非常好的LTE-同步技术及TDD-HeNB的同步

关于同步技术以及TDD-HeNB同步Idea的介绍闫剑龙Part1：同步技术介绍Part2：问题背景以及Solution的RoadmapPart3：TDD-HeNB的同步Idea具体介绍Part1：同步技术介绍同步的概念介绍（1）从同步域的维度分有：频率同步和时间同步；从同步对象的维度分有：收发之间的同步（UE---BS），基站与基站之间的网同步（BS---BS）：1、频率同步：包括载波同步和时钟同步，前者一般指射频空口；后者一般是指地面电路。在实现上二者一般都是同源的，也就是说都是基于同一个基准时钟或参考时钟，如BITS或GPS时钟等。2、时间同步：时间有2层含义：时刻和时刻间隔。时间与频率本质上同源，所以频率同步＋相位同步＝时间同步；但能不能说时间同步一定推出频率同步呢？这取决于授时精度，只有授时精度满足一定要求的情况下，时间信息才可以用来校正频率以实现频率同步。这也是后面我们要讨论的问题之一。在移动通信系统中，符号定时、子帧/帧定时、上下行切换定时都属于时域同步的概念。另外需要提一下的是：时间同步技术的关键之一是传播时延（propagationtime）的计算或获取，只有去除或抵消了时延的影响，才能准确知道time的offset，进而才能实现同步。也就是时间同步的效果取决于时延算法的优劣。同步的概念介绍（2）3、收发同步：很好理解，即存在收发关系的二者之间同步，如UE与BS之间的下行定时和上行定时；UE与BS之间的工作载波同步；这类同步一般在相应的RAT技术规范里会有非常明确的描述，属于对应RAT协议的重要组成部分。4、基站间同步：也叫网络同步；一般说来对于一个无线通信网，载波同步在任何制式下都是必须支持的；目前还没有听说无需载波同步的RAT。时间同步对于TDD系统来说是必须的，因为基站之间的收发要对齐；FDD可以不同步（当然能同步更好），但CDMA2000例外，因为它在协议上有特殊要求。对于基站间的同步，一般来说协议上不会明确定义接口级的具体实现，而是只给出指标上的明确要求，如载波准确度一般要求为几十个ppb，时间对齐的误差为几个us等。同步概念小节同步按同步对象分收发之间的同步，即发生在基站与终端之间的，有：下/上行定时同步、频率同步等面向网络的inter-BS同步，即发生在同RAT的基站之间的，有：载波/时钟同步和时间同步，前者要求所有的网络，后者主要是针对TDD网络按同步域维度分时间同步：符号同步、帧同步、上下行切换点同步等时钟/频率同步：地面时钟同步、射频工作载波同步无线RAT制式空口频率精度要求时间同步要求GSM50ppbNAWCDMA50ppbNATD-SCDMA50ppb3usCDMA200050ppb3usWiMaxFDD50ppbNAWiMaxTDD50ppb1usLTEFDD50ppbR8不要求LTETDD50ppb3usLTETDDHeNB250ppb3usBackhaul当空口50ppb时,为16ppbNA基站间的网络同步指标一览现存的同步解决方案UE与BS之间的频域/时域同步在每种RAT协议里都有详细描述，基本不存在标准化的专利空间。因此下面主要介绍基站间的同步解决方案：1）GSM/WCDMA的非IPRAN：只需载波同步，一般采用传统的基于TDM的PDH/SDH/SONET传送网来传递时钟保证基站间的载波同步，相应的规范为G.823。TDM传送网本身需要时钟，这个时钟同时也用在了无线的载波和时钟同步上，因此起到了一石二鸟的作用。2）CDMA2000/TD-SCDMA/TDD-LTE，需要载波同步＋时间同步，一般采用GPS方式来同时保证两种同步需求，因为GPS的授时精度一般在十几个纳秒左右，所以可以使用时间来校正频率。考虑GPS存在战略安全问题，所以目前也有很多非GPS的替代解决方案。3）FDD-LTE(R8)/WCDMA的IRRAN，也是只需要载波同步，但由于backhaul不再是基于TDM而是基于分组的PTN，所以如何基于分组实现精确时钟的传递是目前PTN时钟同步技术所解决的问题，解决方案有多种，但在成熟度上与传统TDM传送网相比还存在差距。一般常见技术有同步以太、TOP、1588V2等，相应的规范见G.8261。同步解决方案小节1、传统的传送网一般是基于TDM的，可以保证时钟/载波同步，但不能实现时间同步，因此一般用在GSM以及非IP化的UTRAN；2、既需要载波同步又要时间同步的RAT网络，无论是传送网是基于TDM的还是PTN的，目前的主流解决方案仍是GPS方式；但基于GPS的一些局限性和战略性考虑，目前提出了很多替代方案，这些方案主要有两个方向：一是用自主的全球定位系统，如北斗；二是使用基于分组的精确时间同步协议，如1588V2；但目前看，方案的实施效果还不是很令人放心。3、对只要求载波同步的基于PTNbackhaul的RAT网络，解决方案有同步以太、TOP和1588V2。其中同步以太、TOP只能满足载波/时钟同步的需求，不能同步时间。注：基于PTN的时钟传递技术，目前看普遍存在的问题是部署的要求高，增加了组网的成本和复杂度，在实施效果上也不是很稳定，还难以超越传统的传送技术。主要的同步传送技术一览基于TDM的E1/T1/PDH/SDH/SONET只传时钟不传时间，因此只能用来频率同步基于PTN的同步以太只能实现频率同步TOP只能实现频率同步1588V2在授时精度足够的情况下，可同时实现时间和频率的同步基于全球定位系统的GPS/北斗等因为授时精度高，可同时实现时间和频率的同步时间同步与频率同步的关系频率产生时间，时间反过来又可以用来校正频率：即接受者可以根据发送者的时间信息来校正自己的频率与发送者一致；22'11'21tTtTfftt发送者接受者t1时刻发送者接受者t2时刻T1时间T1’T2时间T2’发送者频率为F接受者频率为f，Δf＝f－F根据时间校正频率的计算公式为：T1’、T2’是接受者通过时间同步技术得到的同步时间，这个时间与发送者侧的时间T1、T2存在一定的误差，这个误差体现了该时间同步技术授时精度的高低。一般说GPS的授时精度可以达到十几个纳秒的水平，1588V2在理想情况下也可以达到亚微妙甚至更高的授时精度。公式(1)授时精度与频率准确度的关系由公式（1）我们可以看出：1、授时精度的高低会影响频率校正的精度水平，授时精度越高，频率的校正能力越强；2、相同的频率误差情况下，时间同步的允许误差越大，则对授时精度的要求也就越低。同理，在时间同步允许误差相同的情况下，频率误差越大，则要求授时精度越高。例如：系统1要求frequencyaccuracy为50ppb，时间同步最大允许误差为3us，则同步周期最大为(3000/2)/50＝30秒；系统2frequencyaccuracy也为50ppb，但时间同步误差为1us，则同步周期最大为(1000/2)/50＝10秒；在这种情况下，我们说系统1对授时精度的要求要低于系统2，即系统1可以容忍更低的授时精度。如果系统1要求frequencyaccuracy为50ppb，时间同步误差要求不超过3us，则同步周期最大为(3000/2)/50＝30秒；系统2frequencyaccuracy为250ppb，时间同步误差同样为3us，则同步周期最大为(3000/2)/250＝6秒；在这种情况下，我们说系统2对授时精度的要求要高于系统1；空口频率准确度与backhaul频率准确度的关系我们知道对于TDD-HeNB，250ppb是对空口frequencyaccuracy要求；backhaul指的是上一级同步节点与HeNB之间的link，这个link可以是固网的cable回程，也可以是无线的类似Relay与Donor之间的“Un”link回程。同步源backhaulAirinterface从测量学的角度看，我们认为空口的frequencyaccuray表征了系统的总输出精度（误差）水平，而backhaul的frequencyaccuracy可以作为系统输入的基准件误差对待，根据测量学原理的要求，基准件误差应不超过总误差的1/5~1/3。若取1/3，当空口为50ppb时，backhaul应该为16ppb，而这恰恰是G.8261的建议值。因此对于TDD-HeNB，我们认为其backhaul的frequencyaccuracy应该最大不超过250/3=80ppb。Part2：问题背景和solution的总体Roadmap问题1：靠随机接入过程来获取TA是否可行？对于TDD-HeNB，既没有GPS，如果其固网backhaul上又不具备部署1588V2的条件，在这种情况下如何实现HeNB的载波同步和时间同步？目前受关注较多的solution是依靠空口侦听来实现时间同步。这种方案的大致原理是通过定义MBSFNSubframe或利用GP的不同配置来侦听MeNB的CRS信号来对齐时间（参见TS36.922的6.4节），而所有时间同步技术的关键是时延估计，所以空口侦听同步方式的关键是如何准确获取空口的传播时延。在如何获取时延的问题上，目前业界讨论较多的方法是让HeNB作为UE发起随机接入过程，进而得到时延delay＝TA/2，由于TA理论上存在时变性（因为无线传播路径存在变化的可能），因此需要周期性去更新TA值，即HeNB需要周期性作为UE发起接入过程得到最新的TA。这种方式存在的问题是：忽视了UE发起随机接入的条件，即UE首先要保证处于RRC_IDLE态才能发起接入，而其前提是UE要能接受关键的subframe，如TDD下的0/1/5/6subframe，而这恰恰是MBSFNsubframe所不能满足的，所以上述方式是行不通的。如果一定要让HeNB通过空口去实现与MeNB的同步，那么我们认为建立类似“Unlink”的无线backhaul可能是可行的解决方案之一。问题2：空口侦听的时间同步方式是否可以保证载波250ppb的同步要求？前面我们说过：时间同步若要同时实现对频率/时钟的校正，必要的前提条件是授时的精度要满足要求。HeNB目前采用的空口侦听时间同步方式，其授时精度为多少？可否满足校频的要求?分析如下：空口侦听的时间同步精度包括两部分：下行定时的精度（1.5Ts=48ns）+时延测量数据精度（TA的综合精度为16Ts，所以单向时延的数据精度为8Ts=260ns）＝308ns，HeNB的最大同步周期为：1500ns/(250+50ppb)=5秒，根据公式(1)得到引入的频率校正误差为:308*2/5=123ppb80ppb，所以应无法保证空口的载波精度在250ppb以内。因此：利用空口侦听实现时间同步的方式无法满足载波同步精度250ppb的要求，因此载波同步的需求需要考虑其他的路径来实现。注：下行定时精度为1.5Ts的数据来自TS36.355中关于RSTD的精度说明；TA的综合精度＝TA的测量精度＋上报精度＝8Ts＋（上报步长/2）=8Ts+(16Ts/2)=16Ts；其中TA的测量精度参见36.133的10.3节；TA的上报步长参见36.213的4.2.3节。针对TDD-HeNB的同步所提出的问题细化在前面问题的基础上做进一步的考虑，提出如下的几个子问题：1、在空口侦听方案中，是否可以不依赖随机接入而是用其他方式来获取TA？（对应我们后面的Idea2）2、对于时间同步，是否可以找到一种不依赖空口侦听的替代解决方案？（对应我们后面的Idea1）3、在时间同步授时精度不满足的情况下，如何实现载波同步？（对应我们后面的Idea4）4、有无可能找到一种新的时间同步方式，使得其授时精度同时满足频率同步的要求？也即时频一体化的解决方案。（对应我们后面的Idea3）Solution的RoadmapSolution路径1：提供时/频各自独立的解决方案时间同步：频率同步：寻找一种不依赖HeNB通过接受MeNB下行信号并估算载波偏差进而实现载波同步的方式（对Idea4）路径2：提供时/频统一的解决方案。我们知道这种方式的关键点在于提