Was ist Zeitsynchronisation im 5G-Mobilfunknetz?

Zum Vergrößern anklicken

Die korrekte Zeitsynchronisation ist eine wichtige Voraussetzung zur Sicherung der Leistung in 5G-Mobilfunknetzen.Die verwendete Zeit basiert auf einem präzisen und standardisierten Zeitsignal, das im gesamten Mobilfunknetz zur Verfügung gestellt werden muss.Mit Synchronisation wird die zeitliche Abstimmung von Abläufen im Netz bezeichnet, die wiederum nur auf Grundlage einer gemeinsamen Zeitreferenz möglich ist.

Die hohen Anforderungen, die an die Zeitsynchronisation in 5G-Mobilfunknetzen gestellt werden, sind auf die viel höheren Datenraten, die geringere Latenz und die höhere Zellverdichtung zurückzuführen. Die Standards zur Zeitsynchronisation in Mobilfunknetzen stellen sicher, dass die übertragenen Nachrichten sich nicht gegenseitig stören, also Interferenzen vermieden werden, und ermöglichen ein reibungsloses Weiterreichen (Handover) zwischen den Mobilfunkzellen. Auch erfordert der Übergang zur paketbasierten Transport-Technologie und zum Zeitduplex-Verfahren (Time Division Duplex, TDD) von den eingesetzten Testlösungen eine ebenso hohe Präzision und Vielseitigkeit.

Die Bedeutung der Zeitsynchronisation 

Die auf einem globalen Navigationssatellitensystem (GNSS), wie dem in den USA als Taktquelle verwendeten Global Positioning System (GPS), basierenden Zeitsignale spielen eine kritische Rolle für den sicheren Betrieb von Mobilfunknetzen. Ohne diese stabile und präzise Zeitreferenz wäre es nicht möglich, das Frequenzspektrum effizient zu nutzen und Mobilfunkdienste mit hoher Geschwindigkeit und großer Bandbreite zu übertragen. 

• Die Synchronisation ist für die gesamte Mobilfunkkommunikation, einschließlich für 5G-Netze, unverzichtbar. Duplexing und Multiplexing sowie paketbasierte Übertragungsverfahren sind von exakten Zeitreferenzen abhängig, um die Datenübertragung zu koordinieren, Interferenzen zu verhindern, Fehlerraten zu senken sowie Frequenz- und Phasenverschiebungen zu kompensieren. 
  • Bei der Frequenzsynchronisation werden die Frequenzen (periodische Wiederholungen) unterschiedlicher Systemuhren abgeglichen, nicht jedoch Phase und Zeit. 
  • Für die Phasensynchronisation werden die Uhren nach Frequenz und Phase abgeglichen, wobei allerdings keine gemeinsame Zeitbasis vorhanden ist.  
  • Bei der Zeitsynchronisation sind die Uhren in Bezug zur Frequenz und Phase abgeglichen und besitzen zudem eine gemeinsame Zeitbasis, wie die koordinierte Weltzeit (UTC). 
• Die 5G-RAN-Disaggregation hat die traditionelle Basisband-Einheit (Baseband Unit, BBU) in eine flexiblere zentrale Einheit (Centralized Unit, CU) und in eine verteilte Einheit (Distributed Unit, DU) aufgeteilt („disaggregiert“). Zwischen diesen Komponenten muss eine hochgenaue absolute und relative Zeitsynchronisation gewährleistet sein, um den hohen Anforderungen der 5G-Anwendungsfälle gerecht zu werden. Die Synchronisation des Fronthaul-Netzes ermöglicht unabhängig von der physischen Entfernung zwischen CU und DU die korrekte Funktion des Funkzugangsnetzes (RAN).  

„Duplex“ bedeutet in der Telekommunikation, dass eine Übertragung in zwei Richtungen über einen Kommunikationskanal erfolgt. Beim Zeitduplex (Time Division Duplex, TDD) werden die Uplink- und Downlink-Signale zwar über die gleiche Frequenz, jedoch in verschiedenen Zeitschlitzen (Time Slot), also zeitlich voneinander getrennt, übertragen. Diese geniale Methode erlaubt, über eine (seriell-binäre) Halbduplex-Strecke eine (simultane) Vollduplex-Kommunikation zu übertragen.  

• TDD Wireless ist eine grundlegende Technologie, um weltweit 5G-Mobilfunknetze bereitzustellen. TDD Wireless verbessert die spektrale Effizienz, da die Signale im Uplink (UL) und Downlink (DL) über das gleiche Frequenzspektrum übertragen werden und sie nur durch eine kurze Schutzzeit getrennt sind. Duplex-Kommunikationsstrecken sind auf eine präzise Zeitsynchronisation angewiesen, um Störungen in und zwischen den Basisstationen zu vermeiden. Das Zeitduplexverfahren erfordert sowohl die Phasen- als auch die Frequenzsynchronisation.  
• Das TDD-Slot-Format für 5G unterteilt den Datenstrom in mehrere 10 ms große Rahmen (Frames), die wiederum jeweils zehn 1 ms große Unterrahmen (Sub-Frames) enthalten. Die 56 verfügbaren Frame- und Slot-Konfigurationen, die in Release 15.3 der technischen Spezifikation 3GPP TS 38.213 vorgesehen sind, unterstützen eine breite Palette von Anwendungsfällen und Verkehrsmustern für 5G.  
• Schwankungen in den 5G TDD-Slots können zu Störungen zwischen den Basisstationen führen (Cross-Link-Interferenzen). Manche Formate besitzen identische Uplink- und Downlink-Zeiten, während andere Formate weniger ausgeglichen sind. Um Störungen zu verhindern, müssen die Frame- und Slot-Strukturen auch mit benachbarten Netzen synchronisiert werden.  

Zwei Netze mit einem nicht synchronisierten Slot-Format

• Frequenzduplex (Frequency Division Duplex, FDD) ist ein Vollduplex-Verfahren in der Telekommunikation, das älter ist als TDD und getrennte Frequenzbänder zum Senden und Empfangen benötigt. Beim Vergleich von TDD mit FDD für 5G wird für gewöhnlich darauf hingewiesen, dass das FDD-Verfahren ein größeres Spektrum belegt.  
• Auch wird beim FDD zwischen den Sende- und Empfangskanälen ein Schutzband benötigt, um Interferenzen weitestgehend zu vermeiden. Obgleich FDD geringere Anforderungen an die Zeitsynchronisation stellt, wird das TDD-Verfahren aufgrund der besseren Unterstützung von MIMO, Beamforming und des C-Band-Spektrums für 5G bevorzugt. 

Das von der Norm IEEE 1588 definierte Precision Time Protocol (PTP) ist ein Protokoll zur präzisen, auf wenige Mikrosekunden genauen Synchronisation der Uhren in paketbasierten Netzwerken. Dazu gehören auch Ethernet-basierte Midhaul- und Fronthaul-Netze für 5G. Die 2008 veröffentlichte PTP Version 2 (1588v2) sowie eine zusätzliche abwärtskompatible Ausführung, die 2019 spezifiziert wurde, haben die Genauigkeit und die Übersichtlichkeit des Protokolls weiter verbessert.  

• Die PTP-Infrastruktur umfasst eine primäre Uhr (Primary Clock), die direkt mit einer GNSS-Satellitenquelle synchronisiert ist. Die absolute Zeit basiert auf der koordinierten Weltzeit (UTC). Dieses Zeitsignal wird über Uhren, die Zeitinformation über eine Netzwerkgrenze hinweg transportieren (Boundary Clocks, BC) sowie über sekundäre Uhren (Secondary Clock) im gesamten Netzwerk verteilt. Sekundäre Uhren werden von anderen Uhren nicht als Taktquelle genutzt. Wenn alle Funkeinheiten im 5G-Netz auf eine gemeinsame Zeit und Phasen synchronisiert sind, kann der Scheduler als Planungsfunktion dafür sorgen, dass potenzielle Interferenzen weitestgehend vermieden werden.  
• Eine Boundary Clock (BC), die für das PTP-Protokoll verwendet wird, kann sowohl als primäre als auch als sekundäre Uhr genutzt werden. Nach dem Empfang einer Zeitinformation von der ursprünglichen primären Uhr kann die BC eventuelle Verzögerungen kompensieren und ein neues primäres Zeitsignal an die anderen Uhren im Netz übertragen.  
• PTP über Ethernet ist zurzeit dabei, das GNSS als Haupttaktquelle des 5G-Fronthaul-Netzes zu ersetzen. Obgleich Ethernet nicht automatisch synchron ist, können die Zeit- und Frequenzsignale mit Hilfe des PTP-Protokolls und von Synchronous Ethernet (SyncE) über eine Ethernet-Schicht übertragen werden.  

Wenn 5G-Netzknoten (Nodes) nicht synchronisiert sind, ist es auch nicht möglich, die empfangenen Signale korrekt zu demodulieren. Das kann zu höheren Bitfehlerraten (BER), längeren Laufzeiten und zu Jitter führen, die das Kundenerlebnis beeinträchtigen. Aus diesem Grund haben verschiedene Standardisierungsgremien, darunter das 3GPP-Projekt und die ITU-T, besondere Synchronisationsanforderungen formuliert. 

• Die Definition und Verfahren der Synchronisation sind jedoch vom verwendeten Kommunikationssystem abhängig. TDD stellt in 5G-Netzen höhere Anforderungen an die Träger und an die Zeitgenauigkeit als FDD. Für jeden Anwendungsfall sind auch der Typ und die Anforderungen der Synchronisation sowie die Auswirkung von Synchronisationsfehlern auf die Leistung unterschiedlich.  
• Der Time Error (TE) ist ein Zeitfehler, der als Zeitdifferenz zwischen zwei auf Netzknoten verteilten Uhren auftritt. Für LTE-/5G-TDD ist der absolute Zeitfehler zwischen einer primären Zeitreferenz und einem beliebigen Netzknoten auf nur 1,5 μs begrenzt. Dieser Wert umfasst einen absoluten Zeitfehler von 1,1 μs im Backhaul plus 0,4 μs für die restliche Strecke vom Backhaul-Ausgang bis zum Antennenanschluss.  

Die Herausforderungen der Zeitsynchronisation in 5G-Netzen

Die RAN-Disaggregation, TDD sowie die Einführung von MIMO, Beamforming und der Millimeterwellen-Technologie (mmWave) ermöglichen, das Leistungspotenzial der fünften Mobilfunkgeneration (5G) in vollem Umfang auszuschöpfen. Allerdings setzen diese Innovationen in ihrer Gesamtheit auch völlig neue Maßstäbe für die Zeitsynchronisation in 5G-Netzen. Echtzeit-Anwendungen, wie autonomes Fahren und das Internet der Dinge (IoT), stellen neue Synchronisationsanforderungen in Paketnetzen. 

• Interferenzen zwischen den Basisstationen können eine unerwünschte Begleiterscheinung des Zeitduplex-Verfahrens in 5G-Mobilfunknetzen (TDD Wireless) sein. Hier muss zwischen gemeinsam genutzten Basisstationen die Rahmenstruktur unter Berücksichtigung benachbarter Frequenzbereiche abgestimmt werden.  

• TDD-Träger müssen zwischen den Uplink- und Downlink-Übertragungen eine Schutzzeit besitzen. Das liegt daran, dass das DL-Signal benachbarte TDD-Kanäle stören kann und es kein Schutzband, wie bei LTE FDD, mehr gibt, das die Auswirkungen mindern könnte. 

• Die Qualität des GNSS-Signals, das von der Satellitenantenne empfangen wird, muss äußerst stabil sein, um den Anforderungen von 5G gerecht zu werden. Durch die Überprüfung der GNSS-Signalstärke an mehreren Standorten sowie eine lückenlose Validierung der Antenne ist es möglich, potenzielle Interferenzen weitestgehend zu vermeiden.  

• Die präzisen Anforderungen an die Zeitsynchronisation, die an 5G-Basisstationen gestellt werden, führen dazu, dass selbst kleinste Abweichungen nicht mehr zulässig sind. Während 3G- und 4G-Netze für die Synchronisation eine Sichtlinie (LOS) zu einem einzigen Satelliten benötigten, muss 5G die Signale von vier und mehr Satelliten verarbeiten, um die Auswirkungen der unterschiedlichen Positionen zu verringern. 

  

  
  GPS-basierte Synchronisation

Was kann VIAVI testen?  

Glücklicherweise lässt sich die äußerst anspruchsvolle Zeitsynchronisation mit den leistungsstarken Testlösungen von VIAVI exakt und zuverlässig überprüfen. Probleme, wie verworfene Rahmen, Interferenzen und Störungen beim Handover, können durch proaktive Tests effektiv vermieden werden.  

• PTP-Tests stellen sicher, dass alle Uhren im Mobilfunknetz mit der primären Uhr synchronisiert sind und die Grenzwerte des PTP-Frequenzprofils, wie das Floor Packet Percentile (FPP), eingehalten werden. Weiterhin kann kontrolliert werden, ob das Zeit- und Phasenprofil die Zeitfehler-Grenzwerte einhält. Die Tester MTS-5800 und OneAdvisor 800 Wireless von VIAVI emulieren die PTP-Endpunkte hinter einer primären Uhr, um mühelos Zeitfehler (TE) und die Verbindung zu testen.  

  Die Überprüfung des 5G-NR-Frame-Formats erlaubt, die Einhaltung der vereinbarten Slot- und Rahmenformate nachzuweisen. Tests über die Luftschnittstelle (OTA) mit dem OneAdvisor 800 Wireless ermöglichen, das TDD-Rahmenformat für mehrere Netzbetreiber in benachbarten Netzen zu kontrollieren. So kann die durch TDD Wireless verursachte Interferenz zwischen Basisstationen vermieden werden.  

  
• GNSS-Tests sind ebenfalls mit dem MTS-5800 möglich, um die optimale Position der GNSS-Antenne bei der Installation und auch danach zu kontrollieren. Die Anzahl der sichtbaren Satelliten, deren Signalstärken und die Verteilung der Satellitenpositionen über die Sektoren und Sichtlinien hinweg können auf einer übersichtlichen und intuitiven Benutzeroberfläche dargestellt und bewertet werden. 

Die RAN-Disaggregation, TDD sowie die Einführung von MIMO, Beamforming und der Millimeterwellen-Technologie (mmWave) ermöglichen, das Leistungspotenzial der fünften Mobilfunkgeneration (5G) in vollem Umfang auszuschöpfen. Allerdings setzen diese Innovationen in ihrer Gesamtheit auch völlig neue Maßstäbe für die Zeitsynchronisation in 5G-Netzen. Echtzeit-Anwendungen, wie autonomes Fahren und das Internet der Dinge (IoT), stellen neue Synchronisationsanforderungen in Paketnetzen. 

• Interferenzen zwischen den Basisstationen können eine unerwünschte Begleiterscheinung des Zeitduplex-Verfahrens in 5G-Mobilfunknetzen (TDD Wireless) sein. Hier muss zwischen gemeinsam genutzten Basisstationen die Rahmenstruktur unter Berücksichtigung benachbarter Frequenzbereiche abgestimmt werden.  

• TDD-Träger müssen zwischen den Uplink- und Downlink-Übertragungen eine Schutzzeit besitzen. Das liegt daran, dass das DL-Signal benachbarte TDD-Kanäle stören kann und es kein Schutzband, wie bei LTE FDD, mehr gibt, das die Auswirkungen mindern könnte. 

• Die Qualität des GNSS-Signals, das von der Satellitenantenne empfangen wird, muss äußerst stabil sein, um den Anforderungen von 5G gerecht zu werden. Durch die Überprüfung der GNSS-Signalstärke an mehreren Standorten sowie eine lückenlose Validierung der Antenne ist es möglich, potenzielle Interferenzen weitestgehend zu vermeiden.  

• Die präzisen Anforderungen an die Zeitsynchronisation, die an 5G-Basisstationen gestellt werden, führen dazu, dass selbst kleinste Abweichungen nicht mehr zulässig sind. Während 3G- und 4G-Netze für die Synchronisation eine Sichtlinie (LOS) zu einem einzigen Satelliten benötigten, muss 5G die Signale von vier und mehr Satelliten verarbeiten, um die Auswirkungen der unterschiedlichen Positionen zu verringern. 

  

  
  GPS-basierte Synchronisation