5G bracht architectuurveranderingen met zich mee die synchronisatie vereisen. Afhankelijk van de locatie en netwerklocatie vereisen deze timingvereisten verschillende PTP-profielen en PTP-capaciteit.
Nu kritieke infrastructuur zoals telecommunicatie, nutsvoorzieningen, transport en defensie migreren van 4G naar 5G, zou je kunnen aannemen dat deze essentiële diensten universeel het ITU-T G.8275.1 Precision Time Protocol (PTP)-profiel gebruiken voor tijdsynchronisatie van hun netwerken. PTP bevat immers een PTP-grensklok (BC) van superieure kwaliteit in vergelijking met 4G. Deze tendens zou echter kunnen onderschatten dat de mobiele synchronisatie van 5G gedetailleerder is geworden.
Time Division Duplex (TDD) in 5G brengt nieuwe fase-eisen met zich mee, zowel relatief als absoluut. Het introduceert ook Open RAN, waarbij basisbandeenheidfuncties (BBU) zijn opgesplitst in Radio-eenheden (RU's), gedistribueerde eenheden (DU's) en gecentraliseerde eenheden (CU's). Als gevolg hiervan heeft de telecomindustrie twee PTP-profielen gestandaardiseerd, ITU-T G.8275.1 en ITU-T G.8275.2, om respectievelijk PTP-bewuste en PTP-onbewuste netwerken aan te pakken.
Synchronisatieproblemen
Operators begrijpen de implicaties van het hebben van een backhaulnetwerk. Afhankelijk van het type netwerk kan packet-delay variatie (PDV) een grote impact hebben op de synchronisatie. In veel landen werd PTP in 4G ingezet als back-upsynchronisatiemechanisme, terwijl het Global Navigation Satellite System (GNSS) de primaire synchronisatiebron was. Om een situatie te vermijden waarin een GNSS-storing leidt tot het verlies van fasediensten, werd het idee ontwikkeld om de edge primaire referentietijdklok (PRTC) te verbinden met de gecentraliseerde kernklok met behulp van een PTP-stroom. Het werd door de ITU-T aangenomen als G.8273.4 - Assisted Partial Timing Support (APTS).
Figuur 1. Een typische synchronisatiearchitectuur voor mobiel 4G maakt gebruik van een grootmeesterklok en het G.8275.2 PTP-profiel.
In deze architectuur wordt de PTP-invoer gekalibreerd op tijdfouten met behulp van de lokale PRTC GNSS. Dit GNSS heeft dezelfde referentie (Universal Coulated Time, UTC) als het stroomopwaartse GNSS. U kunt de binnenkomende PTP-stroom beschouwen als een proxy-GNSS-signaal vanuit de kern met traceerbaarheid naar UTC.
Figuur 1 toont een typisch 4G-synchronisatiescenario waarbij een PTP-grootmeester 4G eNodeB's bedient via een backhaul met behulp van het PTP unicast G.8275.2-profiel.
5G heeft een nieuwe synchronisatiearchitectuur nodig omdat het mobiele netwerk steeds complexer is geworden als gevolg van de Open RAN-disaggregatie. Figuur 2 toont de belangrijkste elementen van een 5G-architectuur.
Operators moeten naast een typische 5G-architectuur ook rekening houden met de backhaul. Bovendien introduceert disaggregatie fronthaul- en mid-haul-netwerken.
Figuur 2. Een Open RAN 5G-netwerkarchitectuur splitst de BBU op, waardoor apparaten aan het netwerk worden toegevoegd en de synchronisatie complexer wordt.
Vanuit synchronisatieoogpunt wordt de fronthaul het centrale netwerkpunt voor het bedienen van 5G RU's of 5G-basisstations. Figuur 3 laat zien hoe een fronthaul-netwerk 5G-basisstations (gNodeBs) bedient met behulp van het G.8275.1 multicast-profiel. In dit scenario wordt PTP het primaire synchronisatiemechanisme.
Belangrijke overwegingen bij de implementatie van 5G zijn onder meer het end-to-end timingbudget (±1.5 µsec) en de relatieve tijdsnauwkeurigheid van 130 nsec/260 nsec tussen aangrenzende Rus, zoals weergegeven in figuur 3.
Figuur 3. Een typische 5G-synchronisatiearchitectuur waarbij de fronthaul gNodeB's bedient, terwijl de backhaul ook eNodeB's voor 4G bedient.
Het ITU-T G.8275.2-profiel bevindt zich daarentegen op laag 3, unicast. Het vereist geen on-path ondersteuningsmogelijkheden op alle netwerkelementen. Het PTP-protocol stroomt door deze netwerkelementen als verkeer met hoge prioriteit. In dit gebruiksscenario heeft het netwerk grote ondersteuning van de PTP-clientcapaciteit nodig van de PTP-grootmeester, doorgaans meer dan honderd clients en in sommige gevallen zelfs enkele duizenden.
Fronthaul-profiel
Fronthaul werkt, vanuit het oogpunt van synchronisatie, vanuit een tijdsbron op basis van een GNSS-signaal. Assisted Partial Timing Support (APTS) beschermt het in situaties waarin het GNSS-signaal niet beschikbaar is of onderbroken wordt.
Fronthaul bevindt zich doorgaans in grote steden en metrogebieden met veel basisstations. PTP-grootmeesters in de buurt bedienen het basisstation. In deze situatie gebruikt het netwerk een profiel gebaseerd op G.8275.1, een PTP-profiel dat specifiek is gedefinieerd voor de telecomsector met netwerkelementen die een moderne grensklok insluiten. G.8275.1 maakt gebruik van de multicasting-modus, waarvoor niet veel capaciteit vereist is.
Tot op heden biedt PTP frequentiesynchronisatie buiten stedelijke gebieden. Grootmeesterklokken die op deze locaties worden ingezet, bedienen voornamelijk oudere FDD-radiosystemen. Deze klokken maken steeds vaker deel uit van een mix van oudere radio's en nieuwe omgevingen die door de overstap naar 5G naar de markt zijn gebracht.
Veel operators migreren frequentiegerichte grootmeesters naar nieuwere generaties IEEE 1588 PTP-grootmeesters die de 5G-vereisten ondersteunen door betere tijd- en fasenauwkeurigheid. Deze klokken bieden ook extra mogelijkheden en meer PTP-poorten dan eerdere generaties. De nieuwe grootmeesters moeten verbinding maken met veel meer apparaten, waaronder oudere radio's, zendmasten en andere PTP-grootmeesters.
Deze backhaul-sites en grootmeesters maken doorgaans gebruik van het ITU-T G.8275.2-profiel, dat draait op de internetprotocollaag (IP). De telecomindustrie richt zich op het mogelijk maken van migraties van oudere omgevingen naar nieuwere architecturen en apparaten. Bestaande oudere signaalsystemen zoals Synchronization Supply Units (SSU) en Primary Reference Clocks (PRC) gaan niet weg en moeten worden geïntegreerd in de nieuwere architecturen gericht op 5G en PTP. Een ander aspect dat verder gaat dan de capaciteit is de mogelijkheid om systemen te integreren die zich op locaties ver van de grootmeesters bevinden.
Op weg naar 5G
Operators die mobiele 5G-diensten toevoegen, kunnen bestaande synchronisatie-investeringen benutten en daarop voortbouwen.
Doorgaans zullen grote operators PTP-grootmeesters installeren in centrale kantoren die vaste breedband en draadloze mobiliteit ondersteunen. Dit leidt tot vier typische gebruiksscenario's.
- Operators gebruiken een speciale Primary Reference Source (PRS), wat gebruikelijk is in Noord-Amerika. In die gevallen zullen operators vaak de oudere PRS-systemen vervangen en migreren naar een nieuwere generatie grootmeester die kan functioneren als een PRS of verbeterde PRS (ePRS).
- Operators migreren van een traditionele PRTC-grootmeester naar een moderner platform. Dit biedt meer connectiviteitsopties en geavanceerde APTS-mogelijkheden, evenals frequentiesynchronisatie voor backhaul van mobiele locaties (duizenden clients) met behulp van PTP G.8275.2.
- Operators zullen nieuwe PRTC-grootmeesters inzetten voor 5G fronthaul met behulp van PTP G.8275.1.
- Operators migreren bestaande synchronisatiesystemen naar modernere en veerkrachtiger PTP-grootmeesters die voldoen aan de strikte nauwkeurigheid van 30 ns tot UTC, evenals een wachttijd van 14 dagen op geselecteerde locaties.
Deze installaties behouden investeringen. In de loop van de tijd maken operators gebruik van nieuwere technologieën om 5G-sites te bedienen via een evolutie van de bestaande synchronisatie-infrastructuur.
Andere marktdynamiek
Afgezien van de fronthaul- en backhaul-overwegingen bij het kiezen van een timingprofiel en capaciteitsvereisten, is het mogelijk dat sommige landen of operators de infrastructuur niet voor een deel of al hun implementaties bezitten.
In Noord-Amerika huren exploitanten gewoonlijk backhaullijnen van derden. Deze huurlijnen voldoen echter niet altijd aan de tijd- en faseprestatie-eisen van de exploitant. Mobiele operators kunnen niet altijd vertrouwen op de backhaulverbindingen en beschikken mogelijk niet over de middelen om de synchronisatiekwaliteit te monitoren die externe aanbieders van huurlijnen leveren.
Om mobiele operators te bedienen en een hoge nauwkeurigheid te garanderen, gezien de strenge timingvereisten voor 5G-architecturen, upgraden aanbieders van huurlijnbackhaul hun netwerkelementen met grensklokken om operators zeer nauwkeurige tijd en fase te kunnen bieden.
Nieuwkomers zoals satellietaanbieders of kabelexploitanten voegen mobiel toe aan hun portfolio. Ze vertrouwen ook op derde partijen om de precieze tijd voor de gehuurde architectuur te leveren.
Oudere aanbieders van mobiele telefonie verhuren hun vaste infrastructuur vaak aan mobiele operators en nieuwe mobiele toetreders. Huurlijnaanbieders moeten mogelijk hun infrastructuur upgraden om mobiele operators met nauwkeurige tijd en fase te kunnen bedienen. Mobiele operators kunnen vervolgens G.8275.1 of G.8275.2 over de gehuurde backhaullaag gebruiken. Exploitanten van leaselijnen moeten ervoor zorgen dat externe aanbieders een zekere mate van tijdsnauwkeurigheid kunnen garanderen.
Geen one-size-fits-all
Een mobiele operator die een 5G-architectuur implementeert of een 5G-dienst lanceert, heeft opties op basis van standaarden die kunnen worden ingezet op het fronthaul-netwerk en het backhaul-netwerk. Dit zal leiden tot verschillende PTP-profielen en verschillende PTP-capaciteitsniveaus, afhankelijk van de regio, het netwerktransport en de integratievereisten.