Temporização e sincronização
A temporização e a sincronização são requisitos importantes e inter-relacionados para o desempenho da rede sem fio 5G. A temporização é baseada no estabelecimento de um valor de tempo preciso e padronizado que deve ser comunicado em toda a rede sem fio. O conceito próximo de sincronização refere-se à cadência coordenada de atividades de rede que só podem ser concluídas com sucesso com essa referência de tempo comum.
Os requisitos precisos de temporização e sincronização para redes 5G estão sendo impulsionados por velocidades muito mais rápidas, latência mais baixa e maior densificação de rede móvel. Os padrões de temporização e sincronização para redes sem fio impedem que as mensagens interfiram entre si e permitem transferências sem empecilhos de célula para célula. A mudança para tecnologias de transporte baseadas em pacotes e duplexação por divisão de tempo (TDD) também demanda precisão e versatilidade de soluções de teste de temporização e sincronização.
A importância da temporização e da sincronização
A temporização baseada nas constelações do sistema global de navegação por satélite (GNSS), incluindo a fonte de temporização do sistema de posicionamento global (GPS) que atende os EUA, desempenha um papel fundamental na operação da rede sem fio. Sem acesso a esse padrão de tempo consistente e preciso, a utilização eficiente do espectro e a entrega de serviços sem fio de alta velocidade e largura de banda não seriam possíveis.
- A tecnologia de sincronização é essencial para todas as comunicações sem fio, incluindo redes 5G. Estratégias de duplexação, multiplexação e baseadas em pacotes dependem fortemente em referências de temporização para coordenar a transmissão de dados, evitar interferências, reduzir rates de erro e compensar qualquer mudança de frequência ou fase.
- A sincronização de frequência descreve um estado no qual as frequências (intervalos de repetição) de diferentes relógios do sistema estão alinhadas, mas a fase e a hora não estão.
- A sincronização de fase significa que os relógios estão alinhados em relação à frequência e à fase, mas não têm uma origem de tempo comum.
- A sincronização de tempo refere-se a um estado em que a sincronização de fase e frequência está ocorrendo e os relógios também têm uma origem de tempo comum, como o Tempo Universal Coordenado (UTC).
- A desagregação de 5G RAN dividiu as unidades de banda base (BBUs) em unidades centralizadas flexíveis (CUs) e unidades distribuídas (DUs). É necessária uma temporização absoluta e relativa rigorosamente controlada entre esses elementos para atender aos requisitos do use case do 5G. A sincronização da rede fronthaul permite que a RAN funcione corretamente, independentemente da distância entre CU e DU.
O que é duplexação por divisão de tempo (TDD)?
Telecomunicação duplex significa transmissão bidirecional por meio de um canal de comunicação. A duplexação por divisão de tempo (TDD) realiza isso usando diferentes intervalos de tempo para sinais de uplink e downlink na mesma frequência. Este método inteligente permite a comunicação full-duplex (simultânea) em um link half-duplex (serial-binário).
- A duplexação por divisão de tempo sem fio é uma tecnologia fundamental para implantações 5G em todo o mundo. A eficiência espectral é melhorada quando os sinais de uplink e downlink operam na mesma frequência com apenas um breve período de proteção entre as transmissões. Os links de comunicação duplex exigem temporização e sincronização precisas para evitar interferência intracélulas ou intercélulas. A TDD requer tanto a sincronização da fase quanto da frequência.
- O formato de slot TDD para 5G divide os dados em uma série de quadros de rádio de 10 ms, cada um contendo dez subquadros de 1 ms. As 56 configurações de quadro e slot disponíveis contidas na versão 15.3 do 3GPP TS 38.213 acomodam um amplo range de use cases e padrões de tráfego 5G.
- A variação nos intervalos de tempo TDD 5G pode levar à interferência de cross-link. Alguns formatos têm tempos de uplink e downlink iguais, enquanto outros são menos equilibrados. Para evitar isso, estruturas de quadro e slot também devem ser sincronizadas entre redes adjacentes.
Duas redes com formato de slot não sincronizado
- A duplexação por divisão da frequência (FDD) é um método de telecomunicação full-duplex anterior à TDD e requer dois canais de envio e recebimento separados. Qualquer debate sobre FDD 5G e TDD geralmente inclui a maior parte do espectro consumido pela tecnologia FDD.
- A banda de proteção é necessária entre os canais de envio e recebimento de FDD para minimizar a interferência. Embora a FDD seja mais tolerante em relação aos requisitos de temporização e sincronização, a compatibilidade com MIMO, beam forming e o espectro de banda C são fatores adicionais que favorecem a TDD em relação à FDD 5G.
O que é protocolo de tempo de precisão?
O protocolo de tempo de precisão (PTP) definido pela norma IEEE 1588 estabelece um método para sincronização precisa do relógio para o range de submícrons de redes baseadas em pacotes. Isso inclui redes 5G midhaul e fronthaul baseadas em Ethernet. O PTP versão 2 (1588v2), lançado em 2008, e uma revisão adicional compatível com versões anteriores concluída em 2019 melhoraram a exatidão, precisão e clareza desse protocolo.
- A infraestrutura PTP do protocolo de tempo de precisão inclui um relógio primário diretamente sincronizado com uma fonte de satélite GNSS. O tempo absoluto é baseado em UTC. Essas informações são compartilhadas em toda a rede usando clocks de delimitação e relógios secundários. Os relógios secundários não atuam como fontes de temporização para outros relógios. Quando todas as unidades de rádio em redes 5G estiverem sincronizadas com uma referência de tempo e fase comum, o programador pode minimizar a interferência.
- Um bloco de limite usado para o PTP pode atuar como um relógio primário e secundário. Depois de receber uma mensagem de temporização do relógio primário original, ele pode se ajustar ao atraso e enviar um novo sinal de tempo primário para outros relógios na rede.
- O PTP sobre Ethernet está substituindo o GNSS como a fonte de temporização principal para a rede fronthaul 5G. Embora a Ethernet não seja automaticamente síncrona, as informações de temporização e frequência podem ser distribuídas em uma camada Ethernet usando PTP e Ethernet síncrona (SyncE).
Requisitos de temporização e sincronização 5G
Quando os nodes de rede 5G estão fora de sincronia, os sinais recebidos não podem ser demodulados corretamente. Isso pode levar a uma alta rate de erros de bits (BER), atraso e jitter que comprometem a experiência do cliente. Para resolver o problema, os requisitos de sincronização foram estabelecidos por várias instituições de padronização, incluindo o 3GPP e o ITU-T
- A sincronização tem definição e procedimentos variados, dependendo do sistema de comunicação. Os requisitos de precisão de operadora e temporização são mais rigorosos para TDD vs. FDD 5G. Para cada use case, o tipo de sincronização, os requisitos e o impacto da não conformidade no desempenho também variam.
- O erro de tempo (TE) é definido como a diferença de tempo entre quaisquer dois relógios nodais. O erro de tempo absoluto entre uma referência de tempo primária e qualquer node é limitado a apenas 1,5 μs para LTE/5G TDD. Isso inclui 1,1 μs de erro de tempo absoluto no backhaul mais 0,4 μs para o restante do link da saída de backhaul para a porta da antena do rádio.
| Use case | Tipo de sincronização | Necessidade de sincronização | Necessidade de conformidade | Impacto da não conformidade |
|---|---|---|---|---|
| LTE/5 G-NR FDD | Freq. | 50 PPB absoluto | Acessibilidade e capacidade de retenção | Conexões de interferência e alta queda |
| LTE/5 G-NR FDD | Tempo | ~10 μs absoluto | Alinhamento do período | Colisão de perda de pacote, degradação de desempenho |
| LTE/5G-NR/eMBMS/agregação de portadora | Tempo | ~3 – 5 μs absoluto | Alinhamento de tempo entre várias portadoras e células para decodificação de vídeo e uma agregação de portadora | Baixa qualidade de vídeo e falha de CA, baixa taxa de transferência |
| LTE/5G-NR TDD/eCIC | Tempo | ~1 – 5 μs absoluto | Gestão de interferência/coordenação de interferência | Interferência de rede, capacidade reduzida, desempenho ruim |
| LTE/5G-NR CoMP/LBS | Tempo | Medição OTA relativa de < 1 μs | Coordenação de sinais de/para redes móveis | Precisão LBS, eficiência espectral |
| LTE/5G-NR TDD | Quadro | Depende da rede TDD adjacente (LTE vs. 5G) | Coordenação com LTE adjacente ou rede 5G | Interferência de rede, capacidade reduzida, desempenho ruim |
Os desafios de temporização e sincronização 5G
A desagregação RAN, TDD e a adoção da tecnologia MIMO, beam forming e onda milimétrica permitiram a realização de todo o potencial da tecnologia sem fio 5G. Essas inovações também se combinaram para impulsionar os requisitos de temporização e sincronização para 5G a níveis sem precedentes. Aplicações em tempo real, como veículos autônomos e a IoT, estão mudando a equação para os aspectos de temporização e sincronização em redes de pacotes.
A interferência intercélulas pode ser um subproduto indesejado da duplexação por divisão de tempo sem fio 5G. Deve ser estabelecida uma estrutura de quadro compatível entre redes colocadas com atribuições de frequência adjacentes.
As operadoras que usam TDD devem ter um período de proteção entre as transmissões de uplink e downlink. O sinal DL pode potencialmente vazar para canais adjacentes usando bandas de proteção TDD e FDD LTE não está mais presente para diminuir o impacto.
A qualidade do sinal GNSS adquirida pela antena de satélite deve ser altamente confiável para atender aos requisitos do 5G. A verificação da força do sinal GNSS de vários locais e a validação completa da antena podem minimizar o potencial de problemas de interferência.
Os requisitos precisos de sincronização e temporização de redes móveis 5G tornaram até mesmo pequenas variações de tempo inaceitáveis. Embora as redes 3G e 4G precisem apenas de uma linha de satélite do local para sincronização, as redes 5G exigem um bloqueio em quatro ou mais posições de satélite para minimizar o impacto da localização de satélite.
Sincronização baseada em GPS
O que podemos testar?
Felizmente, os requisitos de temporização e sincronização muito exigentes podem ser verificados de forma precisa e confiável, usando o poderoso conjunto de soluções de teste da VIAVI. É possível evitar quedas problemáticas de quadros, interferências e problemas de entrega por meio de uma abordagem de validação proativa.
O teste de PTP garante que todos os relógios de rede estão alinhados corretamente com os limites do perfil de frequência primários e o PTP, como o percentil do pacote de piso, estão sendo atendidos. Os limites de conformidade de tempo e perfil de fase para erro de tempo (TE) também podem ser estabelecidos. O MTS-5800 e/ou o OneAdvisor 800 Wireless da VIAVI facilitam o teste de erros de temporização e conectividade emulando pontos de extremidade PTP downstream de um relógio primário.
O teste de formato de quadro 5G NR verifica a conformidade com os formatos de slot e quadro acordados. O teste over-the-air, por meio do OneAdvisor 800 Wireless, pode ser usado para validar o formato de quadro TDD para vários operadores. Pode-se evitar a interferência intercélulas causada pela duplexação por divisão de tempo sem fio.
- O teste de GNSS também pode ser realizado com o MTS-5800 para estabelecer a adequação da localização da antena de GNSS durante e após a instalação. O número de satélites visíveis, suas intensidades de sinal e a diversidade de posições de satélite entre setores e linhas de site podem ser avaliados em uma única interface intuitiva.
Os desafios de temporização e sincronização 5G
A desagregação RAN, TDD e a adoção da tecnologia MIMO, beam forming e onda milimétrica permitiram a realização de todo o potencial da tecnologia sem fio 5G. Essas inovações também se combinaram para impulsionar os requisitos de temporização e sincronização para 5G a níveis sem precedentes. Aplicações em tempo real, como veículos autônomos e a IoT, estão mudando a equação para os aspectos de temporização e sincronização em redes de pacotes.
A interferência intercélulas pode ser um subproduto indesejado da duplexação por divisão de tempo sem fio 5G. Deve ser estabelecida uma estrutura de quadro compatível entre redes colocadas com atribuições de frequência adjacentes.
As operadoras que usam TDD devem ter um período de proteção entre as transmissões de uplink e downlink. O sinal DL pode potencialmente vazar para canais adjacentes usando bandas de proteção TDD e FDD LTE não está mais presente para diminuir o impacto.
A qualidade do sinal GNSS adquirida pela antena de satélite deve ser altamente confiável para atender aos requisitos do 5G. A verificação da força do sinal GNSS de vários locais e a validação completa da antena podem minimizar o potencial de problemas de interferência.
Os requisitos precisos de sincronização e temporização de redes móveis 5G tornaram até mesmo pequenas variações de tempo inaceitáveis. Embora as redes 3G e 4G precisem apenas de uma linha de satélite do local para sincronização, as redes 5G exigem um bloqueio em quatro ou mais posições de satélite para minimizar o impacto da localização de satélite.
Sincronização baseada em GPS