隨著數據流量的快速成長，現今的通訊網路需能夠為數量龐大的使用者提供高數據傳輸速率，因此當前和未來的蜂巢式和通訊網路的運作方式是與過去截然不同的。對現代的高速數據網路來說，特別重要的是需要在網路中的所有基地台、伺服器和其他節點之間保持時間同步。時序讀數的誤差越低，網路可配置用來處理的數據就越多，網路業者才能夠更有效率地利用他們所購置的頻率和其他資源。
許多裝置是利用全球導航衛星系統(GNSS)使網路的各個部分保持同步。由於GNSS的準確度、成本效益、易於安裝和全球可用性，GNSS的選用通常會先於網路的時序技術。傳統上，透過GNSS來同步網路時序是採用單頻段接收器，使用從衛星廣播的L1頻段訊號。
接收L1頻段GNSS面臨挑戰
雖然3GPP規範把基地台天線介面的基本時序要求設定為1.5μs，然而先進的5G服務要求更高的時間準確度。要實現此目標並不容易，尤其是在現實生活中的複雜網路中。除了與網路相關的問題外，還有各種因素會影響裝置接收到的L1頻段GNSS訊號。另一方面，這也會影響網路存取時序數據的可靠性和準確度。以下說明三個主要問題。
GNSS訊號干擾
對任何使用GNSS的裝置來說，干擾是揮之不去的威脅，並可能導致單頻段接收器的GNSS操作完全失靈。從時序的角度來看，裝置通常會有某種原子鐘，以便能在GNSS中斷期間維持運作。但這只能在幾個小時內提供必要的時序準確度而已。
電離層延遲
對於在開放天空條件下運作的GNSS接收器，主要的誤差源是電離層延遲，這會導致時序準確度的不斷改變。影響電離層延遲的因素包括接收裝置的緯度、一天和一年之中的時間，以及太陽的活動程度。後者以11年為周期，在經歷了一段相對較低的太陽活動之後，現正處於將在2025年達到高峰期的上升階段。
電離層延遲通常會透過採用GPS Klobuchar模型或衛星增強系統(SBAS)等增強服務來解決，但這兩種方法都無法適用於所有情況。模型有其固有的侷限性， 因為它們僅能做為預測之用；且SBAS只有在某些地區可用，並且需要在赤道方向有清晰的天空視野，才能接收來自同步SBAS衛星的傳輸訊號。
多重路徑
對於在都會區和其他有障礙物環境中運作的裝置，GNSS訊號接收還有一個問題需要解決：多重路徑。窄頻GNSS L1訊號特別容易出現這種情況，它會導致裝置存取的時序數據出現錯誤。
對於5G網路的設計與部署人員來說，多重路徑正成為一個日益嚴重的問題， 因為這需要在有障礙物環境中架設更多基地台，並提高時序準確度以支援更高的數據傳輸量。此外，即使多重路徑問題能被克服，這些環境中的裝置通常對天空的視野有限，這也表示，在這種環境下，SBAS並不是補償電離層延遲的可行解決方案。
利用雙頻GNSS提高時序準確度
對於需因應這些挑戰的蜂巢式和通訊網路裝置開發人員來說，現在有個好消息，無論這些網路裝置將用在什麼地方，都有了解決方案。L1頻段GNSS訊號是幾十年前設計的，主要用於軍事用途，但現在已有了現代化的GNSS訊號。這些現代化訊號是在1176.45MHz的L5頻段上運行，主要是為了現今的民用應用所設計的。
對於時序應用，在雙頻段設定中結合使用L1與L5頻段訊號時，其價值就展現出來了。為了說明差異，以u-blox雙頻GNSS接收器為例，它可提供5ns以內的時序準確度，遠優於單頻接收器的20ns。
GPS、伽利略和北斗GNSS星系現正在為其部分或全部衛星廣播L5訊號。因此，只要選擇能夠使用所有三個星系的GNSS接收器，就可以在世界任何地方受益於L5訊號。在設計中唯一需要改變的是，以雙頻裝置取代單頻GNSS接收器和天線就可以了。
此外，印度地區的導航系統NavIC也可在L5頻段上使用，這使得單個全球雙頻L1+L5設計也能支援區域要求。
因應嚴苛的時序挑戰
採用雙頻L1/L5 GNSS接收器和天線將能協助設計工程師解決上述的時序挑戰。
更強韌的抗干擾攻擊能力
與L1頻段一樣，L5是航空無線電導航服務(ARNS)頻段，這意味著它受到良好的抗干擾保護和管理。此外，雙頻段操作可防止任何人使用單頻段干擾器，因為裝置仍能從未受干擾的頻段取得時序訊息。
雖然在干擾期間時間誤差會增加，但對大部分的使用案例來說，這仍在可接受的容許範圍內，如圖1所示。由圖可看出當干擾結束時，雙頻段操作能以低很多的時序誤差快速恢復。
圖1 當干擾結束時，雙頻段操作能以低很多的時序誤差快速恢復
在缺乏模型或校正數據的情況下克服電離層延遲問題
電離層延遲會以不同的方式影響L1和L5頻段頻率。重要的是，此關係是已知的，因此在兩個頻段上接收訊號時，可以計算出實際的電離層延遲，而不必依賴模型來預測它或使用校正服務。時序誤差能保持在更小的範圍內。
寬頻L5訊號比窄頻L1訊號更不容易受到多重路徑的影響。這直接減少了時序數據中的錯誤。此外，最新的L5訊號包含了前向糾錯，可提供對位元誤差的額外保護，這在訊號較弱的都會區和有障礙物環境中可能會發生。圖2顯示了在受多重路徑影響的環境中，L1和L5訊號的真實殘餘誤差會小很多。
圖2 在受多重路徑影響的環境中，L1和L5訊號的真實殘餘誤差會小很多
提高網路建置投資報酬率
隨著對高傳輸量數據網路的需求不斷成長，因此需要更關注於使網路上所有節點的時間數據可靠地保持同步。雖然傳統的L1 GNSS訊號常被視為是一種準確且具成本效益的方法，但容易受到干擾和多重路徑，以及電離層延遲的影響， 因而對網路的時序準確度帶來衝擊。
透過結合使用新的L5 GNSS訊號與L1訊號將能夠解決這些問題，為網路提供更一致的時序數據。這意味著，能配置網路以處理更多數據，進而帶來更好的客戶體驗並提升網路投資回報。
u-blox提供一系列高準確度的雙頻GNSS時序模組：ZED-F9T模組提供±5奈秒高精準度輸出，符合最嚴格的5G時序要求，並內建防禦惡意攻擊機制。LEA-F9T模組除了提供一樣的功能之外，同時可於-40°C~+105°C的工作環境下運作。對於規格要求較寬鬆的設備，則可採用NEO-M8T模組，其提供±20奈秒精準度輸出。如果是對於設計空間要求高的小型設備，則可考慮使用4.5×4.5mm SiP封裝的MIA-M10模組。而且上述u-blox模組都能滿足5G的時間同步要求。
(本文作者Paula Syrjarinne為u-blox時序產品開發經理；Samuli Pietila為u-blox產品線管理總監)