eng
Выпуск #1/2022
В.Тихвинский, Е.Девяткин, В.Белявский
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ СИХРОНИЗАЦИИ 5G: АРХИТЕКТУРА, ПРОТОКОЛЫ И АЛГОРИТМЫ
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ СИХРОНИЗАЦИИ 5G: АРХИТЕКТУРА, ПРОТОКОЛЫ И АЛГОРИТМЫ
Просмотры: 1294
DOI: 10.22184/2070-8963.2022.101.1.52.60
Развертывание сетей 5G в России ставит задачи не только выделения частотного ресурса, оптимального покрытия сетями радиодоступа, но и эффективного построения сети синхронизации, обеспечивающей устойчивую работу как опорной сети 5G Core, так и сети радиодоступа 5G NR. Помимо сети синхронизации, построенной на основе сигналов точного времени глобальных навигационных спутниковых систем и приемников сигналов ГЛОНАСС/GPS/Galileo, оператор сети 5G может также использовать сеть синхронизации, построенную на основе протокола точного времени PTP (IEEE 1588 v2) и технологии синхронного Ethernet физического уровня SyncE в качестве альтернативного варианта. Статья посвящена анализу особенностей построения сетей синхронизации 5G, а также требований, предъявляемых к таким сетям со стороны Сектора стандартизации МСЭ-Т и Партнерского проекта 3GPP.
Развертывание сетей 5G в России ставит задачи не только выделения частотного ресурса, оптимального покрытия сетями радиодоступа, но и эффективного построения сети синхронизации, обеспечивающей устойчивую работу как опорной сети 5G Core, так и сети радиодоступа 5G NR. Помимо сети синхронизации, построенной на основе сигналов точного времени глобальных навигационных спутниковых систем и приемников сигналов ГЛОНАСС/GPS/Galileo, оператор сети 5G может также использовать сеть синхронизации, построенную на основе протокола точного времени PTP (IEEE 1588 v2) и технологии синхронного Ethernet физического уровня SyncE в качестве альтернативного варианта. Статья посвящена анализу особенностей построения сетей синхронизации 5G, а также требований, предъявляемых к таким сетям со стороны Сектора стандартизации МСЭ-Т и Партнерского проекта 3GPP.
Теги: 5g synchronisation network global navigation satellite systems prtc ptp synce глобальные навигационные спутниковые системы сеть синхронизации 5g
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ СИХРОНИЗАЦИИ 5G: архитектура, протоколы и алгоритмы
В.Тихвинский, д.э.н., академик РАЕН,
проф. МВТУ им. Н.Э.Баумана и МУИТ (Казахстан),
гл. науч. сотр. ФГУП НИИР им. М.И.Кривошеева,
гл. науч. сотр. ФГУП ЦНИИС / vtniir@mail.ru,
Е.Девяткин, к.э.н., директор НТЦ ФГУП НИИР им. М.И.Кривошеева / deugene@list.ru,
В.Белявский, директор департамента ООО "Спектр" / v.belyavskiy@spectre.ru
УДК 621.391.82, DOI: 10.22184/2070-8963.2022.101.1.52.60
Развертывание сетей 5G в России ставит задачи не только выделения частотного ресурса, оптимального покрытия сетями радиодоступа, но и эффективного построения сети синхронизации, обеспечивающей устойчивую работу как опорной сети 5G Core, так и сети радиодоступа 5G NR. Помимо сети синхронизации, построенной на основе сигналов точного времени глобальных навигационных спутниковых систем и приемников сигналов ГЛОНАСС/GPS/Galileo, оператор сети 5G может также использовать сеть синхронизации, построенную на основе протокола точного времени PTP (IEEE 1588 v2) и технологии синхронного Ethernet физического уровня SyncE в качестве альтернативного варианта. Статья посвящена анализу особенностей построения сетей синхронизации 5G, а также требований, предъявляемых к таким сетям со стороны Сектора стандартизации МСЭ-Т и Партнерского проекта 3GPP.
Введение
Базовые станции (БС) сети пятого поколения с частотным разделением доступа (FDD) требуют обеспечения частотной синхронизации [1], в то время как БС с временным разделением доступа (TDD) необходимо поддерживать расширенные функции, требующие еще и временной синхронизации. При развертывании сети 5G на местности каждая базовая станция gNB обычно оснащается системой синхронизации с использованием приемников GPS/ГЛОНАСС глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Частоты и время могут быть синхронизированы с помощью сигналов GPS/ГЛОНАСС путем привязки к системе точного времени сети ГНСС.
В случае сбоя сигналов синхронизации от приемников GPS/ГЛОНАСС сети ГНСС базовые станции могут обеспечить частотную синхронизацию через сеть синхронизации протокола точного времени РТР (IEEE 1588 v2) [2] или технологии синхронного Ethernet физического уровня SyncE (Synchronous Ethernet) [3] и временную синхронизацию на основе протокола точного времени РТР плюс технологии SyncE. Стандарт синхронизации часов (тактовых генераторов) протокола точного времени РТР (IEEE 1588 v2) позволяет синхронизировать все системные часы в сети мобильной связи с распределенной структурой.
Все сайты сети радиодоступа 5G NR требуют высококачественной синхронизации с централизованными первичными эталонными часами (PRTC), поэтому все элементы сети 5G RAN должны быть синхронизированы друг с другом. Первичные эталонные тактовые генераторы (PRTC) генерируют тактовые импульсы, которые могут обеспечивать синхронизацию частоты, времени и фазы для других тактовых импульсов в сети 5G RAN, предоставляя опорные сигналы синхронизации главному управляющему генератору телекоммуникационной сети (T-GM). В рекомендациях МСЭ-Т G.8300 и G.8275 [7] показано, что генераторы PRTC интегрированы с телекоммуникационным грандмастером (T-GM) и обычно расположены в сети агрегации и опорной сети (5G Core). Их синхронизирующее воздействие можно проследить до универсального глобального стандарта времени (UTC), получаемого от ГНСС.
Рекомендация МСЭ-Т G.8272 [4] определяет требования к точности для первичных эталонных часов PRTC и T-GM, пригодных для временной, фазовой и частотной синхронизации в сетях с передачей пакетов, в ней также определена ошибка, допустимая в выходном значении времени PRTC.
Граничные часы связи (T-BC) представляют собой граничный тактовый генератор со встроенным клиентом часов протокола точного времени PTP (IEEE 1588 v2) и ведущим устройством протокола PTP, подключенным к локальным часам. Протокол PTP обеспечивает синхронизацию фазы и времени, необходимых для синхронизации системных часов. PTP основан на технологии пакетной передачи данных, которая позволяет оператору предоставлять услуги синхронизации в транспортных сетях мобильной связи с пакетной передачей данных.
Прозрачные часы связи (T-TC) − это прозрачный тактовый генератор (прозрачные часы протокола РТР) с дополнительными требованиями к производительности сети синхронизации.
Ведомый генератор сигналов хронирования (T-TSC) представляет собой обычные подчиненные часы протокола точного времени РТР, имеющие только ведомый порт (т. е. они не могут быть ведущими) с дополнительными требованиями к производительности, определенными в Рекомендации МСЭ-Т G.8273.2 [5].
Согласно Технической спецификации TS 23.501 [6] сеть 5G может работать как ретранслятор сигналов синхронизации протокола PTP с использованием граничных часов T-BC или прозрачных часов T-TC для сессий типа PDU Ethernet и IP. Сеть синхронизации 5G и ее система управления могут входить в систему управления эксплуатацией сети (ОМС) и быть автономными. Так как архитектура сети синхронизации 5G пока не подлежит стандартизации и является вендерозависимой, то требования по ее построению могут быть заданы только к эталонной архитектуре системы синхронизации сигналов и основным выполняемым функциям.
Архитектура сети синхронизации 5G для варианта использования транспортной сети FH/MH/BH и профиля связи Рек. G.8275.1
В этом варианте построения архитектуры сети синхронизации 5G используются телекоммуникационные часы, реализующие профиль связи, определенный в Рекомендации МСЭ-Т G.8275.1 [7] для обеспечения временной и фазовой синхронизации по всей распределенной цепочке сети связи. Частотная синхронизация происходит во времени.
Профиль связи G.8275.1 построен на основе протокола точного времени РТР для фазовой/временной синхронизации с полной поддержкой по синхронизации от сети 5G. Поскольку сеть синхронизации 5G построена из элементов (телекоммуникационных часов) с распределением временных ошибок, то эта архитектура гарантирует доставку частотной, временной и фазовой синхронизации для малых и больших сот, которые реализуют такие технологии обработки сигналов в сети 5G, как eICIC, CoMP [8], и обеспечивают развертывание сети 5G в режиме TDD, как наиболее критичном к точности синхронизации.
Транспортная сеть 5G может быть построена как централизованная сеть C-RAN (Centralized RAN). В этом случае она состоит из базовых станций gNB с распределенной архитектурой по сети радиодоступа 5G NR, как это показано на рис.1. БС gNB включают радиомодули gNB-RU, распределенные модули gNB-DU и централизованные модули gNB-CU, объединенные транспортной сетью с соответствующими участками Fronthaul, Midhaul и Backhaul. Архитектура базовых станций реализует варианты (опции) построения, определенные Техническими спецификациями 3GPP [9].
Как видно из рис.1, рассматриваемая архитектура сети 5G имеет распределенные сегменты транспортной сети передачи данных Fronthaul (FH), Midhaul (MH) и Backhaul (BH), а центральные модули gNB-CU размещаются на уровне сети преагрегации и агрегации данных, либо в центре обработки данных (ЦОД) в соответствии с концепцией Cloud RAN.
Сегмент Fronthaul транспортной сети 5G представляет домены, ориентированные на использование интерфейсов eCPRI/Ethernet, в которых коммутаторы Ethernet должны поддерживать необходимые стандарты синхронизации и соответствовать требованиям к граничным часам T-BC класса C для поддержки как абсолютных, так и относительных бюджетов фазовых ошибок, заданных МСЭ-Т.
Сегменты транспортной сети Midhaul и Backhaul представляют собой IP-ориентированные домены, в которых любые IP-маршрутизаторы должны поддерживать необходимые стандарты синхронизации и соответствовать требованиям к классу B граничных часов T-BC (G.8273.2). Класс B предназначен для длинных цепочек граничных часов T-BC (до 20 T-BC) и обеспечивает требования точности синхронизации ±1,5 мкс.
В идеале IP-маршрутизаторы должны поддерживать класс C, чтобы обеспечить сети синхронизации типа C с большим значением бюджета постоянной ошибки cTE для поддержки каналов, соединяющих граничные часы T-BC в сети 5G. Класс C предназначен для использования длинных цепочек граничных часов T-BC (до 20 T-BC), чтобы обеспечивать требования точности синхронизации ±130 нс.
Другой вид сети радиодоступа − децентрализованная D-RAN (Decentralized RAN) – предполагает децентрализованное размещение оборудования базовых станций (см. рис.2). Такая сеть имеет совмещенную транспортную сеть передачи данных Midhaul/Backhaul.
Распределенные модули базовой станции gNB-DU размещаются на уровне сети доступа, централизованные модули gNB-CU − как на уровне сети доступа в виде совмещенных модулей gNB-DU/CU, так и на границе сети агрегации и ядра сети.
Внедрение профиля связи G.8275.1 для каждого элемента в цепочке синхронизации обеспечивает гарантии того, что временная ошибка для каждого звена будет в пределах максимальной абсолютной временной ошибки (max|TE|). Оператор сети 5G может гибко развертывать одни или несколько граничных часов T-BC сети синхронизации между грандмастером T-GM и ведомыми часами T-TSC на основе протокола PTP.
Архитектура сети синхронизации 5G для варианта использования транспортной сети FH/MH/BH, профиля связи Рек. G.8275.1 и технологии SyncE
В дополнение к требованиям, предъявляемым архитектурой "G.8275.1 + FH/MH/BH", каждый сетевой элемент сети синхронизации 5G может реализовывать технологию синхронного Ethernet в виде оборудования синхронных часов EEC (Synchronous Ethernet Equipment Clock) по сети 5G с централизованной архитектурой (C-RAN) сети радиодоступа 5G NR. Это иллюстрируется на рис.3.
Архитектура сети синхронизации на основе технологии SyncE в минимальном варианте требует замены карты Ethernet внутренних часов на контур фазовой автоподстройки частоты, чтобы обеспечивать физический уровень (PHY) Ethernet. Хотя оборудование синхронных часов SyncE может улучшить производительность сети синхронизации сигналов 5G, стоит отметить, что, поскольку эти часы требуют поддержки специализированного оборудования Ethernet, то использование оборудования синхронных часов SyncE потребует от оператора связи замены существующего оборудования Ethernet во всей цепочке синхронизации.
Пример построения сети синхронизации сигналов 5G при децентрализованной архитектуре (D-RAN) сети радиодоступа 5G с использованием оборудования синхронных часов SyncE (профиль G.8275.1) представлен на рис.4.
При идеальном сценарии планирования развертывания сети синхронизации сигналов, который требует полной поддержки синхронизации со стороны сети 5G и при котором все сетевое оборудование 5G должно участвовать в поддержке протокола синхронизации РТР и реализовывать телекоммуникационный профиль МСЭ-Т G.8275.1, сеть синхронизации должна включать только граничные часы T-BC, совместимые с требованиями Рекомендации МСЭ-Т G.8273.2 [5].
Однако замена и обновление каждого сетевого узла транспортной сети 5G в соответствии со спецификациями G.8275.1 может стать делом дорогостоящим, а доступность оборудования сети 5G − проблемной.
Реализация синхронизации с использованием технологии SyncE и оборудования ЕЕС на каждом узле сети 5G улучшит стабильность частоты и производительность удержания.
Однако требование данной технологии потребует от оператора замены всего существующего оборудования Ethernet на аналоги с поддержкой оборудования синхронных часов EEC во всей цепочке синхронизации. Логично предположить, что последнего оператор хотел бы избежать в первую очередь, используя опции G.8275.2 [10], а не G.8275.1.
Анализ бюджета ошибок и мониторинг сети синхронизации 5G
Требования к частотной, временной и фазовой синхронизации, установленные Партнерским проектом 3GPP [1, 6] и МСЭ-Т для различных режимов работы сети 5G, приведены в табл.1.
Анализ табл.1 показывает, что для реализации этих требований в сетях 5G операторам необходимо тщательно спроектировать сеть синхронизации, чтобы распределить общий максимальный баланс абсолютных временных ошибок по каждому сетевому элементу 5G.
Произведем выборочный анализ бюджета ошибок времени для цепочки распределения времени, чтобы показать, что нужно сделать оператору для развертывания технологии 5G TDD.
Бюджет ошибок времени, используемый в архитектуре сети синхронизации, определенной в Рекомендации МСЭ-Т G.8271.1 [11], относится к классу 4 МСЭ-Т G.8271.1 (Поправка 1) [12]. Поэтому требования к ошибкам времени/фазы в цепочке от первичных эталонных часов (PRTC) до базовых станций gNB составляет 1,5 мкс (риc.5).
Рекомендация МСЭ-T G.8271.1 определяет несколько эталонных моделей (HRM) для обеспечения фазовой/временной синхронизации, которые используют либо более короткую цепочку граничных часов T-BC, либо более длинную цепочку оборудования T-BC, показанyю на рис.5.
Из табл.1 видно, что для работы сети 5G в режиме TDD требуется задержка менее 3 мкс для фазовой синхронизации между соседними базовыми станциями eNB с радиусом обслуживания ≤ 500 м. Кроме того, МСЭ-Т для каждого типа часов была определена максимальная абсолютная ошибка времени (|TE|):
Кроме того, бюджет временной ошибки синхронизации 250 нс предполагается для удержания для всей распределенной цепочки граничных часов T-BC и 200 нс – для бюджета динамической временной ошибки.
Суммарная ошибка временной синхронизации возникает в распределенной цепочке оборудования сети синхронизации сигналов (показана на рис.6) и должна составлять, согласно [11−12], менее:
|TEPRTC| + NT-BC x |TET-BC| + |TET-TSC| + dTE' + TEHO ≤1500 нс (1,5 мкс),
где: TEPRTC – ошибка временной синхронизации для первичных эталонных часов PRTC:
Подробное описание постоянной, динамической временной ошибки и фильтрации временных ошибок изложено в Рекомендациях МСЭ-Т [4, 10, 11].
Из анализа рис.6 видно, что для сетей 5G с временным разделением доступа (TDD) максимальная ошибка временной синхронизации не должна превышать 1,5 мкс для обеспечения совместимости работы. Максимальная абсолютная ошибка временной синхронизации (Max|TE|) может разделяться на меньшие бюджеты ошибок для различных сегментов сети 5G, как показано на рис.5 для сети с цепочкой из 10 граничных часов T-BC.
Одним из наиболее точных источников времени являются сигналы PPS (pulse-per-second, "импульс в секунду"), получаемые от приемника GPS/ГЛОНАСС глобальной навигационной спутниковой системы. В зависимости от сигнала ГНСС и качества приемника GPS/ГЛОНАСС возможна точность временной синхронизации до 30−100 нс.
При обеспечении мониторинга сети синхронизации 5G специальные приемники системы мониторинга могут декодировать как сигналы 5G, так и сигналы ГНСС, оценивать время прибытия последовательности сигналов 5G и вычисляют его смещение от импульса PPS. Это обеспечивает чрезвычайно точные и надежные данные о времени прибытия последовательности сигналов 5G. Сети радиодоступа 5G требуют сверхточной фазовой синхронизации сигналов PPS, но это довольно сложная задача для мегаполисов с высотными зданиями и большим уровнем помех. В отчете СЕРТ ECC 296 [13] рекомендуется использовать системы мониторинга синхронизации для сетей 5G.
Для решения указанных проблем операторам сетей 5G необходимо использовать систему мониторинга и регистрации параметров точности синхронизации, что позволяет анализировать причины отсутствия требуемой точности синхронизации в сети 5G и своевременно выполнять переход на резервные источники синхронизации на основе технологии SyncE и протокола точного времени PTP.
Предложения по совершенствованию нормативно-правовой базы для внедрения сетей синхронизации 5G
Отсутствие в Российской Федерации достаточного набора нормативно-правовых актов (НПА), регулирующих требования к построению и функционированию сети синхронизации 5G, а также стандартизации последних 3GPP создают возможность снижения качества синхронизации как в сети радиодоступа (5G NR), так и в опорной сети (5G Core), что может повлиять на:
Кроме того, в настоящее время на российском законодательном уровне не регламентирован состав и функции аппаратуры для систем единого точного времени (ЕТВ), а также требования к аппаратуре ЕТВ.
В соответствии с приказом Минкомсвязи России от 21 марта 2016 года № 113 (п. 5 Прил. 2) [14] для целей синхронизации частоты в сетях с пакетной коммутацией, к которым относятся сети 5G, могут использоваться методы, основанные на передаче меток времени в протоколе PTP. Использование для синхронизации сетей 5G технологии синхронного Ethernet физического уровня SyncE и приемников сигналов ГЛОНАСС/GPS не закреплено действующей нормативно-правовой базой отрасли.
Указанные выше недостатки потребуют пересмотра действующих и подготовки ряда новых НПА отрасли в области сетей синхронизации 5G, в числе которых:
Заключение
Сети синхронизации являются важнейшим элементом сетей 5G, которые обеспечивают частотную, временную и фазовую синхронизацию сигналов для режимов FDD и TDD и обеспечивают высокое качество функционирования сети.
Возможность использования для реализации внутренних системных часов 5G трех технологий − приемников GPS/ГЛОНАСС сигналов точного времени от глобальных навигационных спутниковых систем, протокола точного времени РТР и технологии SyncE − обеспечивают широкую вариативность в построении архитектуры сети синхронизации.
Существующие стандарты МСЭ и Партнерского проекта 3GPP на построение сети синхронизации 5G не регламентируют строго архитектуру такой сети и устанавливают лишь требования на ключевые параметры точности синхронизации общего плана, что влечет создание и внедрение вендерозависимых решений для сети синхронизации 5G.
Учитывая системную важность и использование вендерозависимых решений, операторы 5G должны предусмотреть в составе сети управления системы мониторинга, отслеживающие ключевые параметры точности синхронизации.
Предложенные доработки действующих и подготовка ряда новых нормативно-правовых актов отрасли в области сетей синхронизации 5G позволят обеспечить целостность и устойчивое функционирование сетей 5G в Российской Федерации.
Статья подготовлена в рамках реализации программы деятельности ЛИЦ "Глобальные беспроводные системы связи" при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации и АО "РВК". Договор № 015/20 от 18 мая 2020 года. Идентификатор соглашения о предоставлении субсидии – 0000000007119P19000.
ЛИТЕРАТУРА
3GPP TS 38.104, 5G, NR; Base Station (BS) radio transmission and reception.
IEEE 1588v2 Precision Time Protocol. 2008.
SyncE Technology. White Paper. New H3C Technologies Co., Ltd., 2021. 13 p.
Рекомендация МСЭ-Т G.8272/Y.1367 (11/2018) Характеристики хронирования первичных эталонных тактовых генераторов.
Рекомендация МСЭ-Т G.8273.2/Y.1368.2 (2020). Характеристики хронирования граничных часов электросвязи и ведомых часов времени электросвязи для использования с полной поддержкой хронирования со стороны сети.
3GPP TS 23501 System architecture for the 5G System (5GS).
Рекомендация МСЭ-Т G.8275.1/Y.1369.1 (03/2020). Профиль электросвязи на основе протокола точного времени для фазовой/временной синхронизации с полной поддержкой по синхронизации от сети.
Тихвинский В., Девяткин Е., Белявский В. По пути от 5G к 5G Advanced: Релизы 17 и 18 // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2021. № 6. С. 38–47.
3GPP TR 38.801 Study on new radio access technology; Radio access architecture and interface.
Рекомендация МСЭ-Т G.8275.2/Y.1369.2 (03/2020). Профиль протокола точного времени в электросвязи для временной/фазовой синхронизации с частичной поддержкой по синхронизации от сети.
Рекомендация МСЭ-Т G.8271.1/Y.1366.1 (03/20). Сетевые ограничения для синхронизации времени в пакетных сетях с полной поддержкой синхронизации из сети.
Рекомендация МСЭ-Т G.8271.1/Y.1366.1 (03/20) – Поправка 1. Сетевые ограничения для синхронизации времени в пакетных сетях с полной поддержкой синхронизации из сети.
Synchronization Distribution in 5G Transport Networks. E-Book. Infinera Corporation, 2021. 26 p.
Report CEPT EСС 296. National synchronization regulatory framework options in 3400−3800 MHz: a toolbox for coexistence of MFCNs in synchronized, unsynchronized and semi-synchronized operation in 3400-3800 MHz. ECC, 2019. 137 p.
Приказ Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 21 марта 2016 года № 113 "Об утверждении Требований к построению сети связи общего пользования в части системы обеспечения тактовой сетевой синхронизации".
В.Тихвинский, д.э.н., академик РАЕН,
проф. МВТУ им. Н.Э.Баумана и МУИТ (Казахстан),
гл. науч. сотр. ФГУП НИИР им. М.И.Кривошеева,
гл. науч. сотр. ФГУП ЦНИИС / vtniir@mail.ru,
Е.Девяткин, к.э.н., директор НТЦ ФГУП НИИР им. М.И.Кривошеева / deugene@list.ru,
В.Белявский, директор департамента ООО "Спектр" / v.belyavskiy@spectre.ru
УДК 621.391.82, DOI: 10.22184/2070-8963.2022.101.1.52.60
Развертывание сетей 5G в России ставит задачи не только выделения частотного ресурса, оптимального покрытия сетями радиодоступа, но и эффективного построения сети синхронизации, обеспечивающей устойчивую работу как опорной сети 5G Core, так и сети радиодоступа 5G NR. Помимо сети синхронизации, построенной на основе сигналов точного времени глобальных навигационных спутниковых систем и приемников сигналов ГЛОНАСС/GPS/Galileo, оператор сети 5G может также использовать сеть синхронизации, построенную на основе протокола точного времени PTP (IEEE 1588 v2) и технологии синхронного Ethernet физического уровня SyncE в качестве альтернативного варианта. Статья посвящена анализу особенностей построения сетей синхронизации 5G, а также требований, предъявляемых к таким сетям со стороны Сектора стандартизации МСЭ-Т и Партнерского проекта 3GPP.
Введение
Базовые станции (БС) сети пятого поколения с частотным разделением доступа (FDD) требуют обеспечения частотной синхронизации [1], в то время как БС с временным разделением доступа (TDD) необходимо поддерживать расширенные функции, требующие еще и временной синхронизации. При развертывании сети 5G на местности каждая базовая станция gNB обычно оснащается системой синхронизации с использованием приемников GPS/ГЛОНАСС глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Частоты и время могут быть синхронизированы с помощью сигналов GPS/ГЛОНАСС путем привязки к системе точного времени сети ГНСС.
В случае сбоя сигналов синхронизации от приемников GPS/ГЛОНАСС сети ГНСС базовые станции могут обеспечить частотную синхронизацию через сеть синхронизации протокола точного времени РТР (IEEE 1588 v2) [2] или технологии синхронного Ethernet физического уровня SyncE (Synchronous Ethernet) [3] и временную синхронизацию на основе протокола точного времени РТР плюс технологии SyncE. Стандарт синхронизации часов (тактовых генераторов) протокола точного времени РТР (IEEE 1588 v2) позволяет синхронизировать все системные часы в сети мобильной связи с распределенной структурой.
Все сайты сети радиодоступа 5G NR требуют высококачественной синхронизации с централизованными первичными эталонными часами (PRTC), поэтому все элементы сети 5G RAN должны быть синхронизированы друг с другом. Первичные эталонные тактовые генераторы (PRTC) генерируют тактовые импульсы, которые могут обеспечивать синхронизацию частоты, времени и фазы для других тактовых импульсов в сети 5G RAN, предоставляя опорные сигналы синхронизации главному управляющему генератору телекоммуникационной сети (T-GM). В рекомендациях МСЭ-Т G.8300 и G.8275 [7] показано, что генераторы PRTC интегрированы с телекоммуникационным грандмастером (T-GM) и обычно расположены в сети агрегации и опорной сети (5G Core). Их синхронизирующее воздействие можно проследить до универсального глобального стандарта времени (UTC), получаемого от ГНСС.
Рекомендация МСЭ-Т G.8272 [4] определяет требования к точности для первичных эталонных часов PRTC и T-GM, пригодных для временной, фазовой и частотной синхронизации в сетях с передачей пакетов, в ней также определена ошибка, допустимая в выходном значении времени PRTC.
Граничные часы связи (T-BC) представляют собой граничный тактовый генератор со встроенным клиентом часов протокола точного времени PTP (IEEE 1588 v2) и ведущим устройством протокола PTP, подключенным к локальным часам. Протокол PTP обеспечивает синхронизацию фазы и времени, необходимых для синхронизации системных часов. PTP основан на технологии пакетной передачи данных, которая позволяет оператору предоставлять услуги синхронизации в транспортных сетях мобильной связи с пакетной передачей данных.
Прозрачные часы связи (T-TC) − это прозрачный тактовый генератор (прозрачные часы протокола РТР) с дополнительными требованиями к производительности сети синхронизации.
Ведомый генератор сигналов хронирования (T-TSC) представляет собой обычные подчиненные часы протокола точного времени РТР, имеющие только ведомый порт (т. е. они не могут быть ведущими) с дополнительными требованиями к производительности, определенными в Рекомендации МСЭ-Т G.8273.2 [5].
Согласно Технической спецификации TS 23.501 [6] сеть 5G может работать как ретранслятор сигналов синхронизации протокола PTP с использованием граничных часов T-BC или прозрачных часов T-TC для сессий типа PDU Ethernet и IP. Сеть синхронизации 5G и ее система управления могут входить в систему управления эксплуатацией сети (ОМС) и быть автономными. Так как архитектура сети синхронизации 5G пока не подлежит стандартизации и является вендерозависимой, то требования по ее построению могут быть заданы только к эталонной архитектуре системы синхронизации сигналов и основным выполняемым функциям.
Архитектура сети синхронизации 5G для варианта использования транспортной сети FH/MH/BH и профиля связи Рек. G.8275.1
В этом варианте построения архитектуры сети синхронизации 5G используются телекоммуникационные часы, реализующие профиль связи, определенный в Рекомендации МСЭ-Т G.8275.1 [7] для обеспечения временной и фазовой синхронизации по всей распределенной цепочке сети связи. Частотная синхронизация происходит во времени.
Профиль связи G.8275.1 построен на основе протокола точного времени РТР для фазовой/временной синхронизации с полной поддержкой по синхронизации от сети 5G. Поскольку сеть синхронизации 5G построена из элементов (телекоммуникационных часов) с распределением временных ошибок, то эта архитектура гарантирует доставку частотной, временной и фазовой синхронизации для малых и больших сот, которые реализуют такие технологии обработки сигналов в сети 5G, как eICIC, CoMP [8], и обеспечивают развертывание сети 5G в режиме TDD, как наиболее критичном к точности синхронизации.
Транспортная сеть 5G может быть построена как централизованная сеть C-RAN (Centralized RAN). В этом случае она состоит из базовых станций gNB с распределенной архитектурой по сети радиодоступа 5G NR, как это показано на рис.1. БС gNB включают радиомодули gNB-RU, распределенные модули gNB-DU и централизованные модули gNB-CU, объединенные транспортной сетью с соответствующими участками Fronthaul, Midhaul и Backhaul. Архитектура базовых станций реализует варианты (опции) построения, определенные Техническими спецификациями 3GPP [9].
Как видно из рис.1, рассматриваемая архитектура сети 5G имеет распределенные сегменты транспортной сети передачи данных Fronthaul (FH), Midhaul (MH) и Backhaul (BH), а центральные модули gNB-CU размещаются на уровне сети преагрегации и агрегации данных, либо в центре обработки данных (ЦОД) в соответствии с концепцией Cloud RAN.
Сегмент Fronthaul транспортной сети 5G представляет домены, ориентированные на использование интерфейсов eCPRI/Ethernet, в которых коммутаторы Ethernet должны поддерживать необходимые стандарты синхронизации и соответствовать требованиям к граничным часам T-BC класса C для поддержки как абсолютных, так и относительных бюджетов фазовых ошибок, заданных МСЭ-Т.
Сегменты транспортной сети Midhaul и Backhaul представляют собой IP-ориентированные домены, в которых любые IP-маршрутизаторы должны поддерживать необходимые стандарты синхронизации и соответствовать требованиям к классу B граничных часов T-BC (G.8273.2). Класс B предназначен для длинных цепочек граничных часов T-BC (до 20 T-BC) и обеспечивает требования точности синхронизации ±1,5 мкс.
В идеале IP-маршрутизаторы должны поддерживать класс C, чтобы обеспечить сети синхронизации типа C с большим значением бюджета постоянной ошибки cTE для поддержки каналов, соединяющих граничные часы T-BC в сети 5G. Класс C предназначен для использования длинных цепочек граничных часов T-BC (до 20 T-BC), чтобы обеспечивать требования точности синхронизации ±130 нс.
Другой вид сети радиодоступа − децентрализованная D-RAN (Decentralized RAN) – предполагает децентрализованное размещение оборудования базовых станций (см. рис.2). Такая сеть имеет совмещенную транспортную сеть передачи данных Midhaul/Backhaul.
Распределенные модули базовой станции gNB-DU размещаются на уровне сети доступа, централизованные модули gNB-CU − как на уровне сети доступа в виде совмещенных модулей gNB-DU/CU, так и на границе сети агрегации и ядра сети.
Внедрение профиля связи G.8275.1 для каждого элемента в цепочке синхронизации обеспечивает гарантии того, что временная ошибка для каждого звена будет в пределах максимальной абсолютной временной ошибки (max|TE|). Оператор сети 5G может гибко развертывать одни или несколько граничных часов T-BC сети синхронизации между грандмастером T-GM и ведомыми часами T-TSC на основе протокола PTP.
Архитектура сети синхронизации 5G для варианта использования транспортной сети FH/MH/BH, профиля связи Рек. G.8275.1 и технологии SyncE
В дополнение к требованиям, предъявляемым архитектурой "G.8275.1 + FH/MH/BH", каждый сетевой элемент сети синхронизации 5G может реализовывать технологию синхронного Ethernet в виде оборудования синхронных часов EEC (Synchronous Ethernet Equipment Clock) по сети 5G с централизованной архитектурой (C-RAN) сети радиодоступа 5G NR. Это иллюстрируется на рис.3.
Архитектура сети синхронизации на основе технологии SyncE в минимальном варианте требует замены карты Ethernet внутренних часов на контур фазовой автоподстройки частоты, чтобы обеспечивать физический уровень (PHY) Ethernet. Хотя оборудование синхронных часов SyncE может улучшить производительность сети синхронизации сигналов 5G, стоит отметить, что, поскольку эти часы требуют поддержки специализированного оборудования Ethernet, то использование оборудования синхронных часов SyncE потребует от оператора связи замены существующего оборудования Ethernet во всей цепочке синхронизации.
Пример построения сети синхронизации сигналов 5G при децентрализованной архитектуре (D-RAN) сети радиодоступа 5G с использованием оборудования синхронных часов SyncE (профиль G.8275.1) представлен на рис.4.
При идеальном сценарии планирования развертывания сети синхронизации сигналов, который требует полной поддержки синхронизации со стороны сети 5G и при котором все сетевое оборудование 5G должно участвовать в поддержке протокола синхронизации РТР и реализовывать телекоммуникационный профиль МСЭ-Т G.8275.1, сеть синхронизации должна включать только граничные часы T-BC, совместимые с требованиями Рекомендации МСЭ-Т G.8273.2 [5].
Однако замена и обновление каждого сетевого узла транспортной сети 5G в соответствии со спецификациями G.8275.1 может стать делом дорогостоящим, а доступность оборудования сети 5G − проблемной.
Реализация синхронизации с использованием технологии SyncE и оборудования ЕЕС на каждом узле сети 5G улучшит стабильность частоты и производительность удержания.
Однако требование данной технологии потребует от оператора замены всего существующего оборудования Ethernet на аналоги с поддержкой оборудования синхронных часов EEC во всей цепочке синхронизации. Логично предположить, что последнего оператор хотел бы избежать в первую очередь, используя опции G.8275.2 [10], а не G.8275.1.
Анализ бюджета ошибок и мониторинг сети синхронизации 5G
Требования к частотной, временной и фазовой синхронизации, установленные Партнерским проектом 3GPP [1, 6] и МСЭ-Т для различных режимов работы сети 5G, приведены в табл.1.
Анализ табл.1 показывает, что для реализации этих требований в сетях 5G операторам необходимо тщательно спроектировать сеть синхронизации, чтобы распределить общий максимальный баланс абсолютных временных ошибок по каждому сетевому элементу 5G.
Произведем выборочный анализ бюджета ошибок времени для цепочки распределения времени, чтобы показать, что нужно сделать оператору для развертывания технологии 5G TDD.
Бюджет ошибок времени, используемый в архитектуре сети синхронизации, определенной в Рекомендации МСЭ-Т G.8271.1 [11], относится к классу 4 МСЭ-Т G.8271.1 (Поправка 1) [12]. Поэтому требования к ошибкам времени/фазы в цепочке от первичных эталонных часов (PRTC) до базовых станций gNB составляет 1,5 мкс (риc.5).
Рекомендация МСЭ-T G.8271.1 определяет несколько эталонных моделей (HRM) для обеспечения фазовой/временной синхронизации, которые используют либо более короткую цепочку граничных часов T-BC, либо более длинную цепочку оборудования T-BC, показанyю на рис.5.
Из табл.1 видно, что для работы сети 5G в режиме TDD требуется задержка менее 3 мкс для фазовой синхронизации между соседними базовыми станциями eNB с радиусом обслуживания ≤ 500 м. Кроме того, МСЭ-Т для каждого типа часов была определена максимальная абсолютная ошибка времени (|TE|):
- для первичных эталонных часов PRTC ошибка временной синхронизации должна составлять |TE| ≤ 100 нс. Это требование используется также в случае комбинированной функции первичных эталонных часов PRTC и оборудования грандмастера T-GM;
- для граничных часов T-BC класса A постоянная ошибка временной синхронизации должна быть |cTE| ≤ 50 нс;
- для ведомых часов T-TSC класса A постоянная ошибка временной синхронизации должна быть |cTE| ≤ 50 нс.
Кроме того, бюджет временной ошибки синхронизации 250 нс предполагается для удержания для всей распределенной цепочки граничных часов T-BC и 200 нс – для бюджета динамической временной ошибки.
Суммарная ошибка временной синхронизации возникает в распределенной цепочке оборудования сети синхронизации сигналов (показана на рис.6) и должна составлять, согласно [11−12], менее:
|TEPRTC| + NT-BC x |TET-BC| + |TET-TSC| + dTE' + TEHO ≤1500 нс (1,5 мкс),
где: TEPRTC – ошибка временной синхронизации для первичных эталонных часов PRTC:
- NT-BC – число граничных часов T-BC в цепочке оборудования T-BC;
- TET-BC – ошибка временной синхронизации для граничных часов T-BC;
- TET-TSC – ошибка временной синхронизации для ведомых часов T-TSC;
- dTE’ – отфильтрованная динамическая ошибка временной синхронизации;
- TEHO – ошибка удержания временной синхронизации.
Подробное описание постоянной, динамической временной ошибки и фильтрации временных ошибок изложено в Рекомендациях МСЭ-Т [4, 10, 11].
Из анализа рис.6 видно, что для сетей 5G с временным разделением доступа (TDD) максимальная ошибка временной синхронизации не должна превышать 1,5 мкс для обеспечения совместимости работы. Максимальная абсолютная ошибка временной синхронизации (Max|TE|) может разделяться на меньшие бюджеты ошибок для различных сегментов сети 5G, как показано на рис.5 для сети с цепочкой из 10 граничных часов T-BC.
Одним из наиболее точных источников времени являются сигналы PPS (pulse-per-second, "импульс в секунду"), получаемые от приемника GPS/ГЛОНАСС глобальной навигационной спутниковой системы. В зависимости от сигнала ГНСС и качества приемника GPS/ГЛОНАСС возможна точность временной синхронизации до 30−100 нс.
При обеспечении мониторинга сети синхронизации 5G специальные приемники системы мониторинга могут декодировать как сигналы 5G, так и сигналы ГНСС, оценивать время прибытия последовательности сигналов 5G и вычисляют его смещение от импульса PPS. Это обеспечивает чрезвычайно точные и надежные данные о времени прибытия последовательности сигналов 5G. Сети радиодоступа 5G требуют сверхточной фазовой синхронизации сигналов PPS, но это довольно сложная задача для мегаполисов с высотными зданиями и большим уровнем помех. В отчете СЕРТ ECC 296 [13] рекомендуется использовать системы мониторинга синхронизации для сетей 5G.
Для решения указанных проблем операторам сетей 5G необходимо использовать систему мониторинга и регистрации параметров точности синхронизации, что позволяет анализировать причины отсутствия требуемой точности синхронизации в сети 5G и своевременно выполнять переход на резервные источники синхронизации на основе технологии SyncE и протокола точного времени PTP.
Предложения по совершенствованию нормативно-правовой базы для внедрения сетей синхронизации 5G
Отсутствие в Российской Федерации достаточного набора нормативно-правовых актов (НПА), регулирующих требования к построению и функционированию сети синхронизации 5G, а также стандартизации последних 3GPP создают возможность снижения качества синхронизации как в сети радиодоступа (5G NR), так и в опорной сети (5G Core), что может повлиять на:
- обеспечение целостности и устойчивого функционирования сети 5G в составе единой сети электросвязи (ЕСЭ) Российской Федерации, в которую рассматриваемая сеть входит как подсистема мобильной связи;
- оказание услуг 5G (eMBB, uRLLC и mMTC), критичных к задержке класса GBR [6], и услуг по пропуску трафика в сети 5G;
- функционирование систем управления и мониторинга (OMC) сети 5G;
- учет объемов оказанных услуг связи и услуг по пропуску трафика;
- использование доступного радиочастотного ресурса.
Кроме того, в настоящее время на российском законодательном уровне не регламентирован состав и функции аппаратуры для систем единого точного времени (ЕТВ), а также требования к аппаратуре ЕТВ.
В соответствии с приказом Минкомсвязи России от 21 марта 2016 года № 113 (п. 5 Прил. 2) [14] для целей синхронизации частоты в сетях с пакетной коммутацией, к которым относятся сети 5G, могут использоваться методы, основанные на передаче меток времени в протоколе PTP. Использование для синхронизации сетей 5G технологии синхронного Ethernet физического уровня SyncE и приемников сигналов ГЛОНАСС/GPS не закреплено действующей нормативно-правовой базой отрасли.
Указанные выше недостатки потребуют пересмотра действующих и подготовки ряда новых НПА отрасли в области сетей синхронизации 5G, в числе которых:
- Правила построения системы синхронизации сигналов в сети связи общего пользования Российской Федерации, построенной с использованием технологии коммутации пакетов и сетях подвижной связи пятого поколения (5G);
- Правила применения оборудования системы синхронизации сигналов в сети связи общего пользования Российской Федерации, построенной с использованием технологии коммутации пакетов в сетях подвижной связи пятого поколения (5G);
- Правила проведения аудита и эксплуатации оборудования системы синхронизации сигналов в сети связи общего пользования Российской Федерации, построенной с использованием технологии коммутации пакетов в сетях подвижной радиотелефонной связи пятого поколения (5G);
- Правила присоединения системы синхронизации сигналов сетей операторов связи к базовой системе синхронизации сигналов сети связи общего пользования Российской Федерации, построенной с использованием технологии коммутации пакетов.
Заключение
Сети синхронизации являются важнейшим элементом сетей 5G, которые обеспечивают частотную, временную и фазовую синхронизацию сигналов для режимов FDD и TDD и обеспечивают высокое качество функционирования сети.
Возможность использования для реализации внутренних системных часов 5G трех технологий − приемников GPS/ГЛОНАСС сигналов точного времени от глобальных навигационных спутниковых систем, протокола точного времени РТР и технологии SyncE − обеспечивают широкую вариативность в построении архитектуры сети синхронизации.
Существующие стандарты МСЭ и Партнерского проекта 3GPP на построение сети синхронизации 5G не регламентируют строго архитектуру такой сети и устанавливают лишь требования на ключевые параметры точности синхронизации общего плана, что влечет создание и внедрение вендерозависимых решений для сети синхронизации 5G.
Учитывая системную важность и использование вендерозависимых решений, операторы 5G должны предусмотреть в составе сети управления системы мониторинга, отслеживающие ключевые параметры точности синхронизации.
Предложенные доработки действующих и подготовка ряда новых нормативно-правовых актов отрасли в области сетей синхронизации 5G позволят обеспечить целостность и устойчивое функционирование сетей 5G в Российской Федерации.
Статья подготовлена в рамках реализации программы деятельности ЛИЦ "Глобальные беспроводные системы связи" при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации и АО "РВК". Договор № 015/20 от 18 мая 2020 года. Идентификатор соглашения о предоставлении субсидии – 0000000007119P19000.
ЛИТЕРАТУРА
3GPP TS 38.104, 5G, NR; Base Station (BS) radio transmission and reception.
IEEE 1588v2 Precision Time Protocol. 2008.
SyncE Technology. White Paper. New H3C Technologies Co., Ltd., 2021. 13 p.
Рекомендация МСЭ-Т G.8272/Y.1367 (11/2018) Характеристики хронирования первичных эталонных тактовых генераторов.
Рекомендация МСЭ-Т G.8273.2/Y.1368.2 (2020). Характеристики хронирования граничных часов электросвязи и ведомых часов времени электросвязи для использования с полной поддержкой хронирования со стороны сети.
3GPP TS 23501 System architecture for the 5G System (5GS).
Рекомендация МСЭ-Т G.8275.1/Y.1369.1 (03/2020). Профиль электросвязи на основе протокола точного времени для фазовой/временной синхронизации с полной поддержкой по синхронизации от сети.
Тихвинский В., Девяткин Е., Белявский В. По пути от 5G к 5G Advanced: Релизы 17 и 18 // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2021. № 6. С. 38–47.
3GPP TR 38.801 Study on new radio access technology; Radio access architecture and interface.
Рекомендация МСЭ-Т G.8275.2/Y.1369.2 (03/2020). Профиль протокола точного времени в электросвязи для временной/фазовой синхронизации с частичной поддержкой по синхронизации от сети.
Рекомендация МСЭ-Т G.8271.1/Y.1366.1 (03/20). Сетевые ограничения для синхронизации времени в пакетных сетях с полной поддержкой синхронизации из сети.
Рекомендация МСЭ-Т G.8271.1/Y.1366.1 (03/20) – Поправка 1. Сетевые ограничения для синхронизации времени в пакетных сетях с полной поддержкой синхронизации из сети.
Synchronization Distribution in 5G Transport Networks. E-Book. Infinera Corporation, 2021. 26 p.
Report CEPT EСС 296. National synchronization regulatory framework options in 3400−3800 MHz: a toolbox for coexistence of MFCNs in synchronized, unsynchronized and semi-synchronized operation in 3400-3800 MHz. ECC, 2019. 137 p.
Приказ Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации от 21 марта 2016 года № 113 "Об утверждении Требований к построению сети связи общего пользования в части системы обеспечения тактовой сетевой синхронизации".
Отзывы читателей
