Định thời gian và đồng bộ hoá trong mạng không dây

1. Định thời gian và đồng bộ hoá là gì?

          Định thời gian và đồng bộ hóa (Timing and synchronization) là các yêu cầu liên quan đến nhau đối với hiệu suất mạng không dây. Định thời gian dựa trên việc thiết lập một giá trị thời gian chính xác, được tiêu chuẩn hóa phải và phổ biến trên toàn bộ mạng không dây. Khái niệm đồng bộ hóa có liên quan chặt chẽ đề cập đến nhịp điệu chính xác được phối hợp của các hoạt động mạng chỉ có thể được hoàn thành với tham chiếu thời gian chung này.

Hình 1: Sự khác nhau khi có đồng bộ hoá và không đồng bộ hoá

          Các tiêu chuẩn về Định thời gian và đồng bộ hóa cho các mạng di động ngăn không cho các bản tin đan xen nhau và cho phép truyền dẫn giữa các ô một cách trơn tru. Yêu cầu về Định thời gian và đồng bộ hóa ngày càng nghiêm ngặt đối với mạng 5G đang được thúc đẩy bởi tốc độ nhanh hơn và độ trễ thấp. Sự chuyển đổi đang diễn ra sang các công nghệ song công phân chia thời gian (TDD) và chuyển mạch gói cũng đòi hỏi độ chính xác và tính linh hoạt từ các giải pháp kiểm tra Định thời gian và đồng bộ hóa.

2. Tầm quan trọng của Định thời gian và đồng bộ hóa

           Định thời gian bắt nguồn từ các chòm sao của hệ thống vệ tinh mạng toàn cầu (GNSS), bao gồm cả hệ thống định vị toàn cầu (GPS) phục vụ cho Hoa Kỳ, đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động của mạng không dây. Nếu không có quyền truy cập vào tiêu chuẩn thời gian nhất quán và đáng tin cậy này, thì việc sử dụng phổ tần hiệu quả và cung cấp các dịch vụ không dây băng thông lớn, tốc độ cao sẽ không thể thực hiện được.

          Công nghệ đồng bộ hóa là nền tảng cơ bản cho tất cả các mạng truyền thông không dây. Các chiến lược song công, ghép kênh và dựa trên gói tin đều dựa chủ yếu vào Định thời gian và đồng bộ hóa để điều phối việc truyền dữ liệu, ngăn chặn nhiễu, giảm tỷ lệ lỗi và bù cho bất kỳ sự dịch chuyển pha hoặc tần số nào.

           Đồng bộ hóa tần số mô tả trạng thái trong đó các tần số (khoảng lặp lại) của các đồng hồ hệ thống khác nhau được căn chỉnh, nhưng pha và thời gian thì không.

            Đồng bộ hóa pha đạt được khi đồng hồ được căn chỉnh theo tần số cũng như pha nhưng thiếu gốc thời gian chung.

            Đồng bộ hóa thời gian đề cập đến trạng thái mà đồng hồ được căn chỉnh theo tần số và pha với một gốc thời gian chung.

Hình 2: Đồng bộ hoá thời gian

        5G RAN Disaggregation đã chia Đơn vị băng tần gốc truyền thống (BBU) thành một đơn vị tập trung được cấu hình linh hoạt hơn (CU) và đơn vị phân tán (DU). Thời gian tuyệt đối và tương đối được duy trì chặt chẽ giữa các yếu tố này là cần thiết để đáp ứng các yêu cầu khắt khe về trường hợp sử dụng 5G. Đồng bộ hóa mạng fronthaul đảm bảo RAN hoạt động hài hòa, bất chấp khoảng cách vật lý giữa các thành phần.

3. Song công phân chia thời gian (TDD) là gì?

          Truyền song công được định nghĩa là truyền dẫn hai chiều qua một kênh truyền thông. Song công phân chia thời gian (TDD) thực hiện điều này bằng cách phân bổ các khe thời gian khác nhau cho các tín hiệu đường lên và đường xuống trên cùng một tần số.

         TDDW (Time Division Duplex Wireless) là công nghệ cơ bản cho việc triển khai 5G trên khắp thế giới. Hiệu quả phổ được củng cố bởi các tín hiệu đường lên (UL) và đường xuống (DL) hoạt động trên cùng một phổ. Ưu điểm của song công phân chia theo thời gian là được cân bằng ngược lại nhờ thời gian chính xác và đồng bộ hóa cần thiết để ngăn chặn nhiễu intra-cell hoặc inter-cell. TDD yêu cầu đồng bộ cả tần số và pha.

         Định dạng khe cắm TDD cho 5G chia nội dung dữ liệu thành một chuỗi các khung hình vô tuyến 10ms, mỗi khung hình trong số đó chứa mười khung phụ 1ms. 56 cấu hình khung và khe có sẵn trong Release 15 của 3GPP phù hợp với một loạt các trường hợp sử dụng 5G và các mẫu lưu lượng. Một số tùy chọn bao gồm thời gian UL/DL bằng nhau trong khi những tùy chọn khác không đối xứng hơn. Sự thay đổi trong các định dạng khe thời gian 5G TDD tạo ra khả năng gây nhiễu cross-link. Để ngăn chặn điều này, cấu trúc khung và khe cũng phải được đồng bộ hóa giữa các mạng liền kề.

Hình 3: Hai mạng có định dạng vị trí không đồng bộ hoá

         Song công phân chia theo tần số (FDD) là một phương pháp viễn thông song công có trước TDD và yêu cầu hai kênh liên lạc riêng biệt. Bất kỳ cuộc thảo luận nào về 5G FDD và TDD thường bao gồm phần lớn phổ tần được sử dụng bởi công nghệ FDD. Cũng cần có dải bảo vệ giữa các kênh gửi và nhận FDD để giảm thiểu nhiễu.

4. Giao thức thời gian chính xác là gì?

          Giao thức thời gian chính xác (PTP) được xác định bởi tiêu chuẩn IEEE 1588. Giao thức này thiết lập một phương pháp để đồng bộ hóa đồng hồ chính xác đến phạm vi sub-micron cho các mạng dựa trên gói. Điều này bao gồm mạng 5G mid-haul và fronthaul dựa trên Ethernet. PTP v2 (1588v2) được phát hành vào năm 2008 đã cải thiện độ chính xác và tính mạnh mẽ của giao thức.

         Cơ sở hạ tầng PTP bao gồm một đồng hồ tổng thể lớn được đồng bộ hóa trực tiếp với nguồn vệ tinh GPS chuyển tiếp thời gian tuyệt đối dựa trên UTC. Thông tin này được phân tán trong toàn mạng bằng cách sử dụng kết hợp boundary clocks và slave clocks. Đảm bảo tất cả các đơn vị vô tuyến trong mạng được đồng bộ hóa theo thời gian chung và tham chiếu pha cho phép bộ lập lịch giảm thiểu khả năng gây nhiễu.

         O-RAN khuyến nghị rằng không có nhiều hơn hai boundary clocks được truyền giữa đồng hồ tổng thể và bất kỳ điểm cuối nào. Tuy nhiên, không có giới hạn nào được thiết lập về khoảng cách tổng đã đi qua.

        PTP Over Ethernet đang thay thế GPS làm nguồn định thời chính cho mạng fronthaul 5G. Mặc dù về bản chất, Ethernet không đồng bộ, nhưng thông tin về thời gian và tần số có thể được phân phối qua một lớp Ethernet bằng cách sử dụng PTP và Ethernet đồng bộ (SyncE). Điều này cho phép hệ thống cáp Ethernet hiện tại được tận dụng để đồng bộ hóa đồng hồ trong một hệ thống phân tán.

5. Yêu cầu về thời gian và đồng bộ hóa với mạng 5G

          Khi các nút mạng 5G không đồng bộ, các tín hiệu nhận được sẽ không thể được giải điều chế đúng cách. Có thể dẫn đến BER cao, độ trễ và jitter làm ảnh hưởng đến trải nghiệm của khách hàng. Để giải quyết vấn đề này, các yêu cầu đồng bộ hóa hiện đã được thiết lập bởi nhiều tổ chức tiêu chuẩn bao gồm 3GPP và ITU-T.

         Định nghĩa và quy trình đồng bộ hóa khác nhau tùy thuộc vào hệ thống truyền thông. Các yêu cầu về độ chính xác của nhà cung cấp và thời gian trở nên nghiêm ngặt hơn đối với TDD và FDD 5G. Đối với mỗi trường hợp sử dụng, sự đồng bộ hóa, loại, yêu cầu và tác động của việc không tuân thủ đối với hiệu suất cũng khác nhau đáng kể.

         Sai số thời gian (TE) được định nghĩa là chênh lệch thời gian giữa hai đồng hồ bất kỳ. Sai số thời gian tuyệt đối giữa tham chiếu thời gian tổng thể và bất kỳ nút nào được giới hạn trong 1,5μs đặc biệt ngắn đối với LTE/5G TDD. Điều này bao gồm 1,1μs sai số thời gian tuyệt đối đối với điểm truy cập và 0,4μs đối với liên kết fronthaul với radio.

         Lỗi thời gian tương đối (RTE) là chênh lệch thời gian giữa các đầu vào của hai RU (radio unit). RTE là một số liệu quan trọng cho các tính năng 5G nâng cao như Massive MIMO. Đa điểm phối hợp (CoMP) được sử dụng để điều phối tín hiệu đến và đi từ nhiều cell-site không thể chịu được quá 1,0μs RTE.

6. Những thách thức về thời gian và đồng bộ hóa mạng 5G

         Sự phân tách RAN, TDD và việc áp dụng MIMO, beamforming và bước sóng milimet đã cho phép hiện thực hóa toàn bộ tiềm năng của mạng 5G. Những cải tiến này cũng đã kết hợp để thúc đẩy các yêu cầu về Định thời gian và đồng bộ hóa cho 5G lên mức chưa từng có. Các ứng dụng thời gian thực như xe tự hành và IoT đang thay đổi cho các khía cạnh Định thời gian và đồng bộ hóa trong mạng gói.

        Nhiễu Inter-Cell là một yếu tố không mong muốn của mạng không dây song công phân chia theo thời gian 5G. Một cấu trúc khung tương thích giữa các mạng sắp xếp với các ấn định tần số liền kề phải được thiết lập. Các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng TDD cũng phải tránh truyền đồng thời DL và UL. Tín hiệu DL có khả năng bị rò rỉ sang các kênh lân cận bằng cách sử dụng TDD và dải bảo vệ FDD LTE không còn được sử dụng để giảm tác động.

          Chất lượng tín hiệu GPS do ăng ten vệ tinh thu được phải có độ tin cậy cao để đáp ứng các yêu cầu của 5G. Xác minh cường độ tín hiệu GPS từ nhiều vị trí và xác nhận toàn bộ ăng-ten có thể giảm thiểu khả năng gây nhiễu. Mạng 3G và 4G chỉ yêu cầu một đường truyền vệ tinh của site để đồng bộ hóa. Các yêu cầu về Định thời gian và đồng bộ hóa chính xác của các ô di động 5G đã khiến cho những biến thể dù là nhỏ nhất cũng không thể dung nạp được.