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di Jim Olsen, senior technical applications engineer of frequency and time systems business unit, Microchip Technology
La consapevolezza del ruolo critico che il timing gioca nelle reti 5G e dell’impatto che ha sulle prestazioni delle reti 5G stesse non è in generale un argomento ampiamente trattato o esaminato nei dettagli. In questo articolo i lettori possono ottenere informazioni sull’impatto che il timing ha sulla qualità dei servizi forniti. L’impatto del timing su questi servizi definisce i requisiti di un’architettura di temporizzazione appropriata. Immergiamoci ed esploriamo gli affascinanti concetti e le complessità delle architetture e delle tecnologie di temporizzazione 5G.
La sorgente di tempo utilizzata per generare segnali di temporizzazione consumati dalle tecnologie di rete 5G è una fonte riconducibile all’UTC (Universal Coordinated Time). I ricevitori GNSS (Global Navigation Satellite Systems) sono comunemente utilizzati per ottenere il riferimento tracciabile UTC necessario per soddisfare i requisiti di temporizzazione 5G. Esistono anche altre tecnologie che possono essere utilizzate per ottenere tempi UTC tracciabili che non sono menzionati in questo articolo.
I requisiti di timing TDD sono un fattore critico per le reti 5G
L’evoluzione della tecnologia LTE dalle tecnologie Frequency Division Duplex (FDD) alle tecnologie Time Division Duplex (TDD) utilizzate nelle reti di accesso radio (RAN) per 5G ha introdotto nuovi severi requisiti di temporizzazione oltre a quelli richiesti per la tecnologia FDD. Per il funzionamento FDD era necessario solo un riferimento di frequenza per l’allineamento di frequenza dell’apparecchiatura RAN, ma la tecnologia TDD richiede anche riferimenti di fase tracciabili sia in frequenza che UTC.
Il requisito aggiuntivo della tecnologia TDD è simile ai requisiti CDMA nelle reti RAN che sono state implementate diversi anni fa. Le stazioni base CDMA avevano ricevitori GNSS integrati nelle stazioni base per soddisfare i requisiti di temporizzazione. Una delle differenze principali tra CDMA e 5G è che le stazioni base CDMA avevano oscillatori di clock atomico al rubidio di alta qualità per le funzioni di mantenimento della temporizzazione ove il GNSS fosse stato compromesso, mentre le stazioni base 5G e la tecnologia radio non hanno capacità di mantenimento del clock atomico al rubidio.
Le tecnologie 5G RAN utilizzano un oscillatore con tecnologia a basso costo e a basse prestazioni come misura di risparmio sui costi. Un argomento importante di questo articolo è il modo in cui la vulnerabilità sia correlata a questo mantenimento e verrà risolta nella soluzione generale di temporizzazione.
Bande di frequenza singole per TDD
Sia i requisiti di frequenza che quelli di allineamento di fase definiscono il modo in cui la temporizzazione influisce sulle prestazioni della rete 5G. I clock interni delle radio possono mantenere il requisito di frequenza di 50 ppb per diversi giorni, quindi perdere il riferimento temporale alla radio non è qualcosa che necessita di un backup o che debba essere risolto rapidamente. Se la frequenza del clock nella radio si sposta al di fuori della finestra di precisione dei 50 ppb, la rete subirà un aumento del numero di chiamate perse quando una radio passa il testimone a una radio adiacente nelle applicazioni di mobilità.
L’allineamento di fase è un parametro molto più critico e ci sono due diversi tipi di requisiti. l’allineamento di fase assoluto di una radio all’UTC e l’allineamento di fase relativo da radio a radio. Innanzitutto, esaminiamo il ruolo che la temporizzazione gioca nella categoria in cui i requisiti per le radio (RU) sono +/- 1.5 microsecondi all’UTC assoluto.
La tecnologia 5G RAN si basa sul Time Division Duplex (TDD) che aggiunge il requisito di allineamento di fase assoluto all’UTC oltre ai requisiti di frequenza. Nel funzionamento TDD viene condivisa una singola banda di frequenza per la trasmissione in uplink e downlink. La Figura 1 mostra la differenza tra FDD e TDD in cui l’uplink e il downlink per TDD condividono la stessa banda di frequenza.
Figura 1: FDD e TDD
Ciò significa che la trasmissione deve essere eseguita in intervalli di tempo stabiliti e, ove queste si sovrapponessero, i dati da loro trasmessi saranno in qualche misura compromessi, a causa delle interferenze. Per evitare sovrapposizioni, le bande di protezione sono posizionate intorno agli intervalli di tempo in modo che se ci fossero errori di temporizzazione, le bande di protezione assorbirebbero l’offset in una certa misura, a seconda dell’entità dell’offset stesso. Nelle reti 5G TDD si vuole ridurre le dimensioni delle bande di protezione o eliminarle.
Problemi di interferenze dovuti a derive della temporizzazione
Se la temporizzazione del requisito assoluto di UTC, +/- 1.5 microsecondi, è al di fuori delle specifiche, ciò comporterà interferenze nelle posizioni della radio tra quelle che condividano lo stesso spettro di frequenza. Gli errori di temporizzazione provocano un degrado del servizio e per le bande di frequenza non regolamentate possono causare anche ulteriori problemi. Se più operatori condividono lo stesso spettro, un operatore con un problema di temporizzazione può influire sul servizio del vicino operatore con la copertura sovrapposta. La Figura 2 illustra gli scenari di interferenza per le applicazioni TDD. Le abbreviazioni descritte negli schemi sono RU (Radio Unit), DL (Downlink) e UE (User Equipment).
Figura 2: Interferenze
I problemi di interferenza legati alla temporizzazione nelle tecnologie TDD elevano il ruolo della temporizzazione nelle reti 5G a uno stato critico. Dal punto di vista degli standard ITU e Open Radio Access Networks (ORAN) è chiaro che la possibilità di interferenze correlate alla temporizzazione rende un’architettura di temporizzazione PTP basata su rete l’architettura di temporizzazione preferita. Le radio 5G non hanno oscillatori di alta qualità e ad alte prestazioni nelle radio che possano mantenere tempo o fase per un periodo prolungato. La perdita della ricezione GNSS in una radio con un ricevitore GNSS integrato comporta la necessità di mettere fuori servizio rapidamente la radio prima che inizi a interferire con quelle adiacenti, a causa della perdita di holdover, ovvero di qualità nella tenuta della sincronizzazione. I servizi di temporizzazione basati sulla rete in cui le radio sono collegate allo stesso clock sorgente, che fornisce un buon holdover, sono un buon meccanismo per mantenere la fase delle radio allineata se la funzione del ricevitore di temporizzazione GNSS nel clock sorgente fosse compromessa. Se il GNSS fosse compromesso nel clock sorgente, tutte le radio collegate allo stesso clock sorgente subirebbero una deriva nella stessa direzione, alla stessa velocità, evitando così problemi di interferenza.
I common clock supportano i requisiti di fase relativi
La funzione 5G di carrier aggregation introduce un requisito di allineamento di fase relativo, non un requisito di allineamento di fase assoluto tracciabile UTC, tra radio che operano a FR1 (frequenza 1, 4.1-7.125 GHz, sub 6 GHz) o FR2 (frequenza 2, 24.5-52.6 GHz, mmWave). La Figura 3 illustra i modelli di copertura della banda di frequenza.
Figura 3, Modelli di copertura della banda di frequenza.
I requisiti di allineamento di fase relativo per il carrier aggregation sono legati all’uso di componenti di più carrier che devono essere raggruppati nella stessa frequenza o in più bande di frequenza. Nella funzione di carrier aggregation è possibile che un portatile dell’utente si connetta contemporaneamente alla stessa radio o a più radio utilizzando più componenti portanti. I requisiti di fase relativi per i casi d’uso sono in genere soddisfatti dal concetto di temporizzazione che va sotto il nome di common clock. Per i cluster di radio 5G il common clock più vicino è una funzione di boundary clock che si trova nello switch più vicino, comune alle radio adiacenti nel cluster. La Figura 4 illustra i casi d’uso per common clock.
Figura 4, Common clock
La funzione di carrier aggregation non funzionerà correttamente se le radio non sono allineate in fase entro le specifiche per la banda di frequenza in cui stanno operando. Il common clock deve essere posizionato in un punto in cui l’errore di tempo relativo accumulato tra common clock e radio non superi il budget di errore di tempo per quell’applicazione. Un ricevitore di temporizzazione GNSS utilizzato come sorgente di clock, secondo gli standard ITU, deve funzionare entro i requisiti PRTC (Primary Reference Time Clock), <100 nanosecondi di errore di tempo rispetto all’UTC. È il miglior approccio tecnico per utilizzare servizi di temporizzazione PTP basati su rete che supportano il concetto di common clock più vicino che potrebbe essere una Funzione BC (Boundary Clock) o PRTC.
Conclusioni
Schemi e architetture di temporizzazione per le reti 5G sono importanti considerazioni da tenere in conto nella pianificazione e ingegneria quando si vanno a valutarne gli ingombri. Quando si implementa la tecnologia wireless TD, è necessario tenere conto dei requisiti di temporizzazione assoluti e relativi. Una scarsa qualità della temporizzazione o la mancata pianificazione degli scenari di errore di temporizzazione possono avere conseguenze importanti che influiscono sul servizio, ad esempio generare problemi relativi a interferenze e throughput. Come si suol dire… Il tempismo è tutto!