česky english Vítejte, dnes je pondělí 15. červenec 2024

Distribuce přesného času v optických sítích a světě 5G

DPS 5/2021 | Články
Autor: Eric Colard, Microchip Technology

Mobilní operátoři investují nemalé prostředky do rozvoje sítí LTE-Advanced a 5G, které mají potenciál změnit mobilní způsoby komunikace a také vzájemné propojitelnosti.

Stojí však před velkým rizikem, protože špičkové mobilní služby poskytované v těchto sítích jsou nesmírně závislé na přesném času z GPS a dalších podobných regionálních konstelacích, pro které se vžilo označení Global Navigation Satellite System (GNSS), takže lze synchronizovat rádiovou komunikaci, zpřístupnit nové aplikace a také minimalizovat interference. Pokud se ale kvůli rušení, možným podvrhům, poruchám nebo i dalším vlivům stanou systémy GPS / GNSS nedostupnými, může mít výsledné přerušení služby katastrofický dopad na fungování celého systému.

Stejně jako je rozvodná energetická síť mimořádně citlivá na klimatické poměry, teplo, vítr a také suchou vegetaci, která může vést k požárům v obrovském měřítku, tak jak jsme to před časem viděli v Kalifornii, sítě 5G budou zase náchylné na přerušení distribuce přesného času, které pak může zapříčinit celkový výpadek systémů. Nové technologie mobilním operátorům každopádně umožňují chránit jejich sítě i před těmito hrozbami. Zmíněné technologie využijí stávajících systémů, zatímco dále vytváří nové architektury pro distribuci velmi přesného času napříč velkými vzdálenostmi. Minimalizují dodatečné náklady, zatímco nabízí potřebné vlastnosti s cílem vyhovět náročným požadavkům sítí 5G.

obr. 1 modem (jpg)

Technologie a její rysy

Nejnovější mobilní sítě LTE-Advanced a 5G nabízí ohromnou kapacitu a také šířku pásma vyžadovanou pro nové služby nabízené zákazníkům, průmyslovým systémům, městům a také specifickým trhům. Ať již to bude přenos širokopásmového videa do chytrých telefonů, či autonomní vozidla, chytrá města a také internet věcí (IoT) pro chytré továrny, všechny zmíněné nové služby závisí na synchronizaci mnoha senzorů, základnových stanic a dalších zařízení.

Aby to všechno bylo možné, je zapotřebí zajistit na velké vzdálenosti velmi přesný čas. Bez toho nemohou mobilní operátoři co nejvíce navyšovat své investice, a to tak, že přitom minimalizují možná přerušení a další rizika. Musí rovněž vymyslet řešení, která využijí v případě selhání GPS/GNSS. Zároveň je potřeba těžit z optických sítí a další stávající infrastruktury, takže již nejsou nutné nákladné nové investice do nepoužitých optických vláken.

Standardizační organizace definovaly velmi přísné požadavky kladené na přesný čas a synchronizaci, jako jsou PRTC (Prime Reference Time Clock) zahrnující 100 nanosekund v případě specifikací PRTC třídy A (PRTC-A), 40 ns u PRTC třídy B (PRTC-B) a také 30 ns za předpokladu „enhanced“ PRTC, tedy ePRTC. Aby toho bylo možné dosáhnout, je naprostou nutností vysoce kvalitní zdroj přesného času a také nadmíru odolný, efektivní a spolehlivý distribuční mechanizmus pro přenos informace od zdroje až k různým zařízením, která časovou informaci vyžadují, to znamená k základnovým stanicím, snímačům, vozidlům a tak dále.

Pokud jde o závislost na systémech GPS/GNSS, problém při jejich nasazování spočívá v rostoucích nákladech daných zvyšující se hustotou koncových bodů. Nesmíme však zapomenout ani na technickou zranitelnost spojenou s přijímači GNSS umístěnými v místech buňky. Pokud takový receiver pro GNSS nemůže z jakéhokoli důvodu korektně sledovat satelity, musí být vf systém od služby rychle odstaven s cílem zabránit problémům s interferencemi kvůli krátké periodě oscilátorů, které zde využíváme. Když tedy uvážíme zmíněné technické i finanční otázky, budou operátoři nepochybně motivováni k nalezení řešení, ve kterém je závislost na GNSS v řadě případů omezena, nebo dokonce zcela odstraněna.

Operátoři dále zvažují též distribuci času od zdroje ke koncovým bodům s využitím sítě, síťové uzly a také různé možnosti synchronizace, které takové uzly mohou podporovat. Precision Time Protocol (PTP) GrandMaster je obvykle umístěný na začátku takového řetězce a vyhovuje požadavkům, pokud jde o 100 ns v případě PRTC-A či 40 ns u PRTC-B, takže může zajistit na konci řetězce přesný čas v rámci ±1,5 mikrosekundy. Síťové uzly na trase běžně počítají s Time Boundary Clock (T-BC) a třídou A (50 ns) nebo třídou B (25 ns).

Aby mohli operátoři ochránit své sítě pro případ výpadku GNSS a distribuovat v národním měřítku přesný čas na velké vzdálenosti, potřebují pro zmíněné účely nový typ architektury. Taková architektura pak musí rovněž vyhovět z pohledu požadavků sítí 5G definovaných mezi oběma konci.

Distribuce času s odlišnou architekturou

Existuje několik předpokladů, které by architektura pro distribuci vysoce přesného času měla nabídnout. Operátoři tak mohou nanejvýš efektivně bojovat se zranitelnostmi spojenými s GPS/GNSS a řešit ve svých sítích 5G i další náročné úkoly. Architektura by tedy měla:

  • využívat stávající optickou síť (zabráníme tím vysokým výdajům na nepoužité optické vlákna),
  • použít speciální lambdu, takže vše do cíle dopravíme nejrychlejším způsobem,
  • maximální možnou měrou chránit redundantní zdroj času, který vyhovuje nejvyšší specifikaci 30 ns pro ePRTC a na pozici zdroje využije kombinace cesia a GNSS,
  • uvažovat dva směry (východ a západ), takže lze v případě jakéhokoli problému na cestě od zdroje ke koncovému bodu využít redundantní trasy,
  • mít řetězec HP BC (high-precision boundary clock), který vyhoví nejpřísnějším požadavkům definovaným současnými standardy (T-BC, třída D, 5 ns).

Multidoménová architektura tohoto typu nabízí redundantní možnosti časování (end-to-end, pod jednu mikrosekundu), které jsou vyžadovány k tomu, aby šlo za přijatelnou cenu zaručit špičkovou distribuci přesného času (5 ns na uzel), a to na vzdálenosti stovek kilometrů.

Jako příklad zmíněného typu řešení si uveďme TimeProvider 4100 od společnosti Microchip, který lze nakonfigurovat buď jako ePRTC v případě zdroje časovacího řetězce s možnostmi PRTC-A a PRTC-B pro různé koncové uzly, nebo jako HP BC na trase optické sítě. Takový typ produktu lze rovněž konfigurovat s ohledem na specifické požadavky aplikace (end-to-end, až nanosekundová přesnost navzdory velkým vzdálenostem).

Zajišťujeme přesné časování

Úspěch nadcházející generace špičkových mobilních služeb bude záviset na tom, jak dobře se operátoři vypořádají se současnými klíčovými zranitelnostmi, pokud jde o systémy GPS/GNSS. Rušení, podvrhy, poruchy nebo i další vlivy mohou totiž narušit přesné časování s GPS/GNSS, které sítě 5G potřebují k synchronizaci vf systémů, zpřístupnění aplikací a také k minimalizaci interferencí.

Nejnovější architektury pro distribuci přesného času taková rizika zmírňují s minimálními dodatečnými náklady a nabízí tak operátorům možnosti, které budou potřebovat při podpoře náročných nových služeb v sítích 5G zasahujících od aplikací založených na internetu věcí až po chytré telefony a přenos videa s velkou šířkou pásma. Pro více informací navštivte [1].

Odkazy:

[1] https://www.microchip.com/design-centers/synchronizationand-timing-systems