Timing and Sync

Temporización y sincronización

Soluciones de validación y pruebas para abordar requisitos de sincronización de hora, fase y frecuencia

El sistema de posicionamiento global (GPS) proporciona una referencia precisa de la temporización para las redes inalámbricas. Las tecnologías 5G y el IoT están llevando los requisitos de sincronización de hora, fase y frecuencia a los límites de la tecnología. VIAVI ofrece una selección excepcional de soluciones de pruebas y validación intuitivas y basadas en la nube para abordar estos desafíos y garantizar la conformidad con los exigentes estándares del sector.

¿Qué son la temporización y la sincronización? 

La temporización y la sincronización son requisitos interrelacionados para el rendimiento de las redes inalámbricas. La temporización se basa en el establecimiento de un valor estandarizado y preciso que se debe distribuir por la red inalámbrica. El concepto de sincronización, estrechamente relacionado, hace referencia a la cadencia precisa de las actividades de red que solo se pueden completar correctamente con esta referencia temporal común. 

Los estándares de temporización y sincronización de las redes móviles evitan que los mensajes interfieran entre sí y permiten transferencias fluidas de celda a celda. El mayor rigor de los requisitos de temporización y sincronización de la tecnología 5G está impulsado por velocidades exponencialmente más rápidas, una latencia menor y una mayor densificación. La migración continua a las tecnologías del transporte basado en paquetes y la duplexación por división en el tiempo (TDD) también exige precisión y versatilidad por parte de las soluciones de pruebas de temporización y sincronización.

La importancia de la temporización y la sincronización

La temporización derivada de las constelaciones del sistema global de navegación por satélite (GNSS), incluido el sistema de posicionamiento global (GPS) al servicio de Estados Unidos, desempeña un papel primordial en el funcionamiento de las redes inalámbricas. Sin acceso a este estándar temporal sistemático y confiable, la utilización eficaz del espectro y la prestación de servicios inalámbricos de alto ancho de banda y alta velocidad no serían posibles.

  • La tecnología de sincronización es un componente fundamental de todas las redes de comunicación inalámbrica. La duplexación, la multiplexación y las estrategias basadas en paquetes dependen todas ellas en gran medida de la temporización y la sincronización para coordinar la transmisión de datos, evitar interferencias, reducir las tasas de error, y compensar cualquier desplazamiento de fase o frecuencia.  
    • La sincronización de frecuencia hace referencia a un estado en el que las frecuencias (intervalos repetitivos) de distintos relojes del sistema están alineadas, pero la fase y la hora no. 
    • La sincronización de fase se consigue cuando los relojes están alineados con respecto a la frecuencia, así como a la fase, pero carecen de un origen temporal común. 
    • La sincronización de hora hace referencia a un estado en el que los relojes están alineados en frecuencia y fase con un origen temporal común como la hora universal coordinada (UTC).  
      Common Time Origin
    • La desagregación de las redes RAN 5G ha dividido la unidad de banda base (BBU) tradicional en una unidad centralizada (CU) y una unidad distribuida (DU) configuradas de una manera más flexible. Para cumplir los exigentes requisitos de los casos prácticos de la tecnología 5G, se debe mantener una estricta temporización absoluta y relativa entre estos elementos. La sincronización de la red fronthaul garantiza que la red RAN funcione en armonía, a pesar de la distancia física que pueda haber entre los componentes.

¿Qué es la duplexación por división en el tiempo (TDD)?

La telecomunicación por duplexación se define como una transmisión bidireccional en un canal de comunicación. La duplexación por división en el tiempo (TDD) consigue esto asignando distintos intervalos de tiempo para las señales de enlace ascendente y enlace descendente en la misma frecuencia. Este ingenioso método permite emular un canal de comunicación dúplex completo (simultáneo) en un enlace de comunicación de medio dúplex (en serie-binario).   

  • La tecnología inalámbrica de duplexación por división en el tiempo es una tecnología fundamental para las implementaciones de redes 5G en el mundo. La eficiencia espectral está respaldada por señales de enlace ascendente (UL) y enlace descendente (DL) que funcionan en el mismo espectro. Las ventajas de la duplexación por división en el tiempo se contrarrestan por la temporización y la sincronización precisas que se requieren para evitar las interferencias dentro de las celdas y entre las celdas. La TDD requiere que la frecuencia y la fase estén sincronizadas. 
  • El formato de intervalos de la TDD para la tecnología 5G descompone los contenidos de datos en series de tramas radioeléctricas de 10 ms, cada una de las cuales contiene diez subtramas de 1 ms. Las 56 configuraciones de tramas e intervalos disponibles incluidas en la edición 15 del estándar 3GPP TS 38.213 contemplan una amplia diversidad de patrones de tráfico y casos prácticos de la tecnología 5G. En algunas de las opciones, se incluyen tiempos iguales del UL y el DL, mientras que otros son más simétricos. La variación de los formatos de intervalos temporales de la TDD de la tecnología 5G supone más posibilidades de interferencias entre enlaces. Para evitarlo, las estructuras de tramas e intervalos tienen que sincronizarse entre las redes adyacentes. 
    Two networks with unsynchronized Slot format
    Dos redes con un formato de intervalos no sincronizado
  • La duplexación por división de frecuencia (FDD) es un método de telecomunicación de dúplex completo que antecede a la TDD y requiere dos canales de comunicación independientes. Cualquier debate entre la FDD y la TDD en la tecnología 5G suele pasar por la parte mayor del espectro dedicada a la tecnología FDD. También se requieren bandas de protección entre los canales de envío y recepción de FDD para minimizar las interferencias. Aunque la FDD es menos exigente con respecto a los requisitos de temporización y sincronización, la compatibilidad con la tecnología MIMO, la conformación de haces y el espectro de banda C son factores adicionales en favor de la TDD frente a la FDD en la tecnología 5G.

¿Qué es el protocolo de tiempo de precisión?   

El protocolo de tiempo de precisión (PTP) definido por el estándar IEEE 1588 establece un método para la sincronización precisa de los relojes en un rango por debajo de la micra para las redes basadas en paquetes. Esto incluye las redes de midhaul y fronthaul 5G basadas en Ethernet. La versión 2 del PTP (1588v2), que se publicó en 2008, ofrecía mejoras de precisión, exactitud y solidez del protocolo. 

  • La infraestructura PTP incluye un reloj gran maestro sincronizado directamente con un origen de satélite GPS que transmite una hora absoluta basada en el sistema UTC. Esta información se distribuye por la red con una combinación de relojes delimitadores y relojes subordinados. Asegurarse de que todas las unidades de radio de la red estén sincronizadas con una referencia de hora y fase común permite al programador minimizar las posibles interferencias. 
  • La alianza O-RAN recomienda que no más de dos relojes delimitadores pasen entre un reloj gran maestro y cualquier extremo. No obstante, no existe una limitación establecida en la distancia general recorrida. 
  • El protocolo PTP sobre Ethernet está sustituyendo al GPS como la fuente de temporización principal de la red fronthaul 5G. Aunque Ethernet no es intrínsecamente síncrona, los datos de temporización y frecuencia se pueden distribuir sobre una capa de Ethernet con el PTP y el Ethernet síncrono (SyncE). Esto permite que el cableado Ethernet existente se aproveche para sincronizar los relojes en un sistema distribuido. 

Requisitos de temporización y sincronización para redes 5G  

Cuando los nodos de las redes 5G no están sincronizados, las señales recibidas no se pueden demodular correctamente. Así pues, pueden producirse tasas BER altas, retardos y fluctuaciones que afecten a la experiencia del cliente. Para abordar este problema, diversos organismos de estandarización, incluidos el proyecto 3GPP e ITU-T, han establecido requisitos de sincronización. 

  • La definición de la sincronización y los procedimientos varían en función del sistema de comunicación. Los requisitos de precisión de la temporización y la portadora son más exigentes para la TDD frente a la FDD en las redes 5G. En cada caso práctico, la sincronización, el tipo, los requisitos y las consecuencias del incumplimiento para el rendimiento también varían sustancialmente. 
  • El error de tiempo (TE) se define como la diferencia temporal entre dos relojes de nodo cualesquiera. El error de tiempo absoluto entre la referencia de hora del reloj gran maestro y cualquier nodo se limita a tan solo 1,5 μs para la TDD de redes 5G/LTE. Esto incluye un error de tiempo absoluto de 1,1 μs hasta el punto de acceso y de 0,4 μs del enlace de fronthaul a la radio. 
  • El error de tiempo relativo es la diferencia temporal entre las entradas en dos unidades de radio. El TE relativo es una medida importante para características avanzadas de la tecnología 5G como la agregación de portadoras y la tecnología MIMO masiva. La recepción multipunto coordinada (CoMP), que se emplea para coordinar señales hasta y desde varias estaciones base, no tolera más de 1,0 μs de TE relativo.
Caso prácticoTipo de sincronizaciónRequisito de sincronizaciónNecesidad de cumplimientoConsecuencias del incumplimiento
LTE/FDD para 5G-NR

Frecuencia

50 PPB; absolutoAccesibilidad y capacidad de retenciónInterferencias y conexiones de acometida altas
LTE/FDD para 5G-NRTiempo~10 µs; absolutoAlineación de intervalos temporalesPérdida de paquetes y degradación del rendimiento
LTE/5G-NR/eMBMS/agregación de portadorasTiempo~3-5 µs; absolutoAlineación temporal entre varias portadoras y celdas para decodificación de vídeo y agregación de portadorasMala calidad de vídeo y fallos de agregación de portadoras; baja capacidad
LTE/TDD para 5G-NR/eCICTiempo~1-5 µs; absolutoGestión y coordinación de interferenciasInterferencias de red, menor capacidad y rendimiento insuficiente
LTE/CoMP de 5G-NR/LBSTiempoMedición relativa por radio (OTA) <1 µsCoordinación de señales hasta y desde las estaciones basePrecisión de LBS y eficiencia espectral
LTE/TDD para 5G-NRTramaDepende de la red TDD adyacente (LTE frente a 5G)Coordinación con la red LTE o 5G adyacenteInterferencias de red, menor capacidad y rendimiento insuficiente

Desafíos de la temporización y la sincronización de las redes 5G  

La desagregación de las redes RAN, la TDD y la adopción de la tecnología MIMO, la conformación de haces y la tecnología de onda milimétrica han permitido que se despliegue todo el potencial de la tecnología 5G inalámbrica. Estos avances se han combinado también para impulsar los requisitos de temporización y sincronización para la tecnología 5G a niveles sin precedentes. Las aplicaciones en tiempo real como los vehículos autónomos y el IoT están cambiando en cuanto a la temporización y la sincronización en las redes basadas en paquetes.

  • Las interferencias entre celdas pueden ser un producto derivado no deseado de la duplexación por división en el tiempo inalámbrica en la tecnología 5G. Se debe establecer una estructura de tramas compatible entre las redes coubicadas con asignaciones de frecuencias adyacentes. Las portadoras que emplean la TDD deben evitar también la transmisión simultánea del DL y el UL. La señal del DL puede filtrarse en canales adyacentes mediante la TDD y las bandas de protección LTE de FDD ya no están implementadas para reducir los efectos.
  • La calidad de la señal GPS adquirida por la antena de satélite debe ser altamente fiable para responder a los requisitos de la tecnología 5G. La verificación de la intensidad de la señal GPS de varias ubicaciones y la validación completa de la antena pueden minimizar los posibles problemas de interferencias. Las redes 3G y 4G solo requieren una línea de emplazamiento de satélite para la sincronización. Los requisitos de una temporización y una sincronización precisas de las celdas 5G han hecho que la más mínima variación sea intolerable. Se puede utilizar un bloqueo en cuatro o más posiciones de satélite para minimizar los efectos de la ubicación del satélite.
    GPS Based Synchronization
    Sincronización basada en GPS

¿Qué podemos someter a pruebas?  

Por suerte, estos requisitos de temporización y sincronización tan sumamente exigentes se pueden verificar de forma precisa y confiable con el sólido conjunto de soluciones para pruebas de VIAVI. Con un enfoque de validación proactivo, se pueden evitar caídas de tramas problemáticas, interferencias y problemas de traspaso. 

  • Se pueden llevar a cabo pruebas de PTP para comprobar que todos los relojes de red estén correctamente alineados con el reloj gran maestro y que se respeten los límites de perfiles de frecuencias PTP, como el porcentaje de paquetes base. También se pueden establecer perfiles de hora y fase de conformidad con los límites de error de tiempo (TE). El sistema MTS-5800 de VIAVI facilita las pruebas de error de tiempo y conectividad al emular extremos PTP descendentes desde un reloj gran maestro. 

  • El formato de tramas de la tecnología 5G NR se debe someter a pruebas para establecer redes adyacentes de conformidad con los formatos de intervalos y tramas acordados. Las pruebas por radio (OTA) con el sistema CellAdvisor 5G se pueden utilizar para validar el formato de las tramas de TDD para varios operadores. Las interferencias entre celdas de la tecnología inalámbrica de duplexación por división en el tiempo se pueden evitar. 

    GPS Test using VIAVI T-BERDMTS-5800
     
  • Las pruebas de GPS también se pueden llevar a cabo con el sistema MTS-5800 para establecer la idoneidad de la ubicación de la antena GPS durante la instalación y después. El número de satélites visibles, las intensidades de las señales y la diversidad de las posiciones de los satélites en sectores y líneas de emplazamiento se pueden evaluar con una sola interfaz muy intuitiva.

Soluciones de temporización y sincronización de VIAVI  

Las soluciones de temporización y sincronización de VIAVI cuentan con las funciones necesarias para garantizar el cumplimiento de los rigurosos estándares PTP/1588v2 e ITU-T que mantienen en perfecto funcionamiento las redes inalámbricas 5G y LTE. 

  • CellAdvisor 5G es una solución portátil de campo avanzada que aborda los desafíos únicos del análisis del espectro 5G, la verificación de la cobertura y el análisis de haces. Con CellAdvisor 5G de VIAVI, un ingeniero o técnico de radiofrecuencia puede validar también la frecuencia y los errores de tiempo por radio, y asegurarse de que la sincronización cumpla los límites de ±1,5 µs en comparación con el estándar UTC. 
  • La solución OneAdvisor-800 permite a los técnicos de estaciones base realizar pruebas de fibra óptica, radiofrecuencia y CPRI/Ethernet con un solo instrumento. El análisis del espectro en tiempo real ofrece una representación detallada de las portadoras 5G y LTE basadas en la TDD que puede evitar fuentes de interferencias. La verificación de la tecnología MIMO y el análisis de las señales pueden detectar rápidamente impedimentos que obstaculicen la cobertura y la calidad del servicio. 
  • El sistema MTS-5800 admite las pruebas de temporización y sincronización en redes 5G en todo el ciclo de vida de los servicios de red. Además de la verificación de las señales GPS y las pruebas de error de tiempo con el protocolo PTP, el sistema MTS-5800 se puede emplear también para comprobar el rendimiento del Ethernet síncrono y llevar a cabo pruebas unidireccionales de retardo y PDV (variación del retardo de los paquetes) en la red.  
  • Timing and Synchronization
    eBook

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