FDD-LTE 4G基站同步授时安全应对策略研究与试验

［洪春金 许向东 黄毅华 卢洪涛］

1 引言

目前国际形势复杂，中美关系紧张，并有愈演愈烈的趋势。目前全球GPS 同步卫星服务由美国运营掌控，而目前中国绝大部分4G基站均采用美国GPS 作为授时同步源，若由于种种原因，美国切断中国区域的GPS 同步授时服务，中国绝大部分4G基站将由于丢失同步源而全部瘫痪，4G 业务无法使用，对中国的影响极大，后果不堪设想。在中美关系每况愈下的情况下，提前考虑中国4G移动通信网络的同步授时安全问题及相应对应策略，将是极其重要及必要的。

2 FDD-LTE 4G基站同步模式选择

FDD-LTE 4G基站采用频分双工机制，4G基站小区间不需要严格时间同步，采用频率同步方式即可满足4G基站同步要求，因此在5G NR TDD基站建网前，FDDLTE 4G基站在不需要时间同步应用场景（例如COMP 等）的情况下，可以选择如“以太同步、GPS 频率同步”等方式。5G NR TDD基站建网后，由于涉及4G/5G 互操作，FDDLTE 4G基站要求选择时间同步，原因分析如下。

（1）4G-FDD基站采用频率同步，5G-TDD基站采用时间同步

如图1 所示，因4G基站与5G基站间时钟同步模式差异，标准5G 终端在现网4G网络配置的LTE GAP 测量周期内(测量周期Measurement Gap Repetition Period=40 ms，测量间隔Measurement Gap Length=6 ms)大概率测不到NR 邻区SSB 信号，从而导致4G基站到5G基站切换不成功，极大影响5G 终端在SA 组网架构下的4G 到5G 切换功能。

图1 4G-FDD 频率同步5G-TDD 时间同步

（2）4G-FDD基站和5G-TDD基站均采用时间同步

如图2 所示，在4G-FDD基站和5G-TDD基站均采用时间同步的情况下，假设4G基站帧头与5G基站帧头对齐（站间Time Alignment 校准Error，TAE=0 ms），所以考虑到5G基站SSB Offset 设置下（通常为0，SSB在第0 个子帧），4G基站的MG offset 设置和MGL 测量间隙时长能够满足在MGL 时间段内能够测量到5G SSB 信号，因此4G基站到5G基站能够切换成功。

图2 4G-FDD 时间同步5G-TDD 时间同步

3 4G基站丢失GPS 同步源的应对策略

通过第2 章节的理论分析，第3 章节将结合每种同步技术方案实施的应用场景、改造成本、实施难度等进行多维度比较分析，并对以下4 种替代同步技术方案进行现网试点评估或逻辑推导，得出具有实际应用参考价值的部署方案。

3.1 应对方案

（1）SyncE 同步以太方案

4G基站在GPS 同步源丢失的情况下，依赖4G基站自身晶振，基站一般能保持12～24 小时频率同步，在此时间后，基站将无法保持严格频率同步，从而导致滑码、累积误码，影响基站切换，严重影响用户业务体验。通过第二章节的分析，在不考虑4/5G 互操作的场景，可以采用“SyncE 同步以太方案”，为4G-FDD基站提供频率同步，从而保障4G网络的正常运行。

如图3 所示，同步以太方案的双BITS 时钟的时钟源为北斗BDS 系统，通过同步以太或外时钟口接入CX600设备，同时每台BITS 与设备间的接口最好进行11 保护，中间网络需要规划好主备跟踪路径和时钟跟踪接口，并全网启用SSM 协议。环上节点应从最短路径跟踪。优先级规划建议10、20、30 类推，为后续增加时钟源预留优先级值。4G基站一般通过ETH 口从A 设备获取时钟。同步以太方案需要逐跳支持，另外中间网络需符合以下原则：从BITS 设备到基站的同步路径节点不超过20 个，超过20 个的场景，需要将时钟源下移。目前传输网的传输设备均支持频率同步信号传递，不需要进行OTN 传输改造，因此该方案改造成本低，部署相对容易。

图3 同步以太方案

（2）1588v2 时间同步方案

在考虑4/5G 互操作的场景，4G基站要求时间同步，此时可以采用1588v2 方案，但该方案涉及相关网络设备的升级改造，包括BITS 时钟需增加北斗星卡模块、北斗天线模块及时间输出模块，传输设备（主要是M-D 设备间波分设备）需升级支持PTP（1588v2）信号，因此该方案对现网影响较大，改造成本高，部署难度较大，适合在4G基站无法安装GPS 同步天线的场景，作为有效补充。

如图4 所示，1588v2 时间同步方案的时间源，采用双BITS 部署1588v2 OC 模式，双BITS 通过FE/GE 口或者1PPS ＋ToD 向核心汇聚点注入时间，同时IP RAN网络将从时间服务器获取的时间信号通过1588v2 协议传送至4G基站。逐跳部署1588v2，承载网络全网配置BC 模式，协议封装格式一般采用L2 组播，BMC 算法支持破环。1588v2 需要保障每对光纤长度对称性，否则进行补偿。和以太同步一致，实际部署一般控制在20 跳以内。4G基站通过PTP 接口（FE/GE，1588v2 OC 模式）或（1PPS ＋ToD）&2M 外时钟接口接收1588v2 时间同步信号。

图4 1588v2 方案

（3）4G基站升级到支持北斗/GPS 双模方案

2019 年9 月，中国北斗卫星授时系统正式向全球提供服务，因此通过对4G基站星卡进行升级或更换，更换或增加相应板卡以及GNSS 天线，实现对北斗的适配，从而使4G基站可以通过中国北斗授时系统实现时间同步，该方案技术成熟，但改造成本相对较高，适合某些需要重点保障的4G 站点以及有紧急任务需求和保障的场景，例如应急通信车上的4G基站。

（4）4G SyncE 同步以太方案+5G NR SSB 周期20 ms→5 ms 方案

如图5 所示，在GPS 授时服务无法正常提供，1588v2时间同步方案无法全网部署的情况下，如果还要保证4G/5G 的互操作功能，则可以考虑4G基站采用“SyncE同步以太方案”，同时将5G NR SSB 周期从原来的20 ms 修改为5 ms，增加SSB 的发射频率，从而保证5G 终端的4G 模块，在LTE GAP 测量周期内能够搜索到NR SSB，同步到NR网络从而成功切换到5G基站。

图5 4G 频率同步，5G 时间同步，SSB 发送周期5 ms

如表1 所示，以某运营商5G基站上下行子帧配比为DDDSUDDSUU为例，由于该方案增加了SSB的发射频率，因此会对5G网络的下行性能造成一定的损失，经计算对比，5G网络的下行性能损失约为3%，该方案适合在战时或紧急情况下，基本保证4G、5G网络均能正常工作的场景。

表1 NR SSB 周期20 ms →5 ms，5G网络下行性能损失计算表

3.2 小结

通过对“方案1”和“方案2”在某运营商进行试点评估，“方案3”和“方案4”逻辑推导等方式，并结合同步授时精度、4/5G 互操作功能、改造成本、实施难度、应用场景等维度进行综合阐述分析，得出如表2 所示，具有实际应用参考价值的结论。

表2 试验评估及逻辑推导结果

4 FDD-LTE 4G基站同步授时方案创新思考

虽然中国北斗授时系统已在2019 年正式启用，但由于历史原因，目前某运营商FDD-LTE 4G基站绝大部分仅支持GPS 卫星授时，如果对全网4G基站改造为支持BDS/GPS 双模授时服务，改造成本高，不经济也不现实。因此可以研发一种参考中国北斗系统同步产生GPS 信号授时的转换装置，通过该转换装置，可以产生与中国北斗信号严格同步的GPS 信号，并向下集中授时，支持“一拖多”，可以对机房中多个4G BBU 进行集中授时。如图6、图7 所示。

图6 改造前后系统对比示意

图7 北斗转GPS 信号发生器原理

该系统满足BBU 的GPS 同步信号输入要求，并且频率精度和时间精度均能满足基站要求，仅需增加北斗同步GPS 信号发生器，而无需对现有4G基站和网络进行任何改动，可以实现改造最小化，以较低成本解决4G基站无GPS 同步授时的问题。此方案尤其适合某些重点区域的4G 站点或者应急通信车的4G 站点，若国际形势非常危险，在迫不得已的情况下，甚至可以考虑在整张4G网络全部部署该装置，以确保4G网络可以正常运行，4/5G 互操作正常，5G网络性能无损失。

5 结束语

通过对4G基站丢失GPS 同步授时的4 种技术方案进行多维度分析，经现网试点评估验证或推导分析进行综合阐述论证，得出具有实际意义的结论。同时，在中国北斗授时系统已正式启用的情况下，创新性的提出可行性高的解决方案，具有很大应用空间。众所周知，网络信息战已然是现代战争的重要一环，从国家网络战略安全层面考虑，提前考虑及制定4G网络同步授时应对方案，借助中国自研的北斗授时系统，加快“参考中国北斗系统同步产生GPS 信号授时的转换装置”的研发及应用，防范于未然，将可以使中国能够更加从容应对4G 移动网络可能受到的安全攻击问题。