中国联通高精度时间同步及定位技术应用白皮书

中国联通高精度时间同步及定位技术应用白皮书 中国联通研究院2022年5月 版权声明 本报告版权属于中国联合网络通信有限公司研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其他方式使用本报告文字或者观点的，应注明“来源：中国联通研究院”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 目录 前言1 一、高精度时间同步技术3 （一）高精度时间同步需求3 （二）中国联通时间同步网络架构5 二、北斗地基光纤授时技术9 （一）研究背景及价值9 （二）结论与分析15 三、中国联通时间同步网SDN统一管控16 （一）同步网统一管控的背景和需求16 （二）中国联通高精度同步网SDN管控目标架构17 （三）同步网SDN统一管控平台整体架构设计19 （四）同步网SDN统一管控平台功能研发和应用20 四、高精度1588时频同步芯片研发及应用24 （一）背景24 （二）基于联通创新机制的1588v2时频同步芯片研究25 （三）芯片应用情况29 五、基于5G+北斗的高精度定位网络29 （一）中国联通CORS高精度定位网络建设进程29 （二）CORS系统架构30 （三）CORS平台架构设计32 （四）CORS高精度定位及5G网络结合方案35 （五）CORS网络高精度定位应用36 六、高精度时间同步、定位技术及应用探讨38 （一）5G+TSN技术及应用38 （二）量子时间同步技术及应用47 （三）车联网同步技术及应用50 七、智慧港口，智慧城市等垂直行业应用55 前言 同步网是电信网的重要基础支撑网之一，为电信网内所有电信设备提供同步控制信号，使它们的频率工作在共同速率（或频率）上，时钟同步的本质是维持时钟振荡频率的准确和稳定，因此时钟同步也可以称为频率同步，传统的数字同步网也可称为频率同步网，电信设备通常采用“天面为主，地面为备”获取同步信号。同步网本身则采用地面链路将频率信号按时钟层级逐级联网传递到全国范围，形成以PRC/LPR为基准钟的、频率准确度达1X10-11的同步网络，向所有需要频率同步的通信设备提供准确的频率信号。随着传输技术和承载技术的不断发展，频率传递方式已经由传统的PDH、SDH、WDM向IPRAN和OTN/WDM混合承载进行演进。 电信网络和业务的IP化推动频率传递IP化的同时，随着各种应用需求的提出，也带来了时间同步的应用与承载需求，频率同步和时间同步二者紧密相关，需要同时考虑网络对传递时（间）频（率）同步的要求，中国联通早在2014年就提出了1588v2同步状态传递机制的自主创新理念并于2015年获得专利授权，2018年分别被写入CCSA和ITU-TG.8275.1中，成为正式的行业和国际标准。同时，随着5G网络规模建设以及业务应用范围的扩展，均对时间同步提出了更高的指标要求，中国联通提出了高精度时间服务器下沉的整体技术解决方案，避免了由于传递高精度时间同步而提高对IPRAN 设备自身的时钟要求，降低了网络建设的成本；并通过同步网SDN统一管控平台的自研开发，有效整合来自不同设备、不同管理系统的同步信息，提升了整个同步网络的管控能力和价值。 近年来，随着北斗三代卫星全球组网的建成，中国联通积极响应和支持国家北斗战略的实施落地。在采用接收北斗信号建设运营5G在内各种电信基础网的同时，积极开展北斗地基授时系统在城域、接入等区域场景下的验证测试及部署应用，推动北斗地基授时网络与运营商高精度时间网络的深度融合，协同支撑5G网络和多业务应用，通过技术发展和业务应用双轮驱动“5G+北斗”的应用拓展。 随着“5G+北斗”应用的不断推进，工业互联网、车联网等对网络高精度时间和定位同步的要求会进一步明确，对高精度时频同步技术的应用研究还会不断加强和深入，我们将在已有研究成果的基础上，与业内合作伙伴一起共同努力，共同推动国家新型数字信息基础设施的建设，助力5G业务应用不断扩展、质量逐步提升。 编写组成员（排名不分先后）： 唐雄燕，王光全，张贺，刘欣，赵良，魏步征，屈文秀，谭艳霞，董姗。 一、高精度时间同步技术 （一）高精度时间同步需求 数字同步网和信令网、电信管理网是通信网的三大基础支撑网，中国联通早期的数字同步网主要提供满足TDM网络和2G/3G/LTE-FDD基站业务功能需求的标准频率同步信号为主。频率同步的本质是维持各数字设备时钟振荡频率的准确度和稳定性。 随着5G网络的飞速发展，5G网络的三大应用场景“eMBB增强移动宽带、mMTC海量机器类通信、uRLLC超高可靠低时延”提出了更为严格的时间同步要求。由于频率层同步故障或降质将会影响时间层的同步性能，因此频率同步是时间同步的基础和有效后援，充分采用时间同步路径判决与频率层同步质量紧密结合的方式可以始终保证网内最优的时间同步传递精度。 5G高精度时间同步需求主要体现在基本业务、协同业务和垂直行业应用业务需求三个方面。 基本业务时间同步需求是所有TDD制式无线系统的共性要求，主要是为了避免上下行时隙间干扰。5G基站在承载基本业务时，其空口间对于时间同步精度的指标要求为 ±1.5uso 5G系统将广泛使用的多点协同（CoMP）、带内载波聚合 （CA）等协同技术，对时间同步精度的指标要求为 ±130nso 随着5G网络的规模建设，无人驾驶、无人物流、智能机器人等基于5G的垂直行业应用层出不穷，这些应用也对5G网络的超高精度时间同步提出了更高的指标要求。例如北斗+5G的室内外一体的时空融合位置服务符合国家战略的未来产业发展方向，而时间同步是定位服务的基础，高精度厘米级定位业务的时间同步精度的指标要求甚至为 ±10nso 传统的基站时间同步方案主要为直挂卫星天馈线，接收GNSS （GPS/北斗）卫星信号，但由于天馈线部署难度较大，经常会有产权纠纷或者施工困难等诸多问题，并且成本也居高不下。近些年三大运营商已经逐步开始采用IEEE1588V2技术，通过地面承载链路传递至基站，目前可以实现基站基本业务所需的时间同步需求，实现高可靠性、天地互备的基站时间同步授时方式。 为了应对更高精度的时间同步业务需求，中国联通除采用低成本下沉式小型化时间服务器部署策略以外，还顺应国家军民融合及天地互备授时网络建设的战略需求，积极参与国家“十三五”项目的北斗地基高精度授时系统建设。 5G超高精度时间同步网建成后，不仅可以为5G网络商用部署提供强大的基础支撑，同时可以为高精度授时、导航和定位需求的行 业级应用和消费级应用提供强有力保障，除大大提升用户感知外，还能增加运营商5G用户的粘性。超高精度时间同步和定位服务必将成为一种可以为运营商带来广阔市场机会的价值服务。 （二）中国联通时间同步网络架构 中国联通同步网网络架构如图1所示: 图1中国联通基于GNSS+1588V2技术的时间同步网络架构 中国联通数字同步网分为频率同步网和时间同步网。其中频率同步网是全国性网络，时间同步网是以地市为单位的本地层面网络。 中国联通频率同步网属于全国性的频率同步网，分为省际、省内和本地三层。全国在北京、上海、广州、西安和武汉设置有5个基准参考时钟PRC节点，每个节点配置一主一备两套铯原子钟。 除5个PRC节点外，省际层面在全国31个省(和直辖市)按每省一主一备分别设置两套区域基准时钟LPR。 中国联通频率同步网建设之初，主要采用SDH/MSTP系统物理层码流的频率传递方式。随着IPRAN和智能城域网的建设，目前本地网层面已逐步采用同步以太(SyncE)的频率传递方式。2021年启动了骨干网频率传递改造工程，改造完成后，将实现全网同步以太(SyncE)的频率传递方式。 中国联通有两类时间同步网：NTP时间同步网和PTP时间同步网。通过分别运行NTP网络时间协议和PTP精确时间协议构建中国联通的时间同步网。 NTP时间同步报文经IP承载网络传递，IP承载网络并不参与NTP报文的处理，NTP时间同步可达到毫秒量级。这样时间精度可满足网管、计费、故障定位处理等方面的需要，但不能满足LTE以及5G基站对高精度时间同步的指标要求。 中国联通NTP时间同步网网络目标架构如图2所示： 图2中国联通NTP时间同步网网络目标架构模型图 中国联通已经完成了31个省每省一主一备2套一级NTP时间服务器的NTP时间同步网建设。 中国联通NTP时间同步网主要为需要ms量级时间同步需求的网管、计费、通信云、IT云以及移动核心网等服务。PTP时间同步报文经本地分组承载网络传递，与NTP方式不同的是，分组承载网络每个网元都参与PTP报文处理和传递。PTP的时间准确度可达ns量级。PTP时间同步网主要是通过移动回传网为需要高精度时间同步的 4/5G基站服务(空口指标3us)。 精确时间协议(PTP)又称IEEE1588，目前的最新版本为1588v2。中国联通PTP高精度时间同步网网络架构如图3所示。PTP时间同步网目前暂局限于本地网层面使用，通过本地移动回传网络为4/5G基站提供时间同步。采用每个本地网内分别配置一主一备2套PTP高精度时间同步服务器(PRTC+GM)的部署方式。下沉小型化时间同步服务器通过地面链路溯源至上层的本地主备用时间服务器，当其失去BDS/GPS卫星信号后，能过获得来自上层的PRC级别的频率进行守时。 图3中国联通PTP高精度时间同步网网络目标架构示意图 为保证精确时间传递，整个移动回传网络(包括时间服务器、传送与承载网元、LTE/5G基站)需要频率同步作为时间信号精确传递的基础支撑，整个网络由此形成两个逻辑层面：频率层和时间层。目前获得业界认可的同步传递技术是SyncE+PTP，即，频率层同步采用同步以太技术，时间层同步采用PTP分组报文。 中国联通同步网络采用“天面主用、地面链路备用”的原则。天面采用北斗/GPS双模接收，地面链路分别通过频率同步网、时间同步网传递频率和时间信号。 对于5G带内连续载波聚合的±130ns及其他业务的更高同步要求，中国联通采用小型时间源下沉方案，通过减少时间源与基站之间跳数实现超高精度时间同步。 二、北斗地基光纤授时技术 （一）研究背景及价值 随着5G网络应用的到来，很多应用场景和业务提出了对高精度时间同步的需求，同时也为高精度时间同步网带来了新的应用机遇。现代社会的授时方式主要有短波授时、长波授时、低频码授时、电话授时、电视授时、网络授时和卫星授时。相比于卫星授时这种天基授时方法，以上列举其他几类可以统称为地基授时。运营商作为国家网络实际建设和运营单位，除了采用传统的授时手段和主要依赖GNSS授时的方法外，还需要关注利用运营商现有网络实现授时的方法，即 通过地面光纤链路直接传递时频信号并保持全网时间同步的方法。从国家层面来讲，“高精度地基授时系统”是“十三五”时期国 家部署的十项重大科技基础设施建设项目之一，旨在提高我国授时系统的安全性、可靠性和授时精度，对基础产业、科学研究具有重要意义。从运营商角度出发，除提升5G网络自身的时间同步精度外，还可以实现高可靠性、天地互备的基站时间同步授时方式。由于北斗地基高精度授时系统由国家战略层面负责统筹建设，运营商网络可以作为全国北斗地基授时网络的补充，将骨干地基授时网络延伸至本地网，实现真正的全覆盖。同时，在本地网接入段，中国联通正在积极研究光纤授时与波分系统混传技术，研发相应的融合设备，以实现光纤授时技术与运营商本地网络深度融合，实现全国的北斗地基授时信号端到端高精度传送。 当前，网络授时与时间同步的主要策略为从天面卫星系统（北斗、GPS等）或地面的一级时间节点获取基准时间，然后通过地面具备1588V2功能的传输承载网络进行逐跳传递，做到末级节点和用户与时间源的时间一致性同步。传递误差在不同的网络制式中有着不同的要求。在运营商网络中引入精度远高于1588V2时间服务器设备（输出精度±100ns）的基于北斗地基授时系统（输出精度在百ps量级）作为基准参考，可以大大提高网络授时精度，减小各设备和终端的时间误差。 北斗地基高精度授时系统利用通信光纤作为传输媒介传递