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本文轉載自微信公眾號「無線深海」，作者蜉蝣采采。轉載本文請聯系無線深海公眾號。  

1、為什么無線通信網絡需要同步?

無線網絡是由一個一個的基站組成的。單個基站的覆蓋范圍和容量有限，因此基站間需要進行各種信令交互來實現小區選擇，重選，切換，負荷均衡，干擾協同等復雜的操作。

5G基站組網示意圖

各個基站要交互信息，除了信令能互相理解之外，還需要步調一致，準確知道對方目前的狀態，預知下一個時刻將要發生的動作，才能配合默契。

我們以5G為例，在TDD模式下，時間是用來區分上下行的，基站間需要嚴格步調一致。如果相鄰基站沒有采用相同的時間基準，一個正在進行下行發射，另一個卻在進行上行接收，發射基站的信號會進入接收基站，從而產生強烈干擾，系統完全無法運轉。

如下圖所示，一個5G的上下行傳輸周期包含若干個下行時隙，若干個上行時隙，中間的一個靈活時隙(也稱作特殊時隙或者S時隙)作為上下行的轉換點。都每個基站必須在時鐘同步下嚴守這樣的節律來傳輸數據。

5G幀結構

因此，“同步”是所有無線網絡正常工作的基礎。

2、什么是頻率同步和相位同步?

同步，從字面意思上看，是指兩個或兩個以上隨時間變化的量在變化過程中保持一定的相對關系。

到底是怎么樣的相對關系呢?一般根據關系的緊密程度分為“頻率同步”和“相位同步”這兩個級別。

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

假設兩個基站內部各有一個鐘表，在某一時刻，表A指示的時間是12:15，表B指示的時間為11:45，很顯然，他們的時間相差30分鐘，也就是相位不同;在下一時刻，表A指示的時間是12:25，表B指示的時間是11:55，它們雖相位不同，但時間差還是30分鐘。如果在其他時刻這兩個表的時間始終相差30分鐘的話，就可以認為它們走的快慢一致，是頻率同步的。

相位同步是指兩個基站的時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，它們每時每刻指示的時間都是一模一樣的，不但要走得快慢一樣，還不允許有任何時間差。因此，相位同步也叫做“時間同步”。

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。

頻率同步的精度使用頻率偏差或者頻率穩定度這個指標來衡量，其單位是ppm，全稱為part per million，意為百萬分之一，無量綱。它表示在一個特定中心頻率下，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：如果系統時鐘頻率為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。那么系統可接受的最大頻率是100.01MHz，最小是99.99 MHz。

ppm這個單位有些大，有時候，也會用到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，直接以時間為單位，一般使用微秒(us)來表示。畢竟相位和時間息息相關，相位同步也叫做時間同步。

3、不同的網絡制式，對于同步精度的需求有什么不同?

不同的無線制式，對于頻率同步和相位同步有著不同的要求，如下表所示。

不同無線接入技術(2/3/4G)的同步需求

總體來看，使用FDD雙工方式的技術，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，比如3G的TD- SCDMA，4G的LTE TDD等，則需要更為嚴格的相位同步，精度一般為±1.5us。

CDMA是個特例，它雖然采用FDD雙工方式，但其長短碼都是m序列，不同的m序列通過相位來區別，所以各基站需要嚴格的相位同步。

對于5G來說，雙工模式因頻段不同而不同，目前以TDD為主，FDD為輔，因此不同基站間也需要相位同步。其基本的業務的同步精度需求跟4G基本相同。

但5G的一些高級功能還可能需要站內各小區間，甚至站間的協同增強，從而使同一個用戶的數據可以通過不同的有源天線單元(AAU)收發，在交疊覆蓋區合并多個信號，從而有效提升業務帶寬。

這些高級功能對同步精度提出了更為嚴格的要求。其中，多入多出(MIMO)和發射分集技術的時間偏差要求為65ns，對于帶內連續載波聚合(CA)，低頻基站(Sub 6G)時間偏差要求為260ns，高頻基站(Above 6G)時間偏差要求為130ns。

來源：IMT-2020推進組，5G同步組網架構及關鍵技術白皮書

另外，5G網絡支撐的多種新業務也可能具備高精度同步需求，包括高精度定位業務、高速移動業務覆蓋、業務時延精確測量、各種垂直行業應用(如物聯網，車聯網，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同步偏差為±10ns;要滿足m級的定位精度，要求基站間的空口信號同步偏差為±3ns。

綜上，高精度相位同步，將成為5G網絡施展拳腳的關鍵基礎。