移动宽带和电信网络依靠称为 Stratum 时钟的高度稳定和准确的定时源来满足表 1 中所示的严格相位和同步要求。在典型的网络部署中，有一个主要参考时钟源 (PRS) 可追溯到 Stratum- 1 或铯原子钟。 一个典型的网络节点计时时钟源：Stratum-3 或 -3E 源自更准确的上游 Stratum-2 时钟。 每个 Stratum 级别的时钟必须满足标准规定的频率稳定性和 20 年以上的长期老化。 Stratum-n 精度和保持规范的详细信息在以下部分中描述。

表 1：LT+/5G 网络中的频率和相位要求

*Network  =  Fronthaul/Backhaul,  Air =  Air  interface  from Antenna to  UE  (RF)

每个派生出的Stratum-n时钟（n = 3, 3E）在失去更高精度的上游Stratum-1或-2时钟时，都会使用本地恒温晶体振荡器（OCXO）作为备用时钟源。通常，主时钟参考（PCR）的丢失时间范围为30分钟到24小时。Stratum-3/3E时钟的这种状态被称为“保持”模式。

图 1：时钟的概念框图显示了振荡器在保持中的作用

由于OCXO（恒温晶体振荡器）必须在主时钟丢失时维持或“保持”时间同步，因此在携带PCR（主时钟参考）的链路恢复之前，OCXO展现出与上游Stratum-2时钟相当的良好时间特性至关重要。当OCXO“保持”最后一个同步或频率校准后的频率时，Stratum时钟的状态被称为“保持”状态。

网络中时间参考的来源

无线网络中每个节点的所有同步分布式时钟均可追溯到PRTC（主要参考时钟）或PRC，而PRC又可追溯到Stratum-1时钟[2]。不同Stratum级别时钟及其相互关系如图2所示。

图 2：电信网络中的同步层次结构

Stratum 0：基于铯原子的参考时钟源，它负责传输UTC（协调世界时）且几乎没有延迟，这样的设备被称为Stratum-0设备。Stratum-0服务器不能用于网络，而是直接连接到计算机，这些计算机随后作为主时间服务器运行。

Stratum 1： 网络中最精确的时钟源，其频率精度为±0.01 ppb（相对于UTC）。也被称为主参考时钟（PRC），并用于核心网络的网关。PRC与可追溯到Stratum-0原子时钟的GPS/GNSS接收器时钟同步。

Stratum 2：从PRC接收同步信号，并具有出色的保持能力。其频率精度为±16 ppb。也被称为楼宇集成时钟源（BITS），并广泛应用于中央局。

Stratum 3：通过线路定时时钟恢复技术从BITS接收同步信号，并具有合理的保持能力。其频率精度为±4.6 ppm。也被称为网络元素从属时钟（NES），用于移动交换中心。基于频率稳定性，有两种变体：频率稳定性为±300 ppb的Stratum-3和频率稳定性为±10ppb的Stratum-3E。

保持模式的类型与影响因素

保持振荡器的特征在于两个关键性能参数：

1、频率保持——保持期间的最大频率偏差。 频率偏差是从进入保持状态之前的平均频率测量

2、时间保持 – 保持期间参考同步参考 (PRC) 的时间误差 (TE) 累积

根据NIST特别出版物1065[3]，由于上述因素的共同影响导致的时间误差可以通过以下方程进行预测：

由环境温度变化引起的频率漂移的程度受振荡器的频率与温度斜率（ΔF/ΔT）的影响。 考虑到精密OCXO的ppt级ΔF/ΔT值和在保持期间的±1°C的温度微小变化，温度变化引起的频率漂移对整体保持性能的影响微乎其微，可以忽略不计。

 Allan方差（AVAR）描述了在恒定环境条件下设备的短期频率稳定性。 AVAR是一个用于量化OCXO固有的低频噪声过程的统计度量。 由于这种对保持性能有贡献的因素是一个随机实体，难以补偿，因此不在本文的讨论范围内。 

老化是指在恒定环境条件下，保持振荡器的长期频率漂移，直接受到OCXO结构和构造的影响。 本文讨论了通过适应性补偿来延长商用低成本TCXOs或OCXOs的保持性能的技术。

接下来的几个部分将重点介绍领先OCXO（如SiTime的SiT5711）的老化特性，并提供有关自适应补偿技术的指导，以延长精密OCXO的与老化相关的保持性能。

OCXO 的老化曲线

为了能够灵活地补偿振荡器的日漂移，了解在不同运行条件下日漂移特性随时间变化的情况至关重要。影响日漂移特性的因素包括：

 1. 回流焊移位效应：这种效应是短期的，通常需要24至48小时让封装恢复应力。 

2. 温度影响：在较低温度下，日漂移特性更稳定。

 3. 存储影响：该特性直接与MEMS振荡器在存储或非运行（未通电）状态下的时间长短以及存储时的温度有关。

 4. 重置影响：取决于MEMS振荡器通电和断电的时间以及每次通电和断电之间的时间间隔，MEMS振荡器将表现出不同特性。

OCXO典型老化特性如图3所示，在恒定环境温度85°C下，用频率偏移百分比表示30天内曲线图。取消偏移校正后显示频率偏移。此外，频率是设备通电一小时后测量以消除回流焊相关伪影。

图 3：老化曲线显示 SiTime 精密 SiT5711 OCXO 的频率偏差与时间； 开机一小时测得的频率

随着振荡器的使用时间延长或连续运行时间超过几个小时，其频率特性会呈现出线性的每日漂移趋势。根据图表显示，每日漂移趋势从开机后2小时开始减缓，直至5小时。我们将在下一节中使用这种老化特性来应用我们所描述的自适应补偿方法。

自适应补偿方法

自适应补偿频率漂移的基本前提有两个： 1. 使用比OCXO精度高一个数量级的系统时钟参考，进行连续和精确的频率测量。这些时钟参考可以来自GPS/GNSS接收器或进入保持状态前通过SyncE链路的PTP时间戳。

2. 将每日漂移建模为线性趋势，使得只有斜率可以在进入保持状态后进行自适应预测。这种线性模型假设基于以下事实：在运行几天后，大多数OCXO的每日漂移轮廓通常呈线性，如图4所示。

图 4：SiTime 精密 SiT5711 OCXO 的老化图，显示了应用自适应补偿来预测开机后约 5 小时保持期间的每日速率

自适应补偿 OCXO 的方法归结为以下步骤：

1、基于连续和精确的测量，参考标称频率确定以 ppb/天为单位的每日老化率。 

2、生成一个以秒为单位的时间向量，其分辨率与步骤 1 中获取的频率数据一致。 

3、在保持期间，预测由于每日老化引起的频率变化，将步骤 1 中的老化率乘以步骤 2 中的时间向量中的步长。

实现上述过程的数学说明如图 5 所示。

图 5：使用每日漂移的线性模型进行老化补偿的图示

结论

在下一代无线网络中对时间和频率同步的严格要求下，网络节点时钟设计师应用一种自适应补偿技术来预测保持状态下的频率变化，以消除或减少老化对时间误差的影响，这显得尤为重要。这里提出的自适应补偿方法基于系统中可用的高精度时钟参考，这些参考用于进行精确的小数频率偏差测量，以及基于在系统进入保持模式之前已经在系统中老化至少几个小时的OCXOs的每日老化曲线的线性模型。