Bewältigung der Herausforderungen der Netzwerke mit cloudfähigen Validierungs- und Testlösungen für die Zeit-, Phasen und Frequenzsynchronisation.
Was ist Zeitsynchronisation?
Die Zeitsynchronisation ist eine wichtige Voraussetzung zur Sicherung der Leistung in Mobilfunknetzen. Ein Taktsignal repräsentiert einen standardisierten Zeitwert, der exakt ermittelt und im gesamten Mobilfunknetz verteilt werden muss. Damit eng verbunden ist die Synchronisation als koordinierter, präziser, zeitlicher Abgleich von Aktivitäten im Netzwerk, der nur auf Grundlage einer gemeinsamen Zeitreferenz, also einem präzisen Taktsignal, erreicht werden kann.
Die Standards zur Zeitsynchronisation in Mobilfunknetzen stellen sicher, dass die übertragenen Nachrichten sich nicht gegenseitig stören, also Interferenzen vermieden werden, und ermöglichen ein reibungsloses Weiterreichen (Handover) zwischen den Mobilfunkzellen. Die exponentiell höheren Datenraten, die geringere Latenz und die höhere Verdichtung von 5G haben die Anforderungen an die Zeitsynchronisation deutlich erhöht. Auch erfordert der anhaltende Übergang zur paketbasierten Transport-Technologie und zum Zeitduplex-Verfahren (TDD) von den eingesetzten Testlösungen eine höhere Präzision und Vielseitigkeit.
Die Rolle der Zeitsynchronisation
Die aus einem globalen Navigationssatellitensystem (GNSS), wie dem Global Positioning System (GPS), abgeleiteten Taktsignale spielen eine kritische Rolle für den sicheren Betrieb von Mobilfunknetzen. Ohne diese stabile und zuverlässige Zeitreferenz wäre es nicht möglich, das Frequenzspektrum effizient zu nutzen und Mobilfunkdienste mit hoher Geschwindigkeit und großer Bandbreite zu übertragen.
- Die Synchronisation ist eine grundlegende Komponente sämtlicher drahtloser Kommunikationsnetze. Duplexing und Multiplexing sowie paketbasierte Übertragungsverfahren sind größtenteils von einer exakten Zeitsynchronisation abhängig, um die Datenübertragung zu koordinieren, Interferenzen zu verhindern, Fehlerraten zu senken sowie Frequenz- und Phasenverschiebungen zu kompensieren.
- Bei der Frequenzsynchronisation werden die Frequenzen (periodische Wiederholungen) unterschiedlicher Systemuhren abgeglichen, nicht jedoch Phase und Zeit.
- Für die Phasensynchronisation werden die Uhren nach Frequenz und Phase abgeglichen, wobei keine gemeinsame Zeitbasis vorhanden ist.
- Bei der Zeitsynchronisation werden die Uhren in Bezug zur Frequenz und Phase sowie auf Grundlage einer gemeinsamen Zeitbasis, wie der koordinierten Weltzeit (UTC), abgestimmt.
- Die 5G-RAN-Disaggregation hat die traditionelle Basisband-Einheit (Baseband Unit, BBU) in eine flexibler konfigurierbare zentrale Einheit (Centralized Unit, CU) und verteilte Einheit (Distributed Unit, DU) aufgeteilt (disaggregiert). Zwischen diesen Komponenten muss eine hochgenaue absolute und relative Synchronisation gewährleistet sein, um die hohen Anforderungen der 5G-Anwendungsfälle erfüllen zu können. Die Synchronisation des Fronthaul-Netzes gewährleistet, dass das Funkzugangsnetz (RAN) trotz größerer physischer Entfernung zwischen den Komponenten zeitlich abgestimmt betrieben werden kann.
Was ist Zeitduplex (TDD)?
„Duplex“ bedeutet in der Telekommunikation, dass eine Übertragung in zwei Richtungen über einen Kommunikationskanal erfolgt. Beim Zeitduplex (Time Division Duplex, TDD) werden die Uplink- und Downlink-Signale zwar über die gleiche Frequenz, jedoch in verschiedenen Zeitschlitzen (Time Slot), also zeitlich voneinander getrennt, übertragen. Diese geniale Methode erlaubt, über eine (serielle) Halbduplex-Kommunikationsstrecke eine (simultane) Vollduplex-Kommunikation zu emulieren.
- TDD für Mobilfunknetze ist eine grundlegende Technologie, um auf der ganzen Welt 5G-Netze bereitzustellen. TDD verbessert die spektrale Effizienz, da die Signale im Uplink (UL) und Downlink (DL) über das gleiche Frequenzspektrum übertragen werden. Den Vorteilen stehen jedoch die hohen Anforderungen gegenüber, die das TDD-Verfahren an die Zeitsynchronisation stellt, um Interferenzen in und zwischen den Mobilfunkzellen zu verhindern. Für dieses Verfahren müssen sowohl Frequenz als auch Phase synchronisiert werden.
- Das TDD-Slot-Format für 5G unterteilt den Dateninhalt in mehrere 10 ms große Rahmen (Frames), die wiederum jeweils 1 ms große Unterrahmen (Sub-Frames) enthalten. Die 56 verfügbaren Frame- und Slot-Konfigurationen, die in Release 15 der technischen Spezifikation 3GPP TS 38.213 vorgesehen sind, unterstützen eine breite Palette von Anwendungsfällen und Verkehrsmustern von 5G. Einige Optionen nutzen für den Uplink und Downlink eine identische Zeitdauer, während andere eine asymmetrisch Zeitaufteilung nutzen. Diese unterschiedlichen Slot-Formate von 5G-TDD erhöhen das Risiko einer gegenseitigen Interferenz der Basisstationen (Cross-Link-Interferenz). Um diese Störungen zu verhindern, müssen die Frame- und Slot-Strukturen auch mit benachbarten Funkzellen synchronisiert werden.
Zwei Funkzellen mit nichtsynchronisierten Slot-Formaten - Frequenzduplex (FDD) ist ein Vollduplex-Verfahren in der Telekommunikation, das älter ist als TDD und zwei separate Kommunikationskanäle benötigt. Beim Vergleich von TDD mit FDD für 5G wird für gewöhnlich darauf hingewiesen, dass das FDD-Verfahren ein größeres Spektrum belegt. Auch wird beim FDD zwischen den Sende- und Empfangskanälen ein Schutzband benötigt, um Interferenzen weitestgehend zu vermeiden. Obgleich FDD weniger hohe Anforderungen an die Zeitsynchronisation stellt, wird das TDD-Verfahren aufgrund der besseren Unterstützung von MIMO, Beamforming und des C-Band-Spektrums für 5G bevorzugt.
Was ist das Precision Time Protocol (PTP)?
Das von der Norm IEEE 1588 definierte Precision Time Protocol (PTP) ist ein Protokoll zur präzisen, auf wenige Mikrosekunden genauen Synchronisation der Uhren in paketbasierten Netzwerken. Dazu gehören auch Ethernet-basierte Midhaul- und Fronthaul-Netze für 5G. Die 2008 veröffentlichte PTP-Version 2 (1588v2) hat die Genauigkeit und Robustheit des Protokolls weiter verbessert.
- Die PTP-Infrastruktur umfasst eine Grandmaster Clock als Referenzuhr, die direkt mit einem GPS-Satelliten synchronisiert ist, der eine absolute Zeit auf Grundlage der UTC überträgt. Dieses Zeitsignal wird über eine Kombination aus Boundary Clocks und Slave Clocks im gesamten Netzwerk verteilt. Eine Planungsfunktion (Scheduler) stellt sicher, dass alle Funkeinheiten im Netzwerk auf eine gemeinsame Zeit- und Phasenreferenz synchronisiert sind und potenzielle Interferenzen möglichst vermieden werden.
- Die O-RAN Alliance empfiehlt, zwischen einer Grandmaster Clock und einem Endpunkt nicht mehr als zwei Boundary Clocks vorzusehen. Für die Gesamtentfernung zwischen diesen wurde jedoch kein Grenzwert festgelegt.
- PTP über Ethernet ersetzt zurzeit das GPS-System als Hauptzeitquelle des 5G-Fronthaul-Netzes. Obgleich Ethernet an sich nicht synchron ist, können die Zeit- und Frequenzsignale mithilfe des PTP-Protokolls und Synchronous Ethernet (SyncE) über eine Ethernet-Schicht übertragen werden. Damit ist es möglich, vorhandene Ethernet-Kabel zu nutzen, um Uhren in einem verteilten System zu synchronisieren.
5G-Anforderungen an die Zeitsynchronisation
Wenn 5G-Netzknoten (Nodes) nicht synchronisiert sind, ist es auch nicht möglich, die empfangenen Signale korrekt zu demodulieren. Das kann eine höhere Bitfehlerrate (BER), längere Laufzeiten und mehr Jitter zur Folge haben und daher das Kundenerlebnis beeinträchtigen. Aus diesem Grund haben verschiedene Standardisierungsgremien, darunter das 3GPP-Projekt und die ITU-T, Synchronisationsanforderungen formuliert.
- Die Definition und Verfahren der Synchronisation unterscheiden sich jedoch in Abhängigkeit vom verwendeten Kommunikationssystem. TDD stellt in 5G-Netzen höhere Anforderungen an die Träger und an die Zeitgenauigkeit als FDD. Für jeden Anwendungsfall sind auch der Typ, die Anforderungen und das Ziel der Synchronisation sowie die Auswirkung von Synchronisationsfehlern auf die Leistung sehr unterschiedlich.
- Der Time Error (TE) ist ein Zeitfehler, der als Zeitdifferenz zwischen zwei auf Netzknoten verteilten Uhren definiert ist. Für LTE-/5G-TDD ist der absolute Zeitfehler zwischen einer Grandmaster-Zeitreferenz und einem beliebigen Knoten auf außergewöhnlich kurze 1,5 μs begrenzt. Darin enthalten sind ein absoluter Zeitfehler von 1,1 μs zum Zugangspunkt und von 0,4 μs über die Fronthaul-Verbindung zum Funksystem.
- Der relative Zeitfehler bezeichnet die Zeitdifferenz zwischen den Eingangssignalen von zwei Funkeinheiten. Dieser relative TE ist ein wichtiger Kennwert für anspruchsvolle 5G-Leistungsmerkmale, wie Carrier Aggregation (5G) und Massive MIMO (5G). Das Coordinated-Multipoint-Verfahren (CoMP), das genutzt wird, um Signale von und zu mehreren Basisstationen zu koordinieren, toleriert einen relativen Zeitfehler von maximal 1,0 μs.
| Anwendungsfall | Sync-Typ | Synchronisationsanforderung | Ziel der Synchronisation | Auswirkung von Synchronisationsfehlern |
|---|---|---|---|---|
| LTE/5G-NR FDD | Freq | 50 PPB absolut | Erreichbarkeit und Beständigkeit | Interferenzen und zahlreiche Verbindungsabbrüche |
| LTE/5G-NR FDD | Zeit | ~10 µs absolut | Zeitschlitz-Abgleich | Paketverluste, Kollisionen, Leistungsmängel |
| LTE/5G-NR/eMBMS/Carrier Aggregation | Zeit | ~3–5 µs absolut | Zeitabgleich zwischen mehreren Trägern und Funkzellen für Video-Decodierung und Carrier Aggregation (CA) | Schlechte Videoqualität und CA-Ausfall, geringer Durchsatz |
| LTE/5G-NR TDD/eCIC | Zeit | ~1–5 µs absolut | Interferenz-Management/Interferenz-Koordinierung | Netzwerk-Interferenz, geringere Kapazität, schlechte Leistung |
| LTE/5G-NR CoMP/LBS | Zeit | <1 µs relative OTA-Messung | Koordination von Signalen zu/von Basisstationen | LBS-Genauigkeit, spektrale Effizienz |
| LTE/5G-NR TDD | Frame | Abhängig vom benachbarten TDD-Netz (LTE oder 5G) | Koordination mit benachbartem LTE-/5G-Netz | Netzwerk-Interferenz, geringere Kapazität, schlechte Leistung |
Die Herausforderungen der Zeitsynchronisation in 5G-Netzen
RAN-Disaggregation, TDD und die Einführung von MIMO, Beamforming und der Millimeterwellen-Technologie (mmWave) ermöglichen, das Leistungspotenzial der fünften Mobilfunkgeneration (5G) in vollem Umfang auszuschöpfen. Allerdings setzen diese Innovationen in ihrer Gesamtheit auch völlig neue Maßstäbe für die Zeitsynchronisation in 5G-Netzen. Echtzeit-Anwendungen, wie autonomes Fahren und das Internet der Dinge (IoT), stellen neue Synchronisationsanforderungen in Paketnetzen.
- Interferenzen zwischen den Funkzellen können eine unerwünschte Begleiterscheinung des Zeitduplex-Verfahrens (TDD) in 5G-Mobilfunknetzen sein. Hier muss zwischen gemeinsam genutzten Basisstationen die Rahmenstruktur unter Berücksichtigung benachbarter Frequenzbereiche abgestimmt werden. Zudem sollten TDD-Träger die gleichzeitige Übertragung im Uplink (UL) und Downlink (DL) vermeiden. Das liegt daran, dass das DL-Signal benachbarte TDD-Kanäle stören kann und es kein Schutzband, wie bei LTE FDD, mehr gibt, das die Auswirkungen mindern könnte.
- Die Qualität des GPS-Signals, das von der Satellitenantenne empfangen wird, muss äußerst stabil sein, um den Anforderungen von 5G gerecht zu werden. Durch die Überprüfung der GPS-Signalstärke an mehreren Standorten sowie eine lückenlose Validierung der Antenne ist es möglich, potenzielle Interferenzen weitestgehend zu vermeiden. 3G- und 4G-Netze benötigen zur Synchronisation nur eine einzige Sichtlinie (Line Of Sight, LOS) zum Satelliten. Die für 5G-Funkzellen benötigte hochgenaue Zeitsynchronisation erlaubt nicht einmal kleinste Schwankungen. Um die Auswirkungen unterschiedlicher Satellitenpositionen zu verringern, ist es möglich, die Signale von vier und mehr Satelliten zu verarbeiten.
GPS-basierte Synchronisation
Was kann VIAVI testen?
Glücklicherweise lässt sich die äußerst anspruchsvolle Zeitsynchronisation mit den leistungsstarken Testlösungen von VIAVI exakt und zuverlässig überprüfen. Probleme, wie verworfene Rahmen, Interferenzen und Störungen beim Handover können durch proaktive Tests effektiv vermieden werden.
PTP-Tests erlauben nachzuprüfen, ob alle Uhren im Netzwerk mit der Grandmaster Clock synchronisiert sind und die Grenzwerte des PTP-Frequenzprofils, wie das Floor Packet Percentile (FPP), eingehalten werden. Weiterhin kann kontrolliert werden, ob das Zeit- und Phasenprofil die Zeitfehler-Grenzwerte einhält. Der Netzwerk-Handtester MTS-5800 von VIAVI emuliert die PTP-Endpunkte hinter der Grandmaster Clock, um den Zeitfehler (TE) und die Verbindung zu validieren.
Das 5G-NR-Rahmenformat sollte ebenfalls getestet werden, um zu prüfen, ob benachbarte Basisstationen die vereinbarten Slot- und Frame-Formate einhalten. OTA-Tests über die Luftschnittstelle mit dem OneAdvisor 800 Wireless ermöglichen, das TDD-Rahmenformat für mehrere Netzbetreiber zu validieren. So kann die TDD-basierte Interferenz zwischen Funkzellen vermieden werden.
- GPS-Tests sind ebenfalls mit dem MTS-5800 möglich, um die optimale Position der GPS-Antenne bei der Installation und auch danach zu kontrollieren. Die Anzahl der sichtbaren Satelliten, die Signalstärken und die Verteilung der Satellitenpositionen über die Sektoren und Sichtlinien können auf einer übersichtlichen und intuitiven Benutzeroberfläche dargestellt und bewertet werden.
Zeitsynchronisation-Testlösungen von VIAVI
Die Zeitsynchronisation-Testlösungen von VIAVI bieten alle Leistungsmerkmale, die benötigt werden, um die Einhaltung der strengen Standards IEEE 1588 V2 (PTP) und der ITU-T nachzuweisen, die dafür sorgen, dass die LTE-/5G-Mobilfunknetze nie aus dem Takt geraten.
- Der OneAdvisor 800 Wireless versetzt den Techniker an der Basisstation in die Lage, Glasfaser-, HF- und CPRI-/Ethernet-Tests mit einer kompakten Lösung durchzuführen. Die Echtzeit-Spektrumanalyse zeigt die TDD-Träger von LTE/5G detailliert an, um Interferenzquellen zu vermeiden. Die MIMO-Überprüfung und Signalanalyse erlauben, Störungen, die die Netzabdeckung und Dienstgüte beeinträchtigen, umgehend zu erkennen.
- Der MTS-5800 unterstützt über den gesamten Lebenszyklus des 5G-Netzes hinweg aussagekräftige Tests der 5G-Zeitsynchronisation. Zusätzlich zur Überprüfung des GPS-Signals und dem Testen des Zeitfehlers (TE) nach dem PTP-Protokoll kann der MTS-5800 auch genutzt werden, um die SyncE-Leistungsparameter zu verifizieren und die Einweglaufzeit (OWD) sowie Paket-Laufzeitschwankungen (PDV) im Netzwerk zu ermitteln.
