I nedenstående artikel skal vi se på den indflydelse, timing har på kvaliteten af de services, som 5G-netværk gerne skulle levere. Hvordan timingen påvirker kravene i den overordnede timing-arkitektur, er faktisk ret fascinerende, og det er derfor værd at holde øje med de koncepter og kompleksiteter, som 5G-timing-arkitekturer og -teknologier medfører
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 4 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Jim Olsen, senior technical applications engineer, Microchip Technology, Frequency and Time Systems
Den kritiske rolle, som timingen spiller i 5G-netværk – og betydningen af timing i 5G-netværkenes ydelse – er ikke emner, der har været tilstrækkeligt undersøgt. Kilden til den timing, der bruges til at generere timing-signaler, som anvendes i 5G-netværksteknologierne, kan spores tilbage til UTC (Universal Coordinated Time). Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receivere bruges almindeligvis til at opnå den UTC-sporbare reference, der er nødvendig for at opfylde 5G timing-kravene. Der er andre teknologier til opnåelse af UTC-sporbar timing, men dem kommer vi ikke ind på i det følgende.
Den udvikling, LTE-teknologien har gennemgået fra Frequency Division Duplex (FDD) til Time Division Duplex (TDD) teknologier til brug i Radio Access Networks (RAN) til 5G, har medført nye og strenge timing-krav ud over, hvad der er nødvendigt for FDD-teknologien. Til FDD-drift har det kun været nødvendigt med en frekvensreference til frekvensbaseret alignment af RAN-udstyret, men TDD-teknologien kræver både en frekvens- og en UT-sporbar fasereference.
Det øgede krav i TDD-teknologien svarer til de CDMA-krav i RAN-netværk, som blev udviklet for flere år siden. CDMA-basestationerne havde integrerede GNSS-receivere i stationerne for at opfylde timing-kravene. En stor forskel mellem CDMA og 5G er, at CDMA-basestationerne brugte rubidium atomare clock-oscillatorer af høj kvalitet til timing holdover-funktioner, hvis GNSS-signalerne blev kompromitteret, mens 5G-basestationerne og radioteknologien ikke har denne rubidium atom-clock holdover-egenskab.
5G RAN-teknologierne bruger lavtydende oscillatorteknologier af prishensyn. Vi skal derfor se nærmere på, hvordan den følsomhed i holdover-funktionen kan imødegås i de overordnede timing-løsninger.
Single frekvensbånd for TDD
Kravene til både frekvens- og fase-alignment definerer, hvordan timingen påvirker 5G-netværksydelsen. De interne clocks i radioerne kan opretholde 50ppb (parts per billion) frekvenskrav i flere dage, så tab af timing-referencen i radioen kræver ikke backup eller behøver en hurtig indsats. Hvis clock-frekvensen i radioen driver uden for 50ppb præcisionsvinduet, vil netværket opleve en stigning i tabet af samtaler, når en radio overrækker kommunikationen til en naboradio i mobile applikationer.
Fase-alignment er en meget mere kritisk parameter, og der er i den forbindelse to slags krav: Absolut fase-alignment af en radio til UTC og den relative fase-alignment fra radio til radio. Vi skal først se på den rolle, timingen spiller i den kategori, hvor kravene til radioerne (RU) er ±1,5mikrosekunder i forhold til den absolutte UTC.
5G RAN-teknologien er baseret på TDD (Time Division Duplex), der tilføjer de absolutte krav til fase-alignment til UTC’en oven i frekvenskravene. Ved TDD-drift bliver et enkelt frekvensbånd delt af uplink– og downlink-transmissionen. Figur 1 viser forskellen mellem FDD og TDD, hvor TDD-uplink og -downlink deler det samme frekvensbånd.
Det betyder, at transmissionen skal eksekveres i tildelte time-slots, og hvis disse time-slots overlapper hinanden, så vil de data, der transmitteres i de aktuelle time-slots i en vis grad blive kompromitteret i forhold til interferens. For at forhindre overlap opstiller man sikkerhedsbånd rundt om disse time-slots, så de i tilfælde af timing-fejl kan absorbere den offset – afhængigt selvfølgelig af størrelsen – der ellers måtte opstå. I 5G TDD-netværk er der et klart ønske om at reducere størrelse af disse sikkerhedsbånd – eller helt at eliminere dem.
Timing-forstyrrelser giver interferensproblemer
Hvis timingen i forhold til de absolutte krav for UTC, ±1,5 mikrosekunder, er uden for specifikationerne i de enkelte radioers placeringer, vil det give interferens mellem radioer, som bruger det samme frekvensspektrum. Timing-fejl medfører en forringelse af servicen, og i uregulerede bånd kan det give yderligere problemer. Hvis multiple operatører deler det samme spektrum som en operatør, der har problemer med timingen, så kan det påvirke servicen i nabobåndene i form af overlappende dækning. Figur 2 viser interferensscenarier for TDD-applikationer. De afbrydelser, der er vist i diagrammerne, opstår i RU’en (Radio Unit), DL (Downlink) og UE (User Equipment).
De timing-relaterede interferensproblemer i TDD-teknologien løfter den rolle, timingen i 5G-netværk spiller, til et kritisk niveau. Det fremgår fra ITU- og ORAN- (Open Radio Access Networks) standardernes perspektiver, at risikoen for timing-relateret interferens gør en netværksbaseret PTP timing-arkitektur til den foretrukne arkitektur. 5G-radioerne har ikke de højtydende og højkvalitets oscillatorer, som radioerne kræver for at opretholde tid eller fase i en længere periode. Tabet af GNSS-modtagelsen i en radio med en integreret GNSS-receiver vil kræve, at radioen tages ud af brug hurtigt, før den begynder at påvirke nærtliggende radioer på grund af den manglende holdover-kvalitet. Netværksbaserede timing-services, hvor radioerne er forbundet til den samme clock source – der giver en god holdover – er en god mekanisme til at holde radioerne fase-alignede, hvis GNSS-timing receiver-funktionen i en source clock bliver kompromitteret. Hvis GNSS’en bliver kompromitteret i clock sourcen, så vil alle de radioer, der er forbundet til den samme clock source, afdrifte i den samme retning – og med den samme rate, for derved at undgå interferensproblemer.
Fælles clocks supporterer relative fasekrav
En 5G carrier-fremmende funktion lukker op for relative krav til fase-alignment, som ikke er et UTC-sporbart absolut fase-alignment-krav mellem de radioer, der arbejder ved FR1 (Frekvens 1, 4,1-7,125GHz, sub 6GHz) eller FR2 (Frekvens 2 24,5-52,6 GHz, mmWave). Figur 3 viser de frekvensbånd, der dækker modellerne.
De relative krav til fase-alignment til carrier-forbedringerne hænger sammen med brugen af multiple komponent-carriers, der skal tvinges ind i det samme frekvensbånd – eller multiple bånd. Med en carrier-fremmende funktion er det muligt i et brugerhåndsæt at forbinde den samme eller multiple radioer samtidigt med brug af flere komponent-carriers. De relative fasekrav i disse bruger-cases opfyldes som regel af det timing-koncept, der refereres til som en ”fælles clock”. I 5G radio-clusters er den nærmeste fælles clock den boundary clock-funktion, der er placeret til den switch, som er tættest på og fælles for naboradioer i clusteren. Figur 4 viser bruger-cases for fælles clocks.
Den carrier-fremmende funktion vil ikke fungere korrekt, hvis radioerne ikke er fase-alignet inden for specifikationer af det frekvensbånd, de opererer i. Den fælles clock skal være placeret, hvor den relative tidsfejl bliver akkumuleret imellem den fælles clock og de radioer, der ikke overskrider tidsfejlbudgettet i applikationen. En eGNSS tids-receiver bruges som en clock source – som ifølge ITU-standarder skal kunne fungere inden for PRTC (Primary Reference Time Clock) kravene, og hvor <100 nanosekunder er tidsfejlen i UTC’en. Det er den bedste tekniske tilgang til brugerbaserede PTP timingservices, som supporterer det koncept, der siger, at den nærmeste fælles clock skal være enten med en PRTC- eller BC- (Boundary Clock) funktion.
Timing-designs og -arkitekturer i 5G-netværk er vigtige for planlægning og designforhold, når vi arbejder uden for gængse footprints. Både absolutte og relative timing-krav skal tages i betragtning, når man anvender en trådløs TD-teknologi. Dårlig timing-kvalitet eller manglende planlægning i forhold til fejlende timing-scenarier kan få alvorlige konsekvenser for servicen i forhold til interferens og throughput – og som man meget passende siger: ”Timingen er altafgørende”.
Billedtekster:
Figur 1: FDD og TDD.
Figur 2: Interferens.
Figur 3: Frekvensbåndsdækningsmodeller.
Figur 4: Fælles clocks.
