O 5G trouxe mudanças de arquitetura que exigem sincronização. Dependendo do local e do site da rede, esses requisitos de tempo exigem diferentes perfis de PTP e capacidade de PTP.
À medida que infraestruturas críticas, como telecomunicações, serviços públicos, transporte e defesa, migram de 4G para 5G, você pode presumir que esses serviços essenciais adotam universalmente o perfil ITU-T G.8275.1 Precision Time Protocol (PTP) para sincronizar o tempo de suas redes. Afinal, o PTP incorpora um relógio de limite PTP (BC) de qualidade superior em comparação com 4G. Esta tendência, no entanto, pode subestimar que a sincronização móvel 5G se tornou mais granular.
O duplex por divisão de tempo (TDD) em 5G traz novos requisitos de fase, tanto relativos quanto absolutos. Também introduz Open RAN, com funções de unidade de banda base (BBU) desagregadas em Unidades de Rádio (RUs), Unidades Distribuídas (DUs) e Unidades Centralizadas (CUs). Como resultado, a indústria de telecomunicações padronizou dois perfis PTP, ITU-T G.8275.1 e ITU-T G.8275.2, para endereçar redes com reconhecimento de PTP e redes sem reconhecimento de PTP, respectivamente.
Problemas de sincronização
As operadoras entendem as implicações de ter uma rede de backhaul. Dependendo do tipo de rede, a variação do atraso do pacote (PDV) pode ter um grande impacto na sincronização. Em muitos países, o PTP foi implantado em 4G como um mecanismo de sincronização de backup, enquanto o Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) foi a principal fonte de sincronização. Para evitar uma situação em que uma falha do GNSS leve à perda de serviços de fase, foi desenvolvida a ideia de conectar o relógio de tempo de referência primário de borda (PRTC) ao relógio central centralizado usando um fluxo PTP. Foi adotado pela ITU-T como G.8273.4 — Assisted Partial Timing Support (APTS).
Figura 1. Uma arquitetura de sincronização típica para 4G móvel usa um relógio grandmaster e o perfil PTP G.8275.2.
Nesta arquitetura, a entrada PTP é calibrada para erro de tempo usando o PRTC GNSS de borda local. Este GNSS tem a mesma referência (Tempo Universal Coordenado, UTC) que o GNSS upstream. Você pode considerar o fluxo PTP de entrada como efetivamente um sinal GNSS proxy do núcleo com rastreabilidade até UTC.
Figura 1 mostra um cenário típico de sincronização 4G onde um grande mestre PTP atende eNodeBs 4G em um backhaul usando o perfil PTP unicast G.8275.2.
O 5G necessita de uma nova arquitetura de sincronização porque a rede móvel tornou-se cada vez mais complexa devido à desagregação Open RAN. Figura 2 mostra os principais elementos de uma arquitetura 5G.
As operadoras precisam considerar o backhaul além de uma arquitetura 5G típica. Além disso, a desagregação introduz redes fronthaul e mid-haul.
Figura 2. Uma arquitetura de rede Open RAN 5G desagrega o BBU, que adiciona dispositivos à rede e torna a sincronização mais complexa.
Do ponto de vista da sincronização, o fronthaul torna-se o ponto focal da rede para servir RUs 5G ou estações base 5G. Figura 3 mostra como uma rede fronthaul atende estações base 5G (gNodeBs) usando o perfil multicast G.8275.1. Neste cenário, o PTP se torna o principal mecanismo de sincronização.
Considerações importantes ao implementar 5G incluem o orçamento de tempo ponta a ponta (±1.5 µseg) e a precisão do tempo relativo de 130 nseg/260 nseg entre Rus adjacentes, conforme mostrado na Figura 3.
Figura 3. Uma arquitetura de sincronização típica 5G onde o fronthaul atende gNodeBs enquanto o backhaul também atende eNodeBs para 4G.
O perfil ITU-T G.8275.2, por outro lado, reside na camada 3, unicast. Não requer capacidade de suporte no caminho em todos os elementos da rede. O protocolo PTP flui através desses elementos de rede como tráfego de alta prioridade. Neste caso de uso, a rede precisa de suporte de grande capacidade de cliente PTP do grande mestre PTP, normalmente mais de cem clientes e até vários milhares em alguns casos.
Perfil Fronthaul
Fronthaul, do ponto de vista de sincronização, opera a partir de uma fonte de tempo a partir de um sinal GNSS. O Assisted Partial Timing Support (APTS) protege-o em situações em que o sinal GNSS está indisponível ou intermitente.
O Fronthaul normalmente reside em grandes cidades e áreas metropolitanas que contêm muitas estações base. Grandes mestres PTP localizados nas proximidades atendem a estação base. Nesta situação, a rede utiliza um perfil baseado em G.8275.1, um perfil PTP definido especificamente para a indústria de telecomunicações com elementos de rede que incorporam um relógio de limite moderno. G.8275.1 usa modo multicast, que não requer muita capacidade.
Até o momento, o PTP fornece sincronização de frequência fora das áreas metropolitanas. Os relógios Grandmaster implantados nesses locais atendem principalmente a sistemas de rádio FDD mais antigos. Cada vez mais, esses relógios fazem parte de uma mistura de rádios mais antigos e de novos ambientes trazidos para a implantação pela mudança para o 5G.
Muitas operadoras estão migrando grandes mestres focados em frequência para gerações mais recentes de grandes mestres IEEE 1588 PTP que suportam requisitos 5G por meio de melhor precisão de tempo e fase. Esses relógios também fornecem recursos adicionais e mais portas PTP do que as gerações anteriores. Os novos grandes mestres devem se conectar a muito mais dispositivos, incluindo rádios mais antigos, torres de celular e outros grandes mestres PTP.
Esses sites de backhaul e grandmasters normalmente utilizam o perfil ITU-T G.8275.2, que é executado na camada de protocolo de Internet (IP). A indústria de telecomunicações concentra-se em permitir migrações de ambientes legados para arquiteturas e dispositivos mais recentes. Os sistemas de sinais legados existentes, como Unidades de Fornecimento de Sincronização (SSU) e Relógios de Referência Primários (PRC), não estão desaparecendo e precisam de integração nas arquiteturas mais recentes focadas em 5G e PTP. Outro aspecto a considerar além da capacidade é a capacidade de integração de sistemas localizados em locais distantes dos grandes mestres.
Mudando para 5G
As operadoras que adicionam serviços móveis 5G podem aproveitar os investimentos de sincronização existentes e aproveitá-los.
Normalmente, as grandes operadoras instalarão grandes mestres PTP em escritórios centrais que suportam banda larga fixa e mobilidade sem fio. Isso leva a quatro casos de uso típicos.
- As operadoras usam uma Fonte de Referência Primária (PRS) dedicada, comum na América do Norte. Nesses casos, as operadoras muitas vezes substituirão os sistemas PRS legados e migrarão para um grandmaster de geração mais recente que possa funcionar como PRS ou PRS aprimorado (ePRS).
- As operadoras migram de um grande mestre PRTC tradicional para uma plataforma mais moderna. Isso fornece mais opções de conectividade e recursos avançados de APTS, bem como sincronização de frequência para backhaul de site celular (milhares de clientes) usando PTP G.8275.2.
- As operadoras implantarão novos grandes mestres PRTC para fronthaul 5G usando PTP G.8275.1.
- As operadoras migram os sistemas de sincronização existentes para grandes mestres PTP mais modernos e resilientes que atendem à rigorosa precisão de 30 ns para UTC, bem como 14 dias de permanência em locais selecionados.
Essas instalações preservam os investimentos. Com o tempo, as operadoras aproveitam tecnologias mais recentes para atender locais 5G por meio de uma evolução da infraestrutura de sincronização existente.
Outras dinâmicas de mercado
Além das considerações de fronthaul e backhaul para escolher um perfil de tempo e requisitos de capacidade, alguns países ou operadores podem não possuir a infraestrutura para parte ou para todas as suas implantações.
Na América do Norte, as operadoras geralmente alugam linhas de backhaul de terceiros. Estas linhas alugadas, no entanto, nem sempre satisfazem os requisitos de tempo e desempenho de fase do operador. As operadoras móveis nem sempre podem confiar nos links de backhaul e podem não ter os meios para monitorar a qualidade de sincronização que os provedores terceirizados de linhas alugadas oferecem.
Para servir as operadoras móveis e garantir alta precisão, dados os rigorosos requisitos de tempo para arquiteturas 5G, os provedores de backhaul de linhas alugadas estão atualizando seus elementos de rede com relógios de limite para fornecer tempo e fase altamente precisos às operadoras.
Novos participantes, como provedores de satélite ou operadoras de cabo, estão adicionando serviços móveis ao seu portfólio. Eles também contam com terceiros para entregar prazos precisos sobre a arquitetura alugada.
Os provedores de telefonia fixa legados geralmente alugam sua infraestrutura de telefonia fixa para operadoras móveis e novos participantes móveis. Os provedores de linhas alugadas podem precisar atualizar sua infraestrutura para atender às operadoras móveis com tempo e fase precisos. As operadoras móveis podem então executar G.8275.1 ou G.8275.2 na camada de backhaul alugada. As operadoras que alugam linhas devem garantir que fornecedores terceirizados possam garantir um nível de precisão de tempo.
Não há tamanho único
Uma operadora móvel que implemente uma arquitetura 5G ou lance um serviço 5G tem opções baseadas em padrões que podem ser implantadas na rede fronthaul e na rede backhaul. Isto levará a vários perfis de PTP, bem como a vários níveis de capacidade de PTP, dependendo da região, do transporte da rede e dos requisitos de integração.