Autor: Jim Olsen, Ingeniero de Aplicaciones de la Unidad de Negocio de Sistemas de Frecuencia y Tiempo de Microchip Technology
El papel fundamental de la sincronización en las redes 5G y su efecto sobre el rendimiento de estas redes no ha sido tratado o examinado de forma detallada. En este artículo, los lectores pueden conocer el efecto de la sincronización sobre la calidad de los servicios. La influencia de la sincronización sobre estos servicios define los requisitos de una arquitectura de sincronización adecuada. Exploremos para ello los fascinantes conceptos y entresijos de las arquitecturas y las tecnologías 5G.
La fuente de tiempo que se utiliza para generar las señales de sincronización que consumen las tecnologías de red 5G sigue la hora UTC (Universal Coordinated Time). Los receptores de sistemas GNSS (Global Navigation Satellite Systems) se suelen utilizar para obtener la referencia respecto a la UTC con el fin de cumplir los requisitos de sincronización de 5G. Hay otras tecnologías que también se pueden utilizar para la sincronización con la UTC y que no se citan en este artículo.
Los requisitos de sincronización de TDD son un factor primordial para las redes 5G
La evolución de la tecnología LTE de FDD (Frequency Division Duplex) a TDD (Time Division Duplex) en las redes RAN (Radio Access Networks) para 5G ha añadido nuevos y exigentes requisitos de sincronización que van más allá de lo que precisa la tecnología FDD. El funcionamiento de FDD sólo necesitaba una referencia de frecuencia para coordinar su frecuencia con los equipos RAN, pero la tecnología TDD requiere una referencia de frecuencia y de fase respecto a la UTC.
Los requisitos adicionales de la tecnología TDD son similares a los de CDMA en redes RAN instaladas hace varios años. Las estaciones base CDMA integraron receptores GNSS en las estaciones base para cumplir los requisitos de sincronización. Una gran diferencia entre CDMA y 5G es que las estaciones base de CDMA tenían osciladores de relojes atómicos de rubidio de alta calidad para mantener las funciones de sincronización por si GNSS tuviera problemas, mientras que las estaciones base y la tecnología de radio de 5G no disponen de esta capacidad.
Las tecnologías 5G RAN usan una tecnología de oscilador de bajo rendimiento y bajo coste como medida de ahorro. Un aspecto importante en este artículo es cómo abordar esta vulnerabilidad para mantener el funcionamiento en las soluciones de sincronización.
Bandas de una frecuencia para TDD
Los requisitos de armonización de frecuencia y fase definen cómo afecta la sincronización al rendimiento de la red 5G. Los relojes internos pueden cumplir el requisito de mantener la frecuencia con un margen de 50ppb durante varios días, de ahí que la pérdida de la referencia de sincronización con la radio no necesita un sistema de reserva ni ser solucionado con rapidez. Si la frecuencia del reloj en la radio sufre una deriva hasta superar 50ppb, la red sufrirá un incremento en el número de llamadas cortadas cuando una radio se traspasa a una radio adyacente en aplicaciones de movilidad.
La armonización de la fase es un parámetro mucho más importante y existen dos tipos de requisitos diferentes: la armonización de fase absoluta de una radio a la UTC y la armonización de fase relativa de radio a radio. Examinemos primero el papel que desempeña la sincronización desde este punto de vista cuando las radios (RU) necesitan +/- 1,5 microsegundos respecto a la UTC absoluta.
La tecnología 5G RAN se basa en TDD (Time Division Duplex), que añade como requisito la armonización de fase absoluta a la UTC junto con los requisitos para la frecuencia. El funcionamiento de TDD se basa en una sola banda de frecuencia compartida para la transmisión en sentido ascendente y descendente. En la Figura 1 se puede ver la diferencia entre FDD y TDD a este respecto.
Figura 1. FDD y TDD.
Esto significa que la transmisión se debe realizar en los intervalos de tiempo asignados y, si estos intervalos coinciden con la transmisión de datos, se puede producir una superposición que provoque interferencias hasta cierto punto. Para evitar la superposición se colocan bandas de protección alrededor de los intervalos de tiempo para que, si se producen errores de sincronización, las bandas de protección absorban la diferencia en cierta medida, dependiendo de la magnitud. En las redes 5G TDD existe el deseo de reducir el tamaño de las bandas de protección o de eliminarlas.
Los desajustes de la sincronización crean problemas de interferencia
Si la sincronización del requisito absoluto para la UTC de +/- 1,5 microsegundos queda fuera de las especificaciones se producirá una interferencia entre radios que compartan el mismo espectro de frecuencia. Los errores de sincronización dan como resultado una degradación del servicio y para las bandas de frecuencia no reguladas se pueden producir otros problemas añadidos. Si varios operadores comparten el mismo espectro, un operador con un problema de sincronización puede afectar al servicio o al de otro operador con una cobertura superpuesta. La Figura 2 ilustra ejemplos de interferencias para aplicaciones TDD. Las abreviaciones empleadas en los diagramas son RU (Radio Unit) para la unidad de radio, DL (Downlink) para el enlace descendente y UE (User Equipment) para el equipo del usuario.
Figura 2. Interferencias.
Los problemas de interferencias relacionados con la sincronización en las tecnologías TDD hacen que la sincronización en las redes 5G sea un factor primordial. Está claro, desde el punto de vista de las normas de la ITU y las redes ORAN (Open Radio Access Networks), que la posibilidad de que se produzcan interferencias relacionadas con la sincronización hace que una red basada en una arquitectura de sincronización PTP sea la más preferible. Las radios 5G no tienen osciladores de alto rendimiento y alta calidad en las radios que puedan mantener el tiempo o la fase durante un largo período. La pérdida de la recepción de GNSS en una radio con un receptor GNSS integrado hace que la radio quede fuera de servicio rápidamente antes de que empiece a interferir con las radios adyacentes debido a la falta de calidad. Los servicios de sincronización basados en red, en los que las radios están conectadas al mismo reloj de referencia, ofrecen un buen soporte por lo que es un buen mecanismo para que la fase de las radios esté armonizada si se ve afectado el funcionamiento del receptor de sincronización GNSS en el reloj de referencia. Si el GNSS sufre algún problema en el reloj de referencia, todas las radios conectadas al mismo reloj de referencia experimentarán una deriva en la misma dirección y a la misma velocidad, evitando de este modo problemas de interferencia.
Los relojes comunes cumplen los requisitos de fase relativa
La agregación de portadora 5G añade la necesidad de armonización de fase relativa, no de una armonización de fase relativa rastreable de la UTC, entre radios que funcionen a FR1 (Frecuencia 1,
4,1-7,125 GHz, por debajo de 6 GHz) o FR2 (Frecuencia 2 24,5-52,6 GHz, ondas milimétricas). La Figura 3 muestra los modelos de cobertura de las bandas de frecuencia.
Figura 3. Modelos de cobertura de bandas de frecuencia.
Los requisitos de armonización de fase relativa para la agregación de portadora están vinculadas al uso de varias portadoras de componentes que se deben agregar en la misma frecuencia o en varias bandas de frecuencia. La agregación de portadora permite a conectar el terminal de un usuario a la misma radio o a varias radios simultáneamente mediante diversas portadoras de componentes. Los requisitos de fase relativa para los casos de uso se suelen cubrir por medio de un concepto de sincronización denominado reloj común. Para los grupos de radios 5G, el reloj común más cercano es una función de reloj de límite situado en el conmutador común más cercano a las radios adyacentes dentro del grupo. La Figura 4 muestra los casos de uso de relojes comunes.
Figura 4. Relojes comunes.
La función de agregación de portadora no funcionará correctamente si las radios no tienen su fase armonizada dentro de las especificaciones de la banda de frecuencia que utilizan. El reloj común se debe ubicar donde el error de tiempo relativo que se acumula entre el reloj común y la radio no supera el error de tiempo asignado a la aplicación. Un receptor de sincronización GNSS utilizado como reloj de referencia, de acuerdo con las normas ITU, deben ceñirse en todo momento a los requisitos del PRTC (Primary Reference Time Clock), <100 nanosegundos de error de tiempo con la UTC. Es el mejor enfoque técnico para utilizar servicios de sincronización PTP en redes basadas en el concepto del reloj común más cercano que podría ser un PRTC o un BC (Boundary Clock).
Conclusión
Los diseños y las arquitecturas de sincronización para las redes 5G son aspectos importantes acerca de la planificación y la ingeniería en la fase de despliegue, durante el cual hay que tener en cuenta los requisitos de sincronización absoluta y relativa para la tecnología inalámbrica TD. Una mala calidad de sincronización o la falta de planificación si se producen fallos en la sincronización puede tener consecuencias sobre el servicio, como interferencias y una baja velocidad. Como se suele decir, el tiempo es oro.
