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1、為什么無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)需要同步?

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)一個(gè)的基站組成的。單個(gè)基站的覆蓋范圍和容量有限，因此基站間需要進(jìn)行各種信令交互來(lái)實(shí)現(xiàn)小區(qū)選擇，重選，切換，負(fù)荷均衡，干擾協(xié)同等復(fù)雜的操作。

5G基站組網(wǎng)示意圖

各個(gè)基站要交互信息，除了信令能互相理解之外，還需要步調(diào)一致，準(zhǔn)確知道對(duì)方目前的狀態(tài)，預(yù)知下一個(gè)時(shí)刻將要發(fā)生的動(dòng)作，才能配合默契。

我們以5G為例，在TDD模式下，時(shí)間是用來(lái)區(qū)分上下行的，基站間需要嚴(yán)格步調(diào)一致。如果相鄰基站沒(méi)有采用相同的時(shí)間基準(zhǔn)，一個(gè)正在進(jìn)行下行發(fā)射，另一個(gè)卻在進(jìn)行上行接收，發(fā)射基站的信號(hào)會(huì)進(jìn)入接收基站，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，系統(tǒng)完全無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。

如下圖所示，一個(gè)5G的上下行傳輸周期包含若干個(gè)下行時(shí)隙，若干個(gè)上行時(shí)隙，中間的一個(gè)靈活時(shí)隙(也稱作特殊時(shí)隙或者S時(shí)隙)作為上下行的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。都每個(gè)基站必須在時(shí)鐘同步下嚴(yán)守這樣的節(jié)律來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

5G幀結(jié)構(gòu)

因此，“同步”是所有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)正常工作的基礎(chǔ)。

2、什么是頻率同步和相位同步?

同步，從字面意思上看，是指兩個(gè)或兩個(gè)以上隨時(shí)間變化的量在變化過(guò)程中保持一定的相對(duì)關(guān)系。

到底是怎么樣的相對(duì)關(guān)系呢?一般根據(jù)關(guān)系的緊密程度分為“頻率同步”和“相位同步”這兩個(gè)級(jí)別。

頻率同步是指兩個(gè)基站的時(shí)鐘的變化頻率一致，而相位則不一定一致，可以保持相對(duì)固定的差值。

假設(shè)兩個(gè)基站內(nèi)部各有一個(gè)鐘表，在某一時(shí)刻，表A指示的時(shí)間是12:15，表B指示的時(shí)間為11:45，很顯然，他們的時(shí)間相差30分鐘，也就是相位不同;在下一時(shí)刻，表A指示的時(shí)間是12:25，表B指示的時(shí)間是11:55，它們雖相位不同，但時(shí)間差還是30分鐘。如果在其他時(shí)刻這兩個(gè)表的時(shí)間始終相差30分鐘的話，就可以認(rèn)為它們走的快慢一致，是頻率同步的。

相位同步是指兩個(gè)基站的時(shí)鐘的相位始終保持一致。

還以表A和表B為例，在相位同步下，它們每時(shí)每刻指示的時(shí)間都是一模一樣的，不但要走得快慢一樣，還不允許有任何時(shí)間差。因此，相位同步也叫做“時(shí)間同步”。

由此可見，相位同步的要求比頻率同步要高得多，頻率同步是相位同步的基礎(chǔ)。

頻率同步的精度使用頻率偏差或者頻率穩(wěn)定度這個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量，其單位是ppm，全稱為part per million，意為百萬(wàn)分之一，無(wú)量綱。它表示在一個(gè)特定中心頻率下，允許偏差的值，該值越小則同步精度越高。

ppm和赫茲之間的換算關(guān)系如下公式：

△f = (f*ppm)/10^6

這里 ppm 是最大變化值(+/-)，f是中心頻率(赫茲)，△f是允許最大的頻率變化范圍。

例如：如果系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為100MHz的話，允許的頻率誤差為100 ppm，利用上面公式得出頻率的變化是10kHz。那么系統(tǒng)可接受的最大頻率是100.01MHz，最小是99.99 MHz。

ppm這個(gè)單位有些大，有時(shí)候，也會(huì)用到ppb。ppb的全稱是parts per billion，意為十億分之一。1 ppb為1 ppm的千分之一，即：1 ppm = 1000ppb。

而表征相位同步的方式就要直接地多，直接以時(shí)間為單位，一般使用微秒(us)來(lái)表示。畢竟相位和時(shí)間息息相關(guān)，相位同步也叫做時(shí)間同步。

3、不同的網(wǎng)絡(luò)制式，對(duì)于同步精度的需求有什么不同?

不同的無(wú)線制式，對(duì)于頻率同步和相位同步有著不同的要求，如下表所示。

不同無(wú)線接入技術(shù)(2/3/4G)的同步需求

總體來(lái)看，使用FDD雙工方式的技術(shù)，比如2G中的GSM，3G的WCDMA，以及4G的LTE FDD都只需要頻率同步，精度為0.05ppm(或者50ppb);而使用TDD雙工方式的技術(shù)，比如3G的TD- SCDMA，4G的LTE TDD等，則需要更為嚴(yán)格的相位同步，精度一般為±1.5us。

CDMA是個(gè)特例，它雖然采用FDD雙工方式，但其長(zhǎng)短碼都是m序列，不同的m序列通過(guò)相位來(lái)區(qū)別，所以各基站需要嚴(yán)格的相位同步。

對(duì)于5G來(lái)說(shuō)，雙工模式因頻段不同而不同，目前以TDD為主，F(xiàn)DD為輔，因此不同基站間也需要相位同步。其基本的業(yè)務(wù)的同步精度需求跟4G基本相同。

但5G的一些高級(jí)功能還可能需要站內(nèi)各小區(qū)間，甚至站間的協(xié)同增強(qiáng)，從而使同一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)可以通過(guò)不同的有源天線單元(AAU)收發(fā)，在交疊覆蓋區(qū)合并多個(gè)信號(hào)，從而有效提升業(yè)務(wù)帶寬。

這些高級(jí)功能對(duì)同步精度提出了更為嚴(yán)格的要求。其中，多入多出(MIMO)和發(fā)射分集技術(shù)的時(shí)間偏差要求為65ns，對(duì)于帶內(nèi)連續(xù)載波聚合(CA)，低頻基站(Sub 6G)時(shí)間偏差要求為260ns，高頻基站(Above 6G)時(shí)間偏差要求為130ns。

來(lái)源：IMT-2020推進(jìn)組，5G同步組網(wǎng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)白皮書

另外，5G網(wǎng)絡(luò)支撐的多種新業(yè)務(wù)也可能具備高精度同步需求，包括高精度定位業(yè)務(wù)、高速移動(dòng)業(yè)務(wù)覆蓋、業(yè)務(wù)時(shí)延精確測(cè)量、各種垂直行業(yè)應(yīng)用(如物聯(lián)網(wǎng)，車聯(lián)網(wǎng)，智能制造)等。例如，要滿足3m的定位精度，要求基站間的空口信號(hào)同步偏差為±10ns;要滿足m級(jí)的定位精度，要求基站間的空口信號(hào)同步偏差為±3ns。

綜上，高精度相位同步，將成為5G網(wǎng)絡(luò)施展拳腳的關(guān)鍵基礎(chǔ)。