¿Qué son la temporización y la sincronización de la tecnología 5G?

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La temporización y la sincronización son requisitos importantes e interrelacionados para el rendimiento de la red inalámbrica 5G. La temporización se basa en el establecimiento de un valor estandarizado y preciso que se debe distribuir por la red inalámbrica. El concepto de sincronización, estrechamente relacionado, hace referencia a la cadencia precisa de las actividades de red que solo se pueden completar correctamente con esta referencia temporal común.

Los requisitos precisos de temporización y sincronización para las redes 5G giran en torno a velocidades mucho más rápidas, una latencia inferior y una mayor densificación de estaciones base. Los estándares de temporización y sincronización de las redes inalámbricas evitan que los mensajes interfieran entre sí y permiten transferencias fluidas de celda a celda. El cambio a las tecnologías de transporte basado en paquetes y duplexación por división en el tiempo (TDD) también exige precisión y versatilidad por parte de las soluciones de pruebas de temporización y sincronización.

La importancia de la temporización y la sincronización 

La temporización basada en las constelaciones del sistema global de navegación por satélite (GNSS), incluida la fuente de temporización del sistema de posicionamiento global (GPS) al servicio de Estados Unidos, desempeña un papel primordial en el funcionamiento de las redes inalámbricas. Sin acceso a este estándar temporal sistemático y preciso, la utilización eficaz del espectro y la prestación de servicios inalámbricos de alto ancho de banda y alta velocidad no serían posibles. 

• La tecnología de sincronización es fundamental para todas las redes de comunicación inalámbrica, incluidas las redes 5G. La duplexación, la multiplexación y las estrategias basadas en paquetes dependen todas ellas en gran medida de referencias de temporización para coordinar la transmisión de datos, evitar interferencias, reducir las tasas de error, y compensar cualquier desplazamiento de fase o frecuencia.  
  • La sincronización de frecuencia hace referencia a un estado en el que las frecuencias (intervalos repetitivos) de distintos relojes del sistema están alineadas, pero la fase y la hora no.  
  • La sincronización de fase se consigue cuando los relojes están alineados con respecto a la frecuencia, así como a la fase, pero carecen de un origen temporal común.  
  • La sincronización de hora hace referencia a un estado en el que la frecuencia y la fase están sincronizadas y los relojes tienen también un origen temporal común, como la hora universal coordinada (UTC).  
• La desagregación de las redes RAN 5G ha dividido las unidades de banda base (BBU) en unidades centralizadas (CU) y unidades distribuidas (DU) configuradas de una manera más flexible. Para cumplir los requisitos de los casos prácticos de la tecnología 5G, se debe controlar de forma estricta la temporización absoluta y relativa entre estos elementos. La sincronización de la red fronthaul permite a la red RAN funcionar correctamente, con independencia de la distancia entre la CU y la DU.  

La telecomunicación por duplexación se define como una transmisión bidireccional en un canal de comunicación. La duplexación por división en el tiempo (TDD) consigue esto asignando distintos intervalos de tiempo para las señales de enlace ascendente y enlace descendente en la misma frecuencia. Este ingenioso método permite una comunicación de dúplex completo (simultánea) en un enlace de medio dúplex (en serie-binario).  

• La tecnología inalámbrica de duplexación por división en el tiempo es una tecnología fundamental para las implementaciones de redes 5G en el mundo. La eficiencia espectral se mejora cuando las señales de enlace ascendente y enlace descendente operan en la misma frecuencia con solo un breve período de protección entre las transmisiones. Los enlaces de comunicación dúplex requieren una temporización y una sincronización precisas para evitar las interferencias dentro de las celdas y entre las celdas. La TDD requiere que la frecuencia y la fase estén sincronizadas.  
• El formato de intervalos de la TDD para la tecnología 5G descompone los datos en series de tramas radioeléctricas de 10 ms, cada una de las cuales contiene diez subtramas de 1 ms. Las 56 configuraciones de tramas e intervalos disponibles incluidas en la edición 15.3 del estándar 3GPP TS 38.213 contemplan una amplia diversidad de patrones de tráfico y casos prácticos de la tecnología 5G.  
• La variación de los intervalos temporales de la TDD de la tecnología 5G puede derivar en interferencias entre enlaces. Algunos formatos tienen los mismos intervalos de tiempo de enlace ascendente y enlace descendente, mientras que otros están menos equilibrados. Para evitar interferencias, las estructuras de tramas e intervalos tienen que sincronizarse entre las redes adyacentes.  

Dos redes con un formato de intervalos no sincronizado

• La duplexación por división de frecuencia (FDD) es un método de telecomunicación de dúplex completo que antecede a la TDD, y requiere dos bandas de frecuencias de transmisión y recepción independientes. Cualquier debate entre la FDD y la TDD en la tecnología 5G suele pasar por la parte mayor del espectro dedicada a la tecnología FDD.  
• También se requieren bandas de protección entre los canales de envío y recepción de FDD para minimizar las interferencias. Aunque la FDD es menos exigente con respecto a los requisitos de temporización y sincronización, la compatibilidad con la tecnología MIMO, la conformación de haces y el espectro de banda C son factores adicionales en favor de la TDD frente a la FDD en la tecnología 5G. 

El protocolo de tiempo de precisión (PTP) definido por el estándar IEEE 1588 establece un método para la sincronización precisa de los relojes en un rango por debajo de la micra para las redes basadas en paquetes. Esto incluye las redes de midhaul y fronthaul 5G basadas en Ethernet. La versión 2 del PTP (1588v2), que se publicó en 2008, y una revisión adicional compatible con las versiones anteriores completada en 2019, ofrecían mejoras de precisión, exactitud y claridad del protocolo.  

• La infraestructura PTP incluye un reloj principal sincronizado directamente con un origen de satélite GNSS. El tiempo absoluto se basa en el sistema UTC. Esta información se comparte en la red mediante relojes delimitadores y relojes secundarios. Los relojes secundarios no hacen las veces de fuentes de sincronización para otros relojes. Cuando todas las unidades de radio de las redes 5G están sincronizadas con una hora y una fase común, el programador puede minimizar las interferencias.  
• Un reloj delimitador empleado para el PTP puede actuar como reloj tanto principal como secundario. Una vez que recibe un mensaje de temporización del reloj principal original, se puede ajustar para el retardo y enviar una nueva señal temporal principal a otros relojes de la red.  
• El protocolo PTP sobre Ethernet está sustituyendo al GNSS como la fuente de temporización principal de la red fronthaul 5G. Aunque Ethernet no es síncrona automáticamente, los datos de temporización y frecuencia se pueden distribuir sobre una capa de Ethernet con el PTP y el Ethernet síncrono (SyncE).  

Cuando los nodos de las redes 5G no están sincronizados, las señales recibidas no se pueden demodular correctamente. Esto puede dar lugar a tasas de errores de bit (BER) altas, retardos y fluctuaciones que afectarían a la experiencia del cliente. Para abordar este problema, diversos organismos de estandarización, incluidos el proyecto 3GPP e ITU-T, han establecido requisitos de sincronización. 

• La definición de la sincronización y los procedimientos varían en función del sistema de comunicación. Los requisitos de precisión de la temporización y la portadora son más exigentes para la TDD frente a la FDD en las redes 5G. En cada caso práctico, el tipo de sincronización, los requisitos y las consecuencias del incumplimiento para el rendimiento también varían sustancialmente.  
• El error de tiempo (TE) se define como la diferencia temporal entre dos relojes de nodo cualesquiera. El error de tiempo absoluto entre la referencia temporal principal y cualquier nodo se limita a tan solo 1,5 μs para la TDD de redes 5G/LTE. Esto incluye un error de tiempo absoluto de 1,1 μs en el backhaul más 0,4 μs para el resto del enlace de la salida del fronthaul al puerto de la antena de la radio.  

Desafíos de la temporización y la sincronización de las redes 5G  

La desagregación de las redes RAN, la TDD y la adopción de la tecnología MIMO, la conformación de haces y la tecnología de onda milimétrica han permitido que se despliegue todo el potencial de la tecnología 5G inalámbrica. Estos avances se han combinado también para impulsar los requisitos de temporización y sincronización para la tecnología 5G a niveles sin precedentes. Las aplicaciones en tiempo real como los vehículos autónomos y el IoT están cambiando en cuanto a la temporización y la sincronización en las redes basadas en paquetes.

• Las interferencias entre celdas pueden ser un producto derivado no deseado de la duplexación por división en el tiempo inalámbrica en la tecnología 5G. Se debe establecer una estructura de tramas compatible entre las redes coubicadas con asignaciones de frecuencias adyacentes.  

• Las portadoras que emplean la TDD deben tener un período de protección entre las transmisiones del enlace ascendente y el enlace descendente. La señal del enlace descendente puede filtrarse en canales adyacentes mediante la TDD, y las bandas de protección LTE de FDD ya no están implementadas para reducir los efectos.   

• La calidad de la señal GNSS adquirida por la antena de satélite debe ser altamente confiable para responder a los requisitos de la tecnología 5G. La verificación de la intensidad de la señal GNSS de varias ubicaciones y la validación completa de la antena pueden minimizar los posibles problemas de interferencias.  

• Los requisitos de una temporización y una sincronización precisas de las estaciones base 5G han hecho que la más mínima variación sea intolerable. Mientras que las redes 3G y 4G solo necesitaban una línea de emplazamiento de satélite para la sincronización, las redes 5G requieren un reloj en cuatro o más posiciones para minimizar los efectos de la ubicación del satélite. 

  

  
  Sincronización basada en GPS

¿Qué podemos someter a pruebas?  

Por suerte, estos requisitos de temporización y sincronización tan sumamente exigentes se pueden verificar de forma precisa y confiable con el sólido conjunto de soluciones para pruebas de VIAVI. Con un enfoque de validación proactivo, se pueden evitar caídas de tramas problemáticas, interferencias y problemas de traspaso.  

• Se pueden llevar a cabo pruebas de PTP para garantizar que todos los relojes de red estén correctamente alineados con el reloj principal y que se respeten los límites de perfiles de frecuencias PTP, como el porcentaje de paquetes base. También se pueden establecer perfiles de hora y fase de conformidad con los límites de error de tiempo (TE). Los sistemas MTS-5800 y OneAdvisor 800 Red Inalámbrica de VIAVI facilitan las pruebas de error de tiempo y conectividad al emular extremos PTP descendentes desde un reloj principal.  

  Las pruebas de formato de trama de la tecnología 5G NR comprueban el cumplimiento normativo con los formatos de intervalos y tramas acordados. Las pruebas por radio con el sistema OneAdvisor 800 Red Inalámbrica se pueden utilizar a fin de validar el formato de las tramas de TDD para varios operadores de redes adyacentes. Las interferencias entre celdas causadas por la tecnología inalámbrica de duplexación por división en el tiempo se pueden evitar.  

  
• Las pruebas de GNSS también se pueden llevar a cabo con el sistema MTS-5800 para establecer la idoneidad de la ubicación de la antena GNSS durante y después de la instalación. El número de satélites visibles, las intensidades de sus señales y la diversidad de las posiciones de los satélites en sectores y líneas de emplazamiento se pueden evaluar con una sola interfaz muy intuitiva. 

La desagregación de las redes RAN, la TDD y la adopción de la tecnología MIMO, la conformación de haces y la tecnología de onda milimétrica han permitido que se despliegue todo el potencial de la tecnología 5G inalámbrica. Estos avances se han combinado también para impulsar los requisitos de temporización y sincronización para la tecnología 5G a niveles sin precedentes. Las aplicaciones en tiempo real como los vehículos autónomos y el IoT están cambiando en cuanto a la temporización y la sincronización en las redes basadas en paquetes.

• Las interferencias entre celdas pueden ser un producto derivado no deseado de la duplexación por división en el tiempo inalámbrica en la tecnología 5G. Se debe establecer una estructura de tramas compatible entre las redes coubicadas con asignaciones de frecuencias adyacentes.  

• Las portadoras que emplean la TDD deben tener un período de protección entre las transmisiones del enlace ascendente y el enlace descendente. La señal del enlace descendente puede filtrarse en canales adyacentes mediante la TDD, y las bandas de protección LTE de FDD ya no están implementadas para reducir los efectos.   

• La calidad de la señal GNSS adquirida por la antena de satélite debe ser altamente confiable para responder a los requisitos de la tecnología 5G. La verificación de la intensidad de la señal GNSS de varias ubicaciones y la validación completa de la antena pueden minimizar los posibles problemas de interferencias.  

• Los requisitos de una temporización y una sincronización precisas de las estaciones base 5G han hecho que la más mínima variación sea intolerable. Mientras que las redes 3G y 4G solo necesitaban una línea de emplazamiento de satélite para la sincronización, las redes 5G requieren un reloj en cuatro o más posiciones para minimizar los efectos de la ubicación del satélite. 

  

  
  Sincronización basada en GPS