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像UMTS及CDMA2000等3G無線技術(shù),都要求有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)邊界時才在無線網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行同步。隨著眾多無線業(yè)務(wù)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(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向3G時。因此出現(xiàn)了以整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(tǒng)(GPS)即是這種時鐘分配的基礎(chǔ)。
無線網(wǎng)絡(luò)一般由數(shù)個關(guān)鍵子系統(tǒng)組成。理論上講,同步取自公共交換電話網(wǎng)(PSTN)并利用T1/E1線路在網(wǎng)絡(luò)其他部分中分發(fā)。所有節(jié)點都能被鎖住,且轉(zhuǎn)接時所增加的任何抖動及飄移都能在各轉(zhuǎn)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(xiàn)實,如:不能保證PSTN的質(zhì)量；轉(zhuǎn)接時會引入過多的時鐘噪聲；網(wǎng)絡(luò)流量打包會增加過多的飄移；子系統(tǒng)間的連接可能需要由多家供應(yīng)商來管理等。
實際上,無線網(wǎng)絡(luò)一般采用由保持時鐘所支持的參考時鐘工作,所有其他網(wǎng)絡(luò)時鐘都必須源自該參考時鐘。其中的挑戰(zhàn)是如何在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)分配可靠參考時鐘,而GPS則能為包括無線在內(nèi)的各種應(yīng)用提供獨立的時鐘參考。
現(xiàn)在幾點了？
知道確切的時間可能會很棘手。在整個系統(tǒng)內(nèi)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(dāng)您設(shè)置完子系統(tǒng)時鐘后,它又會開始飄移,因此您需要定期將它再校準(zhǔn)到參考時鐘上。即使兩個子系統(tǒng)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(yán),規(guī)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(wǎng)絡(luò)則要求相對較松,規(guī)定時鐘飄移不能超過5/108或每24小時4.3毫秒。要達(dá)到這種水平的可靠同步,子系統(tǒng)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(tǒng)上,參考時鐘一直是通過網(wǎng)絡(luò)自身分發(fā)。但隨著網(wǎng)絡(luò)日趨復(fù)雜以及難以計算節(jié)點間定時數(shù)據(jù)包的執(zhí)行時間,故網(wǎng)絡(luò)定時已變得不那么可靠。例如,Sonet及SDH指針調(diào)整會增加模糊性,從而增加通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩〞r數(shù)據(jù)包的錯誤率。
定時數(shù)據(jù)包自己感覺不到出錯,故當(dāng)Sonet載荷從光學(xué)域被帶回數(shù)字域時即開始出現(xiàn)問題。此時,數(shù)據(jù)包可能會根據(jù)對任何指針進(jìn)行的調(diào)整而被調(diào)整一個字節(jié)左右。這種調(diào)整會在計算數(shù)據(jù)包執(zhí)行時間時引起相位誤差,但可用長度調(diào)整來予以消除。即使對于UMTS標(biāo)準(zhǔn),這種誤差也足以導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)那袚Q或掉線。網(wǎng)絡(luò)定時可能在大多數(shù)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(wǎng)絡(luò)中都能一直滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畹鸵蟆?
GPS是分配參考時鐘的一種杰出候選方案,因為每一子系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)在由不同廠商提供的設(shè)備之間、或由不同運營商管理的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(yīng)用,提供GPS接收機就不太可行。例如,一座大廈或園區(qū)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(nèi)CAT5線或其他網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(zhí)行時間進(jìn)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(wǎng)絡(luò),但GPS并非100(的可靠。子系統(tǒng)也許會找不到足夠的衛(wèi)星或適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件,從而使信號難以鎖定。
用GPS進(jìn)行導(dǎo)航的美國海軍,要求其導(dǎo)航人員在GPS不可用時進(jìn)行航位推測。當(dāng)GPS不可用時(一小片云的遮擋也會使蜂窩網(wǎng)絡(luò)中斷),基站必須以其自己的形式(例如時鐘保持)來進(jìn)行航位推測。通常,每次當(dāng)時鐘可用時,系統(tǒng)時鐘都會再校準(zhǔn)到參考時鐘上。只有當(dāng)參考時鐘信號不能到達(dá)且時鐘保持在其鎖定的最后頻率上時才會出現(xiàn)時鐘保持。對于CDMA網(wǎng)絡(luò),當(dāng)GPS/參考時鐘不可用時,時鐘必須能以24小時內(nèi)飄移不超過7.5微秒的精度來保持住參考信號。
當(dāng)今基站中(一直到能精確保持擁有上述精度參考時鐘在內(nèi)的任務(wù))所使用的兩種標(biāo)準(zhǔn)時鐘,其精度都遠(yuǎn)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(jìn)行溫控。而另一方面,銣原子時鐘卻能提供高于CDMA網(wǎng)絡(luò)要求一個數(shù)量級的可靠性。
曲線顯示在5分鐘窗口內(nèi)即達(dá)到鎖定的7個精密銣單元,其絕對精度優(yōu)于1ppb(十億分之一)。相反,即使擁有GPS參考,基于晶體整體聲學(xué)性質(zhì)的石英振蕩器也可能需要花數(shù)小時才能達(dá)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(fù)穩(wěn)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(wěn)定頻率。隨著石英溫度升高,其穩(wěn)定性亦隨之提高。而銣原子時鐘則能在數(shù)分鐘內(nèi)達(dá)到98%的可靠性。
GPS的替代方法
當(dāng)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(wěn)定性優(yōu)于50 ppb/10年,即可用作參考時鐘源。這種穩(wěn)定性要求當(dāng)沒有GPS等外部參考源時,會將石英技術(shù)推向極限,但銣原子時鐘卻能達(dá)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(wǎng)絡(luò)中最有限的資源。盡管您可以在一個波段內(nèi)擠進(jìn)理論上最多的信道,但根據(jù)信號傳輸?shù)木取⑾到y(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的CDMA基站中都裝有一臺GPS接收機。
GPS可為網(wǎng)絡(luò)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(dāng)?shù)南到y(tǒng)時鐘,即使長時間不能訪問GPS信號以及從掉電中恢復(fù)后,也能精確保持參考時鐘。采用固定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,GPS可充當(dāng)不能吸收GPS接收機及各節(jié)點系統(tǒng)時鐘額外成本網(wǎng)絡(luò)的中心參考時鐘源。以這種對時間的精確訪問,網(wǎng)絡(luò)能最大限度地提高其運營效率及信道容量,進(jìn)而真正做到“時間就是金錢”。
Phil Mann (pmann@) 是Symmetricom公司分管OEM業(yè)務(wù)的副總裁。
作者:Phil Mann
副總裁
Symmetricom公司
