什么是頻率同步和相位同步？無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)同步有何作用？

1、為什么無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)需要同步？

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)一個(gè)的基站組成的。單個(gè)基站的覆蓋范圍和容量有限，因此基站間需要進(jìn)行各種信令交互來(lái)實(shí)現(xiàn)小區(qū)選擇，重選，切換，負(fù)荷均衡，干擾協(xié)同等復(fù)雜的操作。

我們以 5G 為例，在 TDD 模式下，時(shí)間是用來(lái)區(qū)分上下行的，基站間需要嚴(yán)格步調(diào)一致。如果相鄰基站沒(méi)有采用相同的時(shí)間基準(zhǔn)，一個(gè)正在進(jìn)行下行發(fā)射，另一個(gè)卻在進(jìn)行上行接收，發(fā)射基站的信號(hào)會(huì)進(jìn)入接收基站，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，系統(tǒng)完全無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。

因此，“同步”是所有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)正常工作的基礎(chǔ)。

2、什么是頻率同步和相位同步？

到底是怎么樣的相對(duì)關(guān)系呢？一般根據(jù)關(guān)系的緊密程度分為“頻率同步”和“相位同步”這兩個(gè)級(jí)別。

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

相位同步是指兩個(gè)基站的時(shí)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(shí)每刻指示的時(shí)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(shí)間差。因此，相位同步也叫做“時(shí)間同步”。

頻率同步的精度使用頻率偏差或者頻率穩(wěn)定度這個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量，其單位是 ppm，全稱為 part per million，意為百萬(wàn)分之一，無(wú)量綱。它表示在一個(gè)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(guān)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(tǒng)時(shí)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(tǒng)可接受的最大頻率是 100.01MHz，最小是 99.99 MHz。

ppm 這個(gè)單位有些大，有時(shí)候，也會(huì)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(shí)間為單位，一般使用微秒（us）來(lái)表示。畢竟相位和時(shí)間息息相關(guān)，相位同步也叫做時(shí)間同步。

3、不同的網(wǎng)絡(luò)制式，對(duì)于同步精度的需求有什么不同？

不同的無(wú)線制式，對(duì)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(wú)線接入技術(shù)（2/3/4G）的同步需求

CDMA 是個(gè)特例，它雖然采用 FDD 雙工方式，但其長(zhǎng)短碼都是 m 序列，不同的 m 序列通過(guò)相位來(lái)區(qū)別，所以各基站需要嚴(yán)格的相位同步。

對(duì)于 5G 來(lái)說(shuō)，雙工模式因頻段不同而不同，目前以 TDD 為主，F(xiàn)DD 為輔，因此不同基站間也需要相位同步。其基本的業(yè)務(wù)的同步精度需求跟 4G 基本相同。

但 5G 的一些高級(jí)功能還可能需要站內(nèi)各小區(qū)間，甚至站間的協(xié)同增強(qiáng)，從而使同一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)可以通過(guò)不同的有源天線單元（AAU）收發(fā)，在交疊覆蓋區(qū)合并多個(gè)信號(hào)，從而有效提升業(yè)務(wù)帶寬。

這些高級(jí)功能對(duì)同步精度提出了更為嚴(yán)格的要求。其中，多入多出（MIMO）和發(fā)射分集技術(shù)的時(shí)間偏差要求為 65ns，對(duì)于帶內(nèi)連續(xù)載波聚合（CA），低頻基站（Sub 6G）時(shí)間偏差要求為 260ns，高頻基站（Above 6G）時(shí)間偏差要求為 130ns。

來(lái)源：IMT-2020 推進(jìn)組，5G 同步組網(wǎng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)白皮書

綜上，高精度相位同步，將成為 5G 網(wǎng)絡(luò)施展拳腳的關(guān)鍵基礎(chǔ)。