Распределение синхронизации в LTE сетях

На данный момент стремительный рост сетей LTE вызывает определенные трудности, связанные с обеспечением необходимой полосы пропускания для удовлетворения потребностей пользователей. Поэтому сотовые операторы стараются преобразовать свои сети в сети с коммутацией пакетов на основе технологии IP, где могут быть переданы одновременно голос и видео для сотен и тысяч пользователей одновременно.

Несколько лет назад для обеспечения TOD(time-of-day) синхронизации для базовых станций в TDM(time-division-multiplexed) транзитных сетях была использована система GPS, но в эпоху макросот, многие зоны не имеют прямого LOS(line-of-sight) доступа к GPS спутникам связи. Таким образом, с наступлением эпохи 4G/LTE использование GPS для ToD синхронизации создает для операторов большие проблемы, что приводит к разработке различных новых решений.

Для сетей LTE требования к ToD синхронизации являются достаточно "жесткими" (до 500нс). В то время как сети предыдущего поколения, например, GSM не имеют потребности в точности ToD синхронизации, UTMS TDD требуют до 2,5мкс, а для TD-SCDMA необходима точность до 3 мкс. Более подробная информация в таблице 1.
                                                                                                                                 
                                                                                                                                                   Таблица 1

Операторы мобильной связи уже развернули в своих транспортных сетях PTP(Precision Time Protocol), как описано в IEEE1588. В данном решении используются пакеты, помеченные временными метками, которые используются для распространения частоты и времени/фазы,  а также для обмена протоколами. Но, к сожалению, протокол PTP может обеспечить решение лишь для распространения частоты, но не решает задачу синхронизации фазы и времени. Трудность возникает из-за того, что временная информация заключена в стандартных IP пакетах и передается между узлами сети. PDV(packet delay variation) приводит к дрожаниям в пакетных сетях и  ведет к временным неточностям в восстановлении синхронизации. Поэтому восстановление синхронизации является проблематичным, так как протокол PTP работает на том принципе, что между сетевыми узлами фиксированная и симметричная задержка,  что является редкостью в реальных сетях.

Проблема является более серьезной, если для транзитного соединения используются радиорелейные линии. В отличие от проводных сетей, задержки в радиорелейных линиях могут динамически изменяться в зависимости от типа используемой модуляции и атмосферных свойств, зависимых от погоды.

Для решения проблемы в более поздних версиях стандарта IEEE1588 определены два дополнительных типа синхронизации:  boundary clock (BC) и transparent clock (TC). Узел, реализующий BC,  восстанавливает синхронизацию, основываясь на временных метках, которые он получает. В дополнение к временным меткам BC узел требует их коррекции и надежного алгоритма фильтрации. Это означает, что реализация узла BC требует очень точного генератора, цифровой фазовой автоподстройки частоты(PLL). Узел BC является дорогим и сложным в реализации решением, но может выполнять точное восстановление временных меток, что необходимо для удовлетворения синхронизации LTE и LTE-Advanced.

Узлы TC проще и дешевле реализовать, поскольку они просто переадресовывают входящие временные метки после коррекции ошибок в узле.   TC может повторно использовать физический уровень(PHY) или переключиться на него при условии, что устройство совместимо с 1588v2. То есть TC имеет дополнительную логику для поддержки точности временных меток и механизмов коррекции временной метки. Очевидно, что TC является наиболее экономически эффективным решением при использовании TOD, также TC сводит к минимуму количество узлов BC в сети.  

Сети 4G/LTE  заметно увеличивают использование микросот и фемтосот для обеспечения покрытия и производительности, поэтому TC здесь играет достаточно важную роль. TC хорошо подходит для синхронизации в пикосоте в уличных условиях и для синхронизации в фемтосоте в многоэтажных закрытых сооружениях.

Для пикосот TC может быть перенесен на СВЧ  и миллиметровые диапазоны волн, чтобы удовлетворить требованиям TD-LTE и LTE-A, избавляясь от GPS/GNSS сигналов и волоконных линий. Проще говоря, TC устройство соответствует модели мелкосотовой базовой станции с минимальной стоимостью и низким энергопотреблением. Низкое энергопотребление особенно важно для операторов, которые предоставляют доступ к LTE на высоких частотах(1900МГц и 2.x ГГц) с ограниченной зоной покрытия внутри помещения.

В помещении  сеть доступа может генерировать 1588v2 синхронизацию, или в некоторых случаях GPS антенна на крыше здания может генерировать пакеты для сервисов синхронизации внутри здания.  Стоит отметить, что BC узлы должны быть стратегически развернуты по всей сети, чтобы снизить нагрузку на "Мастера" синхронизации.

Таким образом, при ограниченных капитальных вложениях операторы могут применять эффективные и менее дорогостоящие сетевые элементы, которые используют TC узлы.  Этот стратегический подход к синхронизации в сетях позволяет быстро организовать малые соты, которые улучшают покрытие и емкость экономически  эффективным образом.

Наиболее экономически эффективной стратегией для обновления сетей LTE-A и будущих малых сот является развертывание распределенных узлов TC и BC(только в случае необходимости).  Использование TC увеличивает точность синхронизации в наносекундном диапазоне.  

В соответствии с потребностями рынка компания Raisecom разработала экономически эффективное оборудование для обеспечения синхронизации 1588 для сетей операторов связи. Оборудование iTN201 совместно с платой  Grand Master может выступать в качестве узлов BC для обеспечения синхронизации, а устройство RAX711 могут выступать в качестве узлов TC.