Flexible PTP-Profile erleichtern den Übergang zu 5G

5G brachte Architekturänderungen mit sich, die eine Synchronisierung erfordern. Je nach Standort und Netzwerkstandort erfordern diese Zeitanforderungen unterschiedliche PTP-Profile und PTP-Kapazitäten.

Da kritische Infrastrukturen wie Telekommunikation, Versorgung, Transport und Verteidigung von 4G auf 5G migrieren, könnte man davon ausgehen, dass diese wichtigen Dienste allgemein das ITU-T G.8275.1 Precision Time Protocol (PTP)-Profil zur Zeitsynchronisierung ihrer Netzwerke übernehmen. Schließlich verfügt PTP im Vergleich zu 4G über eine qualitativ hochwertigere PTP-Boundary-Clock (BC). Diese Tendenz könnte jedoch unterstreichen, dass die mobile 5G-Synchronisierung detaillierter geworden ist.

Zeitduplex (TDD) in 5G bringt neue Phasenanforderungen mit sich, sowohl relative als auch absolute. Außerdem wird Open RAN eingeführt, wobei die Funktionen der Basisbandeinheit (BBU) in Radio Units (RUs), Distributed Units (DUs) und Centralized Units (CUs) unterteilt sind. Aus diesem Grund hat die Telekommunikationsbranche zwei PTP-Profile standardisiert, ITU-T G.8275.1 und ITU-T G.8275.2, um PTP-fähige bzw. PTP-unfähige Netzwerke zu adressieren.

Synchronisationsprobleme

Betreiber verstehen die Auswirkungen eines Backhaul-Netzwerks. Abhängig von der Art des Netzwerks kann die Paketverzögerungsvariation (PDV) einen großen Einfluss auf die Synchronisierung haben. In vielen Ländern wurde PTP in 4G als Backup-Synchronisationsmechanismus eingesetzt, während das Global Navigation Satellite System (GNSS) die primäre Synchronisationsquelle war. Um eine Situation zu vermeiden, in der ein GNSS-Fehler zum Verlust von Phasendiensten führt, wurde die Idee entwickelt, die Edge Primary Reference Time Clock (PRTC) mithilfe eines PTP-Flusses mit der zentralen Kernuhr zu verbinden. Es wurde von der ITU-T als G.8273.4 – Assisted Partial Timing Support (APTS) übernommen.

In dieser Architektur wird der PTP-Eingang mithilfe des lokalen Edge-PRTC-GNSS auf Zeitfehler kalibriert. Dieses GNSS hat die gleiche Referenz (Universal Coordinated Time, UTC) wie das vorgelagerte GNSS. Sie können den eingehenden PTP-Fluss effektiv als Proxy-GNSS-Signal vom Kern mit Rückverfolgbarkeit auf UTC betrachten.

Figure 1 zeigt ein typisches 4G-Synchronisationsszenario, bei dem ein PTP-Grandmaster 4G-eNodeBs über einen Backhaul mit dem PTP-Unicast-G.8275.2-Profil bedient.

5G benötigt eine neue Synchronisationsarchitektur, da das Mobilfunknetz durch die Open-RAN-Disaggregation immer komplexer geworden ist. Figure 2 zeigt die Schlüsselelemente einer 5G-Architektur.

Betreiber müssen den Backhaul zusätzlich zu einer typischen 5G-Architektur in Betracht ziehen. Darüber hinaus werden durch die Disaggregation Fronthaul- und Midhaul-Netzwerke eingeführt.

Unter dem Gesichtspunkt der Synchronisierung wird der Fronthaul zum zentralen Netzwerkpunkt für die Versorgung von 5G-RUs oder 5G-Basisstationen. Figure 3 zeigt, wie ein Fronthaul-Netzwerk 5G-Basisstationen (gNodeBs) mithilfe des G.8275.1-Multicast-Profils bedient. In diesem Szenario wird PTP zum primären Synchronisierungsmechanismus.

Wichtige Überlegungen bei der Implementierung von 5G sind das End-to-End-Timing-Budget (±1.5 µs) und die relative Zeitgenauigkeit von 130 ns/260 ns zwischen benachbarten Rus, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Das ITU-T G.8275.2-Profil hingegen befindet sich auf Schicht 3, Unicast. Es ist keine On-Path-Support-Fähigkeit auf allen Netzwerkelementen erforderlich. Das PTP-Protokoll fließt als Datenverkehr mit hoher Priorität durch diese Netzwerkelemente. In diesem Anwendungsfall benötigt das Netzwerk Unterstützung für eine große PTP-Client-Kapazität vom PTP-Grandmaster, typischerweise über hundert Clients und in einigen Fällen bis zu mehreren Tausend Clients.

Fronthaul-Profil

Unter dem Gesichtspunkt der Synchronisierung arbeitet Fronthaul mit der Zeitquelle eines GNSS-Signals. Assisted Partial Timing Support (APTS) schützt es in Situationen, in denen das GNSS-Signal nicht verfügbar oder intermittierend ist.

Fronthaul findet typischerweise in Großstädten und Ballungsräumen statt, in denen es viele Basisstationen gibt. PTP-Großmeister in der Nähe bedienen die Basisstation. In dieser Situation verwendet das Netzwerk ein Profil basierend auf G.8275.1, einem PTP-Profil, das speziell für die Telekommunikationsbranche mit Netzwerkelementen definiert wurde, die eine moderne Boundary Clock einbetten. G.8275.1 verwendet den Multicasting-Modus, der nicht viel Kapazität erfordert.

Bisher bietet PTP Frequenzsynchronisierung außerhalb von Ballungsräumen. Die an diesen Standorten eingesetzten Grandmaster-Uhren bedienen hauptsächlich ältere FDD-Funksysteme. Diese Uhren sind zunehmend Teil einer Mischung aus älteren Funkgeräten und neuen Umgebungen, die durch die Umstellung auf 5G zum Einsatz kommen.

Viele Betreiber migrieren frequenzfokussierte Grandmaster auf neuere Generationen von IEEE 1588 PTP-Grandmastern, die 5G-Anforderungen durch bessere Zeit- und Phasengenauigkeit unterstützen. Diese Uhren bieten außerdem zusätzliche Funktionen und mehr PTP-Ports als frühere Generationen. Die neuen Großmeister müssen sich mit viel mehr Geräten verbinden, darunter ältere Funkgeräte, Mobilfunkmasten und andere PTP-Großmeister.

Diese Backhaul-Standorte und Grandmaster nutzen typischerweise das ITU-T G.8275.2-Profil, das auf der Internet Protocol (IP)-Ebene läuft. Die Telekommunikationsbranche konzentriert sich darauf, Migrationen von Legacy-Umgebungen hin zu neueren Architekturen und Geräten zu ermöglichen. Bestehende Legacy-Signalsysteme wie Synchronization Supply Units (SSU) und Primary Reference Clocks (PRC) werden nicht verschwinden und müssen in die neueren Architekturen mit Schwerpunkt auf 5G und PTP integriert werden. Ein weiterer zu berücksichtigender Aspekt, der über die Kapazität hinausgeht, ist die Möglichkeit, Systeme zu integrieren, die sich an Standorten befinden, die weit von den Großmeistern entfernt sind.

Einstieg in 5G

Betreiber, die 5G-Mobilfunkdienste hinzufügen, können bestehende Synchronisierungsinvestitionen nutzen und darauf aufbauen.

Typischerweise installieren große Betreiber PTP-Grandmaster in Zentralbüros, die drahtgebundenes Breitband und drahtlose Mobilität unterstützen. Daraus ergeben sich vier typische Anwendungsfälle.

• Betreiber nutzen eine dedizierte primäre Referenzquelle (PRS), wie sie in Nordamerika üblich ist. In diesen Fällen ersetzen Betreiber oft die alten PRS-Systeme und migrieren auf ein Grandmaster der neueren Generation, das als PRS oder erweitertes PRS (ePRS) fungieren kann.
• Betreiber migrieren von einem traditionellen PRTC-Grandmaster zu einer moderneren Plattform. Dies bietet mehr Konnektivitätsoptionen und erweiterte APTS-Funktionen sowie Frequenzsynchronisierung für Mobilfunkstandort-Backhaul (Tausende von Clients) mithilfe von PTP G.8275.2.
• Betreiber werden neue PRTC-Grandmaster für 5G-Fronthaul mit PTP G.8275.1 einsetzen.
• Betreiber migrieren bestehende Synchronisationssysteme auf modernere und belastbarere PTP-Grandmaster, die eine strenge Genauigkeit von 30 ns nach UTC sowie eine Haltezeit von 14 Tagen an ausgewählten Standorten erfüllen.

Diese Anlagen schützen Investitionen. Im Laufe der Zeit nutzen Betreiber neuere Technologien, um 5G-Standorte durch eine Weiterentwicklung der bestehenden Synchronisierungsinfrastruktur zu bedienen.

Andere Marktdynamiken

Abgesehen von den Fronthaul- und Backhaul-Überlegungen für die Auswahl eines Zeitprofils und der Kapazitätsanforderungen besitzen einige Länder oder Betreiber möglicherweise nicht die Infrastruktur für einen Teil oder alle ihrer Bereitstellungen.

In Nordamerika leasen Betreiber Backhaul-Leitungen üblicherweise von Dritten. Allerdings erfüllen diese Mietleitungen nicht immer die zeitlichen und phasenbezogenen Leistungsanforderungen des Betreibers. Mobilfunkbetreiber können sich nicht immer auf die Backhaul-Verbindungen verlassen und verfügen möglicherweise nicht über die Mittel, um die Synchronisationsqualität zu überwachen, die Drittanbieter von Mietleitungen liefern.

Um Mobilfunkbetreibern zu dienen und angesichts der strengen Timing-Anforderungen für 5G-Architekturen eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten, rüsten Mietleitungs-Backhaul-Anbieter ihre Netzwerkelemente mit Boundary Clocks auf, um den Betreibern hochpräzise Zeit- und Phasenangaben zu liefern.

Neue Marktteilnehmer wie Satellitenanbieter oder Kabelbetreiber erweitern ihr Portfolio um Mobilfunk. Sie verlassen sich auch darauf, dass Dritte genaue Zeitangaben für die gemietete Architektur liefern.

Ältere Festnetzanbieter vermieten ihre Festnetzinfrastruktur häufig an Mobilfunkbetreiber und neue Mobilfunkanbieter. Mietleitungsanbieter müssen möglicherweise ihre Infrastruktur aktualisieren, um Mobilfunkbetreibern genaue Zeit- und Phasenangaben zu liefern. Mobilfunkbetreiber können dann entweder G.8275.1 oder G.8275.2 über die geleaste Backhaul-Schicht ausführen. Betreiber, die Leitungen leasen, sollten sicherstellen, dass Drittanbieter ein gewisses Maß an Zeitgenauigkeit garantieren können.

Keine Einheitslösung

Ein Mobilfunkbetreiber, der eine 5G-Architektur einführt oder einen 5G-Dienst einführt, verfügt über Optionen, die auf Standards basieren, die im Fronthaul-Netzwerk und im Backhaul-Netzwerk eingesetzt werden können. Dies führt je nach Region, Netzwerktransport und Integrationsanforderungen zu unterschiedlichen PTP-Profilen sowie unterschiedlichen PTP-Kapazitätsniveaus.