Es wurde viel über die Netzsynchronisierung gesprochen und darüber, warum sie für 5G-Netze entscheidend ist. Tatsächlich ist das Konzept der Zeitsteuerung und Synchronisierung in der Mobilfunkwelt nicht neu. Frühere Netzgenerationen (d. h. 2G, 3G und 4G) erforderten alle ein gewisses Maß an Timing und Synchronisierung, damit ein korrekter Handover zwischen Makro-Basisstationen und Benutzergeräten stattfinden konnte. Im Gegensatz zu seinen Vorgängern stellt 5G jedoch strengere Leistungsanforderungen an drahtlose Netzwerke und erfordert ein Timing im Nanosekundenbereich zwischen den verschiedenen Elementen im Funkzugangsnetz (RAN).
Warum sind Timing und Synchronisierung in einer 5G-Welt so wichtig?
Da immer mehr Funkgeräte und kleine Zellen eingesetzt werden, um das richtige Maß an Abdeckung und Leistung zu erreichen, ist es von entscheidender Bedeutung, dass sie untereinander synchronisiert sind und dieselbe Zeitreferenz mit allen umliegenden Makrozellentürmen, Benutzergeräten und RAN-Elementen teilen. Darüber hinaus ist zeitliche Genauigkeit erforderlich, um Technologien wie Time Division Duplex (TDD) zu unterstützen, bei denen sowohl der Uplink als auch der Downlink auf derselben Frequenz liegen, sowie Beamforming, mit dem Strahlen auf mehrere Nutzer und IoT-Geräte wie Sensoren, Maschinen, Roboter und vernetzte Autos gerichtet werden können. Darüber hinaus gibt es weitere fortschrittliche Technologien, die mit 5G einhergehen, wie Dynamic Spectrum Sharing (DSS), Carrier Aggregation und Massive MIMO, die alle ein gutes Timing erfordern, um korrekt zu funktionieren.
Diese Technologien führen zu einer komplexen Netzsynchronisierung, wie sie in früheren Netzgenerationen nicht vorkam. TDD verwendet beispielsweise ein dediziertes Frequenzband sowohl für den Downlink als auch für den Uplink. Da jede Richtung in bestimmten Zeitschlitzen senden muss, ist die Synchronisierung der Frequenz und der Phase zwischen der Benutzerausrüstung und dem Funkgerät von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass Downlink und Uplink sich nicht gegenseitig stören. Der Einsatz von vielen weiteren kleinen Zellen kann ebenfalls zu großen Zeitproblemen führen. Wenn sie sich nicht auf dieselbe Zeitreferenz beziehen, können sie sich gegenseitig stören und die HF-Leistung beeinträchtigen. Ein Timing-Problem an einem Zellstandort-Router kann sich auf viele Funkgeräte auswirken. Timing-Probleme können wiederum zu Fehlern beim Handover, zur Verfälschung der übertragenen Daten, zu schlechtem Durchsatz und verminderter Sprachqualität führen - und damit die Leistung von 5G-Netzwerken beeinträchtigen. Wenn Sie mehr erfahren möchten, sehen Sie sich unser Webinar an: Warum Timing und Synchronisierung in 5G-Netzwerken entscheidend sind.
Wann müssen wir die Genauigkeit der Zeitmessung überprüfen?
Schauen wir uns einige Szenarien an:
Während der Einführungs- und Aufbauphase von 5G-Funk- und Kleinzellen müssen die Betreiber vom ersten Tag an sicherstellen, dass die Zeitmessung genau und zuverlässig ist, um zu gewährleisten, dass die Netze für zukünftige Erweiterungen bereit sind. Während der Wartungs- und Fehlerbehebungsphasen müssen die Betreiber so viele Variablen wie möglich ausschließen und die Grundursache von Problemen schnell ermitteln. Wenn ein Problem mit der Zeitmessung vermutet wird oder ein Problem mit der HF-Leistung untersucht wird, muss zunächst sichergestellt werden, dass die Zeitmessung genau ist, bevor andere Elemente des Netzes getestet werden.
Was sind die Anforderungen an die Netzwerksynchronisation und worauf ist zu achten?
Es gibt mehrere Möglichkeiten, um sicherzustellen, dass alle Netzelemente in Frequenz und Phase miteinander synchronisiert sind. Die erste Option ist ein GNSS-Empfänger an jedem Zellenstandort, was bis vor kurzem in einigen Regionen wie den USA die bevorzugte Methode war. Die zweite Option, die seit der Einführung von 5G an Popularität gewinnt, ist 1588 PTP (Precision Time Protocol). In seiner grundlegendsten Erklärung verwendet 1588 PTP IP/Ethernet Switching/Routing, um hochpräzise Zeitinformationen an jedes Element im Netzwerk zu verteilen, das synchronisiert werden muss.
Der Zeitfehler (Time Error, TE) ist eine der wichtigsten Metriken zur Messung der Ungenauigkeit der Uhr. Es handelt sich um die Zeitdifferenz zwischen der Zeit der zu prüfenden Uhr T(t) und der Zeit, die von einer hochwertigen Referenzuhr Tref(t) vorgegeben wird. Liegt die zu prüfende Uhr vor der Referenzuhr, wird ein positiver TE gemessen. Liegt der zu prüfende Takt hinter dem Referenztakt zurück, so ist der TE negativ. Das Ziel der Timing-Genauigkeit besteht darin, eine TE-Messung zu erreichen, die so nahe wie möglich bei 0 liegt.
Das 1588 PTP-Protokoll wurde speziell entwickelt, um ein Höchstmaß an Zeitgenauigkeit zu gewährleisten. Die Funktionsweise von 1588 PTP beruht auf dem Austausch von Synchronisationspaketen zwischen einem Grand Master und dem PTP-Client. Diese Synchronisationspakete enthalten Zeitstempel, die zur Berechnung und Korrektur der Zeit zwischen dem Master und dem Client verwendet werden. Zunächst sendet der Master eine Synchronisationsnachricht mit einem Zeitstempel (t1) an den Client. Der Client empfängt dann diese Nachricht und erzeugt einen zweiten Zeitstempel (t2). Anschließend sendet der Client eine Verzögerungsanforderung und erstellt einen weiteren Zeitstempel (t3). Der Master antwortet mit einer Verzögerungsantwort und sendet einen letzten Zeitstempel (t4). Am Ende dieses Austauschs verfügt der Client über alle Zeitstempel und kann die Verzögerung berechnen und den Zeitfehler in Bezug auf den Master korrigieren. Dieser Korrekturmechanismus läuft ständig und korrigiert die Zeit auf der Client-Seite viele Male pro Sekunde.
Ein weiterer Ansatz für die Netzwerksynchronisierung ist Synchronous Ethernet (SyncE), ein ITU-T-Standard, der die Übertragung von Frequenzinformationen von einem Knoten zu einem anderen über die physikalische Schicht des Ethernets und die Rückverfolgung zu einer Referenzuhr ermöglicht - auf die gleiche Weise, wie die Zeit in SONET weitergegeben wird. Mit der Einführung von 5G-Netzwerken wird SyncE die vielen Anwendungen unterstützen, die eine genaue Frequenzsynchronisation erfordern, und kann in Kombination mit 1588 PTP verwendet werden.
Die Validierung des Timings und der Synchronisierung eines Netzwerks kann eine Herausforderung darstellen, da bei der Identifizierung der potenziellen Ursache von Timing-Problemen mehrere Variablen zu berücksichtigen sind. Hinzu kommt, dass ein Timing-Problem an einem Mobilfunk-Router viele Funkgeräte betreffen kann, was die Problembehebung noch komplexer macht.
Einige Faktoren können den Zeitfehler in einem Netzwerk erhöhen oder dazu führen, dass das 1588-Protokoll nicht korrekt funktioniert, z. B. Geräteausfälle, Konfigurationsprobleme, Pfadumleitungen durch einen Router sowie Ausfall- und Schutzumschaltungen.
Testen von Timing und Synchronisation in 5G-Netzwerken
Bei der Bereitstellung oder Fehlerbehebung von neuen 5G-Zellstandorten und -Funkgeräten gibt es Testtools, mit denen schnell und einfach beurteilt werden kann, ob SyncE- und 1588-PTP-Dienste aktiv sind, die Taktqualität und SyncE-Frequenz im gesamten Netzwerk validiert und die Zeitgenauigkeit durch Messung des Zeitfehlers zwischen der Basisstation und der Grandmaster-Uhr bestätigt werden kann.
Traditionell beruhen Testlösungen für Zeitfehler auf kostspieligen und empfindlichen Rubidium-Oszillatoren, die mehr als drei Stunden lang aufgewärmt" und diszipliniert" werden müssen, um ein Höchstmaß an Genauigkeit zu erreichen. Folglich verbringen die Zellentechniker fast einen halben Tag mit der Validierung der Zeitgenauigkeit an nur einem Standort, was den Prozess ineffizient macht.
EXFO hat einen anderen Ansatz eingeführt, der den gesamten Testprozess beschleunigt. Durch die Integration eines hochpräzisen GNSS-Empfängers der nächsten Generation mit mehreren Konstellationen, der speziell für 5G entwickelt wurde, kann die Lösung von EXFO eine Genauigkeit im Nanosekundenbereich in weniger als 20 Minuten erreichen. Das ist 90 % schneller als jede andere Timing-Testlösung in der Branche. Darüber hinaus umfasst die Lösung einen Stratum 3E-Ofen-gesteuerten Quarzoszillator (OCXO), um Holdover-Messungen für Szenarien zu ermöglichen, in denen die Sicht zum Himmel für den GNSS-Empfänger nicht möglich ist. Diese Genauigkeit in einer so kurzen Vorbereitungszeit ist ein echter Fortschritt für die Zeitfehlermessung im Feld.
Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Möglichkeit, Zeitfehler direkt über die Glasfaserschnittstelle zu messen. Die Testlösung von EXFO fungiert als PTP-Client und tauscht PTP-Nachrichten und Zeitstempel mit der Boundary Clock aus. Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass ein beliebig langes Glasfaserkabel zwischen dem zu prüfenden Gerät und dem Prüfgerät verwendet werden kann. Dies ermöglicht es dem Benutzer, das Prüfgerät vom Mobilfunk-Router zu entfernen, eine längere Faser zu verwenden und den besten Standort für die Sicht auf den Himmel zu gewährleisten. Wenn der Mobilfunk-Router in einem C-RAN-Hub zentralisiert ist, ist es sogar möglich, den Zeitfehler am Funkstandort direkt an der Glasfaserschnittstelle zu messen, die dieses Funkgerät verbindet. Auf diese Weise lässt sich am einfachsten und effizientesten überprüfen, ob das Timing stimmt und die strengen 5G-Timing-Anforderungen vom ersten Tag an erfüllt werden.
Fazit
Wie bereits erwähnt, erfordert 5G eine engere Synchronisierung in Frequenz und Phase, um die strengen Anforderungen an die Timing-Genauigkeit und fortschrittliche Technologien zu unterstützen. Allerdings befinden wir uns derzeit noch in der Anfangsphase der 5G-Implementierung mit überwiegend nicht eigenständigen Architekturen, die teilweise auf der bestehenden 4G-LTE-Infrastruktur aufbauen. Aber mit dem Übergang von 5G zu Standalone - und, was noch wichtiger ist, mit dem Einsatz von mehr Funkgeräten und kleinen Zellen, die viel mehr angeschlossene Nutzer versorgen - werden die Auswirkungen von Timing-Problemen viel größer sein als bei den Netzen der vorherigen Generation. Ein genaues Timing und eine exakte Synchronisierung werden für die erfolgreiche Umsetzung von 5G unerlässlich sein.
Die Netzwerksynchronisierung ist ein umfassendes Thema, und wir haben hier nur einige Schlüsselkonzepte behandelt. Wenn Sie mehr über die neueste Timing- und Synchronisationstestlösung von EXFO erfahren möchten, klicken Sie auf die Schaltfläche "Mehr erfahren".
Antwort hinterlassen