为什么无线通信网络需要同步

1. 无线通信网络为什么需要同步?

无线网络由基站组成。 单个基站的覆盖范围和容量有限,基站之间需要各种信令交互来实现小区选择、重选、切换、负载均衡、干扰协调等复杂操作。

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5G基站组网图

各个基站为了交换信息,除了能够理解对方的信令之外,还需要彼此保持同步,准确地知道对方当前的状态,并预测下一个会发生的动作。时刻,让他们能够默契配合。

我们以5G为例。 TDD模式下,通过时间来区分上下行,基站之间需要严格同步。 如果相邻基站不使用相同的时基,一个在下行发送,另一个在上行接收,则发送基站的信号会进入接收基站,造成强烈干扰,系统将完全无法正常工作。操作。

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如下图所示,一个5G上下行传输周期包括若干个下行时隙、若干个上行时隙以及中间的一个灵活时隙(也称为特殊时隙或S时隙)作为上下行转换点。 各个基站必须在时钟同步下严格遵守这个节奏来传输数据。

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5G帧结构

因此,“同步”是所有无线网络正常运行的基础。

2. 什么是频率同步和相位同步?

同步,从字面意义上讲,是指两个或多个随时间变化的量在变化过程中保持一定的相对关系。

什么是相对关系? 一般根据关系的紧密程度分为“频率同步”和“相位同步”两个级别。

频率同步是指两个基站的时钟以相同的频率变化,但相位不一定一致,可以保持相对固定的差异。

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假设两个基站内各有一个时钟。 在某一时刻,表A指示的时间为12:15,表B指示的时间为11:45。 显然,他们的时间相差30分钟,即阶段不同; 下一时刻,表A指示的时间为12:25,表B指示的时间为11:55。 虽然处于不同阶段,但时间差仍然有30分钟。 如果两只手表的时间在其他时间始终相差30分钟,则可以认为它们以相同的速度运行,并且频率同步。

相位同步是指两个基站的时钟相位始终一致。

以表A和表B为例。 在相位同步下,它们每时每刻都指示完全相同的时间。 它们不仅必须以相同的速度移动,而且不允许有任何时间差。 因此,相位同步也称为“时间同步”。

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可见,相位同步的要求远高于频率同步,而频率同步是相位同步的基础。

频率同步的精度通过频率偏差或频率稳定度来衡量。 它的单位是ppm,称为part per Million,意思是百万分之一,无量纲。 它表示特定中心频率下的允许偏差值。 该值越小,同步精度越高。

ppm与赫兹的换算关系如下:

△f = (f*ppm)/10^6

这里ppm是最大变化值(+/-),f是中心频率(Hz),△f是最大允许频率变化范围。

例如:如果系统时钟频率为100MHz,则允许的频率误差为100ppm。 使用上述公式,频率变化为10kHz。 那么系统可接受的最大频率为100.01MHz,最小为99.99MHz。

单位ppm有点大,有时也用ppb。 ppb的全称是ppb,意思是十亿分之一。 1 ppb 是 1 ppm 的千分之一,即:1 ppm = 1000ppb。

表征相位同步的方式比较直接,直接以时间为单位,一般用微秒(us)表示。 毕竟,相位和时间密切相关,相位同步也称为时间同步。

3. 不同网络标准对同步精度的要求有何不同?

不同的无线标准对频率同步和相位同步的要求不同,如下表所示。

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不同无线接入技术(2/3/4G)的同步要求

一般来说,采用FDD双工方式的技术,如2G中的GSM、3G中的WCDMA、4G中的LTE FDD,只需要0.05ppm(或50ppb)精度的频率同步; 而采用TDD双工模式的技术,如3G TD-SCDMA、4G LTE TDD等,对相位同步要求更加严格,精度一般为±1.5us。

CDMA 是一个特例。 虽然采用FDD双工模式,但其长短码均为m序列。 不同的m序列是通过相位来区分的,因此各个基站需要严格的相位同步。

对于5G,双工模式根据频段的不同而不同。 目前,TDD为主,FDD为辅。 因此,不同基站之间也需要相位同步。 其基础业务的同步精度要求与4G基本相同。

然而,5G的一些高级功能可能还需要增强站内小区之间甚至站之间的协作,以便可以通过不同的有源天线单元(AAU)发送和接收同一用户的数据,并且可以将多个信号组合在一个基站中。覆盖区域重叠。 ,从而有效提升业务带宽。

这些先进的功能对同步精度提出了更严格的要求。 其中,多输入多输出(MIMO)和发射分集技术的时间偏差要求为65ns。 对于带内连续载波聚合​​(CA),低频基站(Sub 6G)的时间偏差要求为260ns,高频基站(Above 6G)的时间偏差为260ns。 偏差要求为130ns。

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资料来源:IMT-2020推进组《5G同步网络架构及关键技术白皮书》

此外,5G网络支持的多种新业务也可能有高精度同步需求,包括高精度定位业务、高速移动业务覆盖、业务时延精确测量以及各种垂直行业应用(如物联网、车联网、智能制造)。 )等待。 例如,要满足3m的定位精度,要求基站间的空口信号同步偏差为±10ns; 为满足m级定位精度,要求基站间空口信号同步偏差为±3ns。

综上所述,高精度相位同步将成为5G网络发挥的关键基础。

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