Qu’est-ce que la synchronisation temps et phase de la 5G ?

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Les exigences de synchronisation temps et phase sont aussi importantes qu’interdépendantes en ce qui concerne la performance des réseaux 5G mobiles. Le délai est basé sur la détermination d’une valeur temporelle précise et normalisée qui doit être communiquée dans tout le réseau mobile. Le concept de synchronisation, qui lui est étroitement associé, fait référence à la cadence coordonnée des activités du réseau qui ne peut être obtenue que grâce à cette référence temporelle commune.

Si l’exactitude est une exigence majeure en matière de synchronisation temps et phase, cela est dû à des débits beaucoup plus rapides, des latences plus faibles et une densification accrue des antennes-relais. Les normes de synchronisation temps et phase pour les réseaux mobiles empêchent les messages d’interférer les uns avec les autres et permettent des transferts fluides de cellule à cellule. La migration vers les technologies de transport à base de paquets et de duplex par séparation temporelle (time division duplex ou TDD) nécessite également des solutions de test de synchronisation temps et phase précises et polyvalentes.

L’importance de la synchronisation temps et phase 

La synchronisation temps basée sur les constellations de systèmes de positionnement par satellites (global network satellite system, GNSS), et notamment la source de synchronisation de système de positionnement mondial (GPS) utilisée par les États-Unis, joue un rôle essentiel dans l’exploitation des réseaux mobiles. Sans accès à cette norme de temps constante et précise, une utilisation efficace du spectre et le développement de services sans fil à large bande et haut débit ne seraient pas possibles. 

• La technologie de synchronisation est essentielle pour toutes les communications mobiles, y compris pour les réseaux 5G. Les stratégies de duplexage et de multiplexage, et celles basées sur les paquets, dépendent fortement de la synchronisation temporelle pour coordonner la transmission des données, empêcher les interférences, diminuer le taux d’erreur et compenser tout décalage de fréquence ou de phase.  
  • Le concept de synchronisation de la fréquence décrit un état dans lequel les fréquences (intervalles répétés) de différentes horloges système sont alignées, mais pas leurs temps et leurs phases.  
  • La « synchronisation de la phase » est atteinte lorsque les horloges sont alignées au niveau de leurs fréquences et de leurs phases, mais qu’elles n’ont pas d’origine de temps commune.  
  • La synchronisation de temps correspond à un état de synchronisation de la phase et de la fréquence dans lequel les horloges possèdent une origine de temps commune, comme le Temps universel coordonné (UTC).   
• La désagrégation des réseaux d’accès sans fil (RAN) 5G a divisé l’unité de bande de base (UBB) en deux : une unité centralisée (UC) et une unité distribuée (UD). Une synchronisation temps absolue et relative rigoureusement contrôlée entre ces éléments est nécessaire pour répondre aux exigences d’utilisation de la 5G. La synchronisation du réseau fronthaul permet au réseau d’accès sans fil (RAN) de fonctionner correctement, quelle que soit la distance entre l’UC et l’UD.  

La télécommunication par duplex est définie comme une transmission bilatérale sur un canal de communication. Le TDD réalise cette tâche en utilisant différents créneaux de temps pour les signaux sur les voies de liaison montante et de liaison descendante à la même fréquence. Cette méthode ingénieuse permet l’utilisation d’un canal de communication en duplex intégral (simultanée) sur une liaison en semi-duplex (binaire en série).  

• La transmission sans fil TDD est une technologie fondamentale pour le déploiement de la 5G partout dans le monde. L’utilisation du spectre est plus efficace lorsque les signaux ascendants et descendants opèrent sur une même fréquence, avec un court temps de garde entre les transmissions. Les liens de communication en duplex exigent une synchronisation temps et phase précise afin d’éviter les interférences dans les cellules et entre elles. Le TDD exige que la fréquence et la phase soient synchronisées.  
• Le format de créneau TDD pour la 5G décompose les données en séries de trames radio de 10 ms, elles-mêmes composées de 10 sous-trames de 1 ms. Les 56 configurations de trames et créneaux disponibles contenues dans le communiqué n° 15.3 concernant la procédure TS 38.213 du 3GPP permettent une grande variété d’utilisations et de modèles de trafic pour la 5G.  
• Des variations dans les créneaux de temps TDD de la 5G peuvent entraîner des interférences entre les liaisons. Certains formats présentent des délais ascendants et descendants égaux, tandis que d’autres sont moins équilibrés. Pour éviter les interférences, la structure des trames et celle des créneaux doivent également être synchronisées avec les réseaux voisins.  

Deux réseaux avec des formats de créneaux asynchrones

• Le duplex à répartition en fréquence (FDD) est une méthode de télécommunication en duplex intégral qui précède le TDD et qui nécessite des bandes de fréquence de transmission et de réception distinctes. Toute comparaison entre FDD et TDD pour la 5G mentionne habituellement la plus grande portion de spectre consommée par la technologie FDD.  
• La protection des bandes est requise entre les canaux FDD de transmission et de réception afin de minimiser les interférences. Bien que la technologie FDD soit plus indulgente au niveau des exigences de synchronisation temps et phase, la compatibilité avec la technologie MIMO, le beamforming (création de faisceaux directifs) et le spectre de bande C jouent en faveur de la FDD 5G. 

Le protocole de précision temporelle (Precision Time Protocol, PTP), défini par la norme IEEE 1588, est un protocole qui établit une méthode de synchronisation des horloges précise avec un ordre de grandeur inférieur au micron pour les réseaux basés sur les paquets. Cela concerne notamment les réseaux midhaul et fronthaul 5G basés sur Ethernet. La version 2 du PTP (1588v2), sortie en 2008, et une révision rétrocompatible supplémentaire parue en 2019, ont amélioré la précision, l’exactitude et la clarté de ce protocole.  

• L’infrastructure du protocole de précision temporelle PTP inclut une horloge principale directement synchronisée avec une source satellite GNSS. Le temps absolu est basé sur l’UTC. Cette information est partagée dans tout le réseau à l’aide d’horloges de frontière et d’horloges secondaires. Ces horloges secondaires ne servent pas de sources de synchronisation pour les autres horloges. Lorsque toutes les unités radio des réseaux 5G sont synchronisées avec une référence de temps et de phase commune, le planificateur peut alors minimiser les interférences.  
• Une horloge de frontière, utilisée pour le PTP, peut faire office d’horloge principale et secondaire. Lorsqu’elle reçoit un message temporel de l’horloge principale d’origine, elle peut réajuster le délai et envoyer un nouveau signal temporel principal aux autres horloges du réseau.  
• La technologie de PTP sur Ethernet remplace le GNSS comme principale source de synchronisation du temps pour le réseau fronthaul 5G. Bien qu’Ethernet ne soit pas automatiquement synchrone, les informations de temps et de fréquence peuvent être distribuées sur une couche Ethernet à l’aide des protocoles PTP et SyncE (Ethernet synchrone).  

Lorsque les nœuds d’un réseau 5G ne sont pas synchronisés, les signaux reçus ne peuvent pas être démodulés correctement. Cela peut entraîner l’apparition d’un taux d’erreurs de bits (BER) élevé, de délais et d’une gigue qui risquent d’affecter l’expérience client. Afin d’éviter ces problèmes, des exigences en matière de synchronisation ont été établies par plusieurs organismes chargés d’élaborer des normes, notamment le 3GPP et l’ITU-T  

• La définition et les procédures associées à la synchronisation varient en fonction du système de communication. Les exigences en matière de précision des porteuses et de synchronisation sont plus strictes pour la 5G TDD que pour la 5G FDD. Pour chaque cas d’utilisation, le type de synchronisation, les exigences et l’impact d’une non-conformité sur les performances varient également.  
• Une erreur temps, ou Time Error (TE), est définie comme la différence de temps entre deux horloges nodales. Les erreurs temps absolues entre une horloge principale et un nœud sont limitées à 1,5 μs pour le LTE/la 5G TDD. Cette durée inclut 1,1 μs d’erreur temps absolue au niveau du backhaul et 0,4 μs pour le reste de la liaison, de la sortie backhaul au port d’antenne radio.  

Les défis de la synchronisation temps et phase de la 5G  

La désagrégation des réseaux d’accès sans fil (RAN), le TDD et l’adoption des technologies MIMO, de beamforming et d’ondes millimétriques ont permis d’exploiter pleinement le potentiel de communication sans fil de la 5G. Ces innovations ont également été combinées pour fortement renforcer les exigences en matière de synchronisation temps et phase de la 5G. Les applications en temps réel, comme les véhicules autonomes et l’Internet des objets (IdO), sont en train de changer la donne pour les aspects de synchronisation temps et phase des réseaux basés sur les paquets.  

• Des interférences intercellules indésirables peuvent être générées par les réseaux sans fil TDD 5G. Une structure de trame compatible entre des réseaux regroupés avec des affectations de fréquences voisines doit être établie.  

• Les porteuses utilisant le TDD doivent disposer d’un temps de garde entre les transmissions ascendantes et descendantes. Un signal descendant peut potentiellement fuiter sur des canaux voisins utilisant le TDD alors que la protection interbandes FDD/LTE n’est plus là pour diminuer l’impact.   

• La qualité du signal GNSS acquis par l’antenne satellite doit être extrêmement fiable pour répondre aux exigences de la 5G. La vérification de la puissance du signal GNSS depuis plusieurs emplacements et la validation complète de l’antenne peuvent minimiser les problèmes d’interférences potentiels.  

• Les exigences de précision de la synchronisation temps et phase des antennes-relais de 5G ont rendu les variations temporelles, même minimes, inacceptables. Alors que les réseaux 3G et 4G n’exigeaient qu’une ligne de transmission directe par satellite pour la synchronisation, les réseaux 5G requièrent un verrouillage sur quatre positions satellites ou plus pour minimiser l’impact du positionnement par satellite. 

  

  
  Synchronisation basée sur GPS

Quels tests peuvent être réalisés ?  

Heureusement, la conformité avec les exigences extrêmement rigoureuses en matière de synchronisation temps et phase peut être vérifiée de façon précise et fiable à l’aide de la puissante suite de solutions de test de VIAVI. Les problèmes de perte de trames, d’interférences et de transfert peuvent être évités par le recours à une approche de validation proactive.  

• Des tests PTP permettent de garantir que toutes les horloges du réseau sont correctement alignées sur l’horloge principale et que les limites du profil de fréquence PTP, comme le centile de paquets plancher, sont respectées. La conformité du profil de temps et de phase avec les limites d’erreurs temps peut également être établie. Les modules MTS-5800 et OneAdvisor 800 Wireless de VIAVI facilitent les tests de connectivité et la recherche d’erreurs temps en émulant des terminaux PTP en aval d’une horloge principale.  

  Les tests de format de trame 5G NR contrôlent la conformité des formats de créneau et de trame définis. Les tests par liaison radio réalisés à l’aide du OneAdvisor 800 Wireless peuvent servir à valider le format de trame TDD pour plusieurs opérateurs et sur des réseaux adjacents. Les interférences intercellules provenant de réseaux sans fil TDD peuvent être évitées.  

  
• Des tests GNSS peuvent également être réalisés à l’aide du MTS-5800 afin d’évaluer la pertinence de l’emplacement d’une antenne GPS lors de son installation et par la suite. Le nombre de satellites visibles, la puissance de leurs signaux et la diversité des positions des satellites sur plusieurs secteurs et lignes de transmission peuvent tous être évalués sur une seule interface intuitive. 

La désagrégation des réseaux d’accès sans fil (RAN), le TDD et l’adoption des technologies MIMO, de beamforming et d’ondes millimétriques ont permis d’exploiter pleinement le potentiel de communication sans fil de la 5G. Ces innovations ont également été combinées pour fortement renforcer les exigences en matière de synchronisation temps et phase de la 5G. Les applications en temps réel, comme les véhicules autonomes et l’Internet des objets (IdO), sont en train de changer la donne pour les aspects de synchronisation temps et phase des réseaux basés sur les paquets.  

• Des interférences intercellules indésirables peuvent être générées par les réseaux sans fil TDD 5G. Une structure de trame compatible entre des réseaux regroupés avec des affectations de fréquences voisines doit être établie.  

• Les porteuses utilisant le TDD doivent disposer d’un temps de garde entre les transmissions ascendantes et descendantes. Un signal descendant peut potentiellement fuiter sur des canaux voisins utilisant le TDD alors que la protection interbandes FDD/LTE n’est plus là pour diminuer l’impact.   

• La qualité du signal GNSS acquis par l’antenne satellite doit être extrêmement fiable pour répondre aux exigences de la 5G. La vérification de la puissance du signal GNSS depuis plusieurs emplacements et la validation complète de l’antenne peuvent minimiser les problèmes d’interférences potentiels.  

• Les exigences de précision de la synchronisation temps et phase des antennes-relais de 5G ont rendu les variations temporelles, même minimes, inacceptables. Alors que les réseaux 3G et 4G n’exigeaient qu’une ligne de transmission directe par satellite pour la synchronisation, les réseaux 5G requièrent un verrouillage sur quatre positions satellites ou plus pour minimiser l’impact du positionnement par satellite. 

  

  
  Synchronisation basée sur GPS