的中心參考時鐘源。以這種對時間的精確訪問,網絡能最大限度地提高其運營效率及信道容量,進而真正做到“時間就是金錢”。
Phil Mann (pmann@) 是Symmetricom公司分管OEM業務的副總裁。
作者:Phil Mann
副總裁
Symmetricom公司
