Timing and Sync

Synchronisation temps et phase

Solutions de test et de validation pour répondre aux exigences en matière de synchronisation temps, phase et fréquence.

Le GPS fournit aux réseaux sans fil une référence temporelle précise. Les technologies de la 5G et de l’IdO ne cessent de repousser les exigences en matière de synchronisation temps, phase et fréquence. VIAVI propose un choix exceptionnel de solutions de validation et de test intuitives et compatibles avec le cloud afin de relever ces défis et de garantir la conformité avec les normes strictes du marché.

Qu’est-ce que la synchronisation temps et phase ? 

La synchronisation temps et phase est formée d’exigences interdépendantes destinées à garantir les performances des réseaux sans fil. La synchronisation temps est basée sur l’établissement d’une valeur de temps précise et standardisée devant être disséminée dans tout le réseau sans fil.  Le concept de synchronisation phase est très semblable et désigne la cadence précise et coordonnée des activités du réseau ne pouvant être obtenue qu’à l’aide de cette référence de temps commune. 

Les normes de synchronisation temps et phase pour les réseaux mobiles empêchent les messages d’interférer les uns avec les autres et permettent des transferts fluides de cellule à cellule. La rigueur croissante des exigences en matière de synchronisation temps et phase pour la 5G est due à l’augmentation exponentielle des débits, à la réduction de la latence et à l’intensification de la densification. La migration en cours vers les technologies de transport à base de paquets et de duplex par séparation temporelle (time division duplex,TDD) nécessite également des solutions de test de synchronisation temps et phase précises et polyvalentes.

Importance de la synchronisation temps et phase

La synchronisation temps dérivée des constellations de systèmes de positionnement par satellites (global network satellite system, GNSS), notamment le système GPS utilisé par les États-Unis, joue un rôle essentiel dans l’exploitation des réseaux sans fil. Sans accès à cette norme de temps constante et fiable, une utilisation efficace du spectre et le développement de services sans fil à large bande et haut débit ne seraient pas possibles.

  • La technologie de synchronisation constitue un élément fondamental pour tout réseau de communication sans fil. Les stratégies de duplexage et de multiplexage, et celles basées sur les paquets, dépendent fortement de la synchronisation temps et phase pour coordonner la transmission des données, empêcher les interférences, diminuer le taux d’erreur et compenser tout décalage de fréquence ou de phase.  
    • L’expression « Synchronisation de la fréquence » décrit un état dans lequel les fréquences (intervalles répétés) de différentes horloges système sont alignées, mais pas leurs temps et leurs phases. 
    • La « Synchronisation de la phase » est atteinte lorsque les horloges sont alignées au niveau de leurs fréquences et de leurs phases, mais qu’elles n’ont pas d’origine de temps commune. 
    • L’expression « Synchronisation temps » désigne un état dans lequel les horloges sont alignées au niveau de leurs fréquences et de leurs phases et possèdent une origine de temps commune, comme le Temps universel coordonné (UTC).  
      Common Time Origin
    • La désagrégation des réseaux d’accès sans fil (RAN) 5G a divisé l’unité de bande de base (UBB) traditionnelle en deux : une unité centralisée (UC) plus facilement configurée et une unité distribuée (UD). Une synchronisation temps absolue et relative rigoureuse entre ces éléments est nécessaire pour répondre aux exigences d’utilisation de la 5G les plus strictes. La synchronisation du réseau fronthaul garantit que le réseau d’accès sans fil (RAN) fonctionne parfaitement, malgré la distance physique entre les composants.  

Qu’est-ce que le duplex par séparation temporelle ?  

La télécommunication par duplex est définie comme une transmission bilatérale sur un canal de communication. Le TDD réalise cette tâche en allouant différents créneaux de temps aux signaux sur les voies de liaison montante et de liaison descendante à la même fréquence. Cette méthode ingénieuse permet d’émuler un canal de communication en duplex intégral (simultanée) sur une liaison de communication en semi-duplex (binaire en série).   

  • La transmission sans fil TDD est une technologie fondamentale pour le déploiement de la 5G partout dans le monde. L’efficacité de l’utilisation du spectre est renforcée par le fonctionnement des signaux de liaison montante (uplink, UL) et de liaison descendante (downlink, DL) sur le même spectre. Les avantages du TDD sont contrebalancés par la nécessité d’assurer une synchronisation temps et phase précise afin d’empêcher les interférences à l’intérieur des cellules et entre celles-ci. Le TDD exige que la fréquence et la phase soient synchronisées. 
  • Le format de créneau TDD pour la 5G décompose le contenu des données en séries de trames radio de 10 ms, elles-mêmes composées de 10 sous-trames de 1 ms. Les 56 configurations disponibles de trames et créneaux contenues dans le communiqué n° 15 concernant la procédure TS 38.213 du 3GPP permettent une grande variété d’utilisations et de modèles de trafic pour la 5G. Certaines options incluent des temps UL/DL égaux et d’autres des temps asymétriques. L’utilisation de formats de créneaux de temps TDD 5G différents peut potentiellement créer des interférences entre les liaisons. Pour éviter cela, la structure des trames et celle des créneaux doivent également être synchronisées avec les réseaux voisins. 
    Two networks with unsynchronized Slot format
    Deux réseaux avec des formats de créneaux asynchrones
  • Le duplex à répartition en fréquence (DRF) est une méthode de télécommunication en duplex intégral qui précède le TDD et qui nécessite deux canaux de communication distincts. Toute comparaison entre DRF et TDD 5G mentionne habituellement la plus grande portion de spectre consommée par la technologie DRF. La protection des bandes est également requise entre les canaux DRF d’émission et de réception afin de minimiser les interférences. Bien que la technologie DRF soit plus indulgente au niveau des exigences de synchronisation temps et phase, la compatibilité avec la technologie MIMO, le beamforming (création de faisceaux directifs) et le spectre de bande C joue en faveur de la 5G DRF.

Qu’est-ce que le protocole de précision temporelle ?   

Le protocole de précision temporelle (Precision Time Protocol, PTP), défini par la norme IEEE 1588, est un protocole qui établit une méthode de synchronisation des horloges précise avec un ordre de grandeur inférieur au micron pour les réseaux basés sur les paquets. Cela concerne notamment les réseaux midhaul et fronthaul 5G basés sur Ethernet. La version 2 du PTP (1588v2), sortie en 2008, a amélioré la précision, l’exactitude et la solidité du protocole. 

  • L’infrastructure PTP inclut une horloge maître directement synchronisée avec une source GPS qui relaie un temps absolu basé sur l’UTC. Cette information est étendue au réseau à l’aide d’une combinaison d’horloges de frontière et d’horloges asservies. Pour minimiser les interférences potentielles, le planificateur doit s’assurer que toutes les unités radio du réseau sont synchronisées avec une référence de temps et de phase commune. 
  • L’O-RAN Alliance recommande qu’au maximum deux horloges de frontière soient traversées entre une horloge maître et une extrémité. Cependant, il n’existe aucune limite de distance totale traversée. 
  • La technologie de PTP sur Ethernet remplace le GPS comme principale source de synchronisation du temps pour le réseau fronthaul 5G. Bien qu’Ethernet ne soit pas intrinsèquement synchrone, les informations de temps et de fréquence peuvent être distribuées sur une couche Ethernet à l’aide des protocoles PTP et SyncE (Ethernet synchrone). Les câbles Ethernet existants peuvent ainsi être utilisés pour synchroniser les horloges d’un système distribué. 

Exigences de la synchronisation temps et phase 5G  

Lorsque les nœuds d’un réseau 5G ne sont pas synchronisés, les signaux reçus ne peuvent pas être démodulés correctement. Un taux d’erreur de bits, une latence et une gigue élevés peuvent en résulter et détériorer l’expérience client. Afin d’éviter ces problèmes, des exigences en matière de synchronisation ont désormais été établies par plusieurs organismes chargés d’élaborer des normes, notamment le 3GPP et l’ITU-T. 

  • La définition et les procédures associées à la synchronisation varient en fonction du système de communication. Les exigences en matière de précision des porteuses et de la synchronisation temps deviennent plus strictes pour la 5G TDD et DRF. Quel que soit le cas d’utilisation, la synchronisation, le type, les exigences et l’impact de la non-conformité sur les performances varient aussi fortement. 
  • Une erreur temps, ou Time Error (TE), est définie comme la différence de temps entre deux horloges nodales. Les erreurs temps absolues entre une horloge maître de référence et un nœud sont limitées à 1,5 μs pour le LTE/la 5G TDD. Cette durée inclut 1,1 μs d’erreur temps absolue au point d’accès et 0,4 μs sur la liaison fronthaul vers la radio. 
  • On appelle erreur temps relative la différence entre les entrées de deux unités radio. La mesure des erreurs temps relatives est très importante pour les fonctionnalités 5G avancées, comme l’agrégation de porteuses et le MIMO massif. La technologie CoMP (multipoint coordonné), utilisée pour coordonner les signaux de et vers plusieurs antennes-relais, ne peut pas tolérer d’erreurs temps relatives supérieures à 1,0 μs.
UtilisationType de synchronisationExigence en matière de synchronisationBesoin de conformitéImpact de la non-conformité
LTE/DRF 5G-NR

Fréquence

50 PPB absolusAccessibilité et fidélisationInterférence et connexions avec abandons élevés
LTE/DRF 5G-NRTemps~10 µs absolusAlignement des créneaux de tempsCollision avec perte de paquets, dégradation des performances
LTE / 5G-NR / eMBMS / Agrégation de porteusesTemps~3 à 5 µs absolusAlignement de temps entre plusieurs porteuses et cellules pour le décodage vidéo et une agrégation de porteusesMauvaise qualité vidéo et défaillance de l’agrégation de porteuses, faible débit
LTE / TDD 5G-NR / eCICTemps~1 à 5 µs absolusGestion des interférences/Coordination des interférencesInterférence réseau, capacité réduite, mauvaises performances
LTE /CoMP 5G-NR / LBSTempsMesure OTA relative < 1 µsCoordination de signaux depuis/vers des antennes-relaisPrécision LBS, efficacité du spectre
LTE/TDD 5G-NRTrameDépend du réseau TDD voisin (LTE contre 5G)Coordination avec le réseau LTE ou 5G voisinInterférence réseau, capacité réduite, mauvaises performances

Les défis de la synchronisation temps et phase 5G  

La désagrégation des réseaux d’accès sans fil (RAN), le TDD et l’adoption des technologies MIMO, de beamforming et d’ondes millimétriques ont permis d’exploiter pleinement le potentiel de communication sans fil de la 5G. Ces innovations ont également été combinées pour fortement renforcer les exigences en matière de synchronisation temps et phase de la 5G. Les applications en temps réel, comme les véhicules autonomes et l’Internet des objets (IdO), sont en train de changer la donne pour les aspects de synchronisation temps et phase des réseaux basés sur les paquets.  

  • Des interférences intercellules indésirables peuvent être générées par les réseaux sans fil TDD 5G. Une structure de trame compatible entre des réseaux regroupés avec des affectations de fréquences voisines doit être établie. Les porteuses utilisant la technologie TDD doivent également éviter les transmissions descendantes et montantes simultanées. Un signal descendant peut potentiellement fuiter sur des canaux voisins utilisant le LTE alors que la protection interbandes DRF/LTE n’est plus là pour diminuer l’impact.  
  • La qualité du signal GPS acquis par l’antenne satellite doit être extrêmement fiable pour répondre aux exigences de la 5G. La vérification de la puissance du signal GPS depuis plusieurs emplacements et la validation complète de l’antenne peuvent minimiser les problèmes d’interférences potentiels. Les réseaux 3G et 4G n’ont besoin que d’une ligne de transmission directe par satellite pour la synchronisation. Les exigences précises en matière de synchronisation temps et phase des cellules 5G rendent même les plus petits écarts inacceptables. Un verrouillage sur quatre positions satellites ou plus peut être utilisé pour minimiser l’impact du positionnement par satellite.
    GPS Based Synchronization
    Synchronisation basée sur GPS

Quels tests peuvent être réalisés ?  

Heureusement, la conformité avec les exigences extrêmement rigoureuses en matière de synchronisation temps et phase peut être vérifiée de façon précise et fiable à l’aide de la puissante suite de solutions de test de VIAVI. Les problèmes de perte de trames, d’interférences et de transfert peuvent être évités par le recours à une approche de validation proactive. 

  • Des tests PTP peuvent être réalisés afin de vérifier que toutes les horloges du réseau sont correctement alignées sur l’horloge maître et que les limites du profil de fréquence PTP, comme le centile de paquets plancher, sont respectées. La conformité du profil de temps et de phase avec les limites d’erreurs temps peut également être établie. Le MTS-5800 de VIAVI facilite les tests de connectivité et la recherche d’erreurs temps en émulant des terminaux PTP en aval d’une horloge maître. 

  • Le format de trame 5G NR doit être testé pour confirmer que les réseaux voisins sont conformes aux formats de créneau et de trame convenus. Les tests par liaison radio réalisés à l’aide du CellAdvisor 5G peuvent servir à valider le format de trame TDD pour plusieurs opérateurs. Les interférences intercellules provenant de réseaux sans fil TDD peuvent être évitées. 

    GPS Test using VIAVI T-BERDMTS-5800
  • Des tests GPS peuvent également être réalisés à l’aide du MTS-5800 afin d’évaluer la pertinence de l’emplacement d’une antenne GPS lors de son installation et par la suite. Le nombre de satellites visibles, la puissance des signaux et la diversité des positions des satellites sur plusieurs secteurs et lignes de transmission peuvent être évalués sur une seule interface intuitive.

Solutions de synchronisation temps et phase de VIAVI  

Les solutions de synchronisation temps et phase de VIAVI disposent des fonctionnalités requises pour garantir la conformité de votre réseau sans fil 5G et LTE aux normes strictes PTP/1588v2 et ITU-T ainsi que ses performances. 

  • Le CellAdvisor 5G est une solution de terrain portable avancée conçue pour relever les défis uniques posés par l’analyse du spectre, la vérification de la couverture et l’analyse des faisceaux directifs d’un réseau 5G. Grâce au CellAdvisor 5G de VIAVI, un ingénieur ou technicien spécialisé en radiofréquences peut également valider la fréquence et les erreurs temps par liaison radio et garantir que la synchronisation est conforme aux limites ± 1,5 µs par rapport à la norme UTC. 
  • Le OneAdvisor-800 permet aux techniciens radio de tester des connexions à fibre optique, RF et CPRI/Ethernet à l’aide d’un seul instrument. L’analyse du spectre en temps réel fournit une présentation détaillée des porteuses LTE et TDD 5G pouvant aider à éviter les sources d’interférences. La vérification MIMO et l’analyse des signaux peuvent détecter rapidement les obstacles perturbant la couverture et la qualité du service. 
  • Le MTS-5800 prend en charge les tests de synchronisation temps et phase 5G tout au long du cycle de vie du réseau. En plus de la vérification du signal GPS et des tests d’erreurs temps du PTP, le MTS-5800 peut également vérifier les performances SyncE et réaliser des tests de délais unidirectionnels et délais de paquets (Packet Delay, PDV) sur le réseau.  

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