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Distribución de la señal de reloj de alta precisión mediante redes ópticas en el mundo 5G

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Los operadores móviles están destinando grandes inversiones al despliegue de las redes LTE-Advanced y 5G, que transformarán las comunicaciones celulares y la conectividad. Sin embargo, se enfrentan a grandes riesgos: los servicios móviles de altas prestaciones suministrados a través de estas redes dependen enormemente de la precisión de la señal de reloj de GPS y otros sistemas globales de navegación por satélite (Global Navigation Satellite System, GNSS) para que puedan sincronizar radios, permitir nuevas aplicaciones y minimizar las interferencias. Si GPS/GNSS dejaran de funcionar debido a interferencias, manipulaciones, averías u otros motivos, la alteración del servicio tendría consecuencias desastrosas para el sistema.

Del mismo modo que la red eléctrica es extremadamente vulnerable frente a los fenómenos meteorológicos y que factores como el calor, el viento y la vegetación seca pueden dar lugar a incendios a gran escala como se ha visto en California, las redes 5G son vulnerables frente a las alteraciones que pueda sufrir la distribución precisa de la señal de reloj, y que puede acabar en el corte total de los sistemas. Las nuevas tecnologías permiten que los operadores móviles protejan sus redes ante dichas amenazas. Estas tecnologías recurren a soluciones existentes y a nuevas arquitecturas para distribuir una señal de reloj de alta precisión a largas distancias. De esta manera minimizan los costes adicionales y ofrecen el rendimiento necesario para cubrir los exigentes requisitos de 5G.

Panorama tecnológico

Las redes móviles LTE-Advanced y 5G más avanzadas aumentan enormemente la capacidad y el ancho de banda utilizados para suministrar nuevos servicios a consumidores, industrias, ciudades y segmentos concretos del mercado. Desde la transmisión de vídeo con un gran ancho de banda para smartphones hasta vehículos autónomos, ciudades inteligentes e Internet de las Cosas (IoT) para fábricas inteligentes, todos estos nuevos servicios se basan en la sincronización de numerosos sensores, estaciones base y otros dispositivos. Para llevarlo a cabo es necesario proporcionar una sincronización muy precisa a grandes distancias. Sin ella, los operadores móviles no pueden rentabilizar al máximo las inversiones que exige el despliegue minimizando los trastornos y el riesgo. También deben elaborar planes que se ejecuten si se producen fallos en el funcionamiento de GPS/GNSS. Además, han de recurrir a redes ópticas y otro tipo de infraestructura ya existente de forma que no exijan destinar nuevas y costosas inversiones a fibra oscura.

Los organismos de estandarización han establecido unos requisitos muy estrictos para una sincronización precisa, como PRTC (Prime Reference Time Clock), incluidas las especificaciones de rendimiento PRTC Clase A (PRTC-A) de 100ns, PRTC Clase B (PRTC-B) de 40ns y Enhanced PRTC (ePRTC) de 30ns. Para cumplir estos requisitos es absolutamente imprescindible contar con una fuente de señal de reloj de alta calidad, muy resiliente, eficiente, así como un mecanismo de distribución de altas prestaciones para transportar la señal de reloj desde la fuente hasta los diferentes dispositivos que lo consumen, como estaciones base, sensores, vehículos, etc.

El problema al que se enfrentan GPS/ GNSS para cumplir estos requisitos es que su despliegue puede resultar caro debido a creciente densificación de los puntos finales. También existe una vulnerabilidad técnica inherente a los receptores GNSS ubicados en estaciones base. Si el receptor GNSS no puede seguir los satélites correctamente por alguna razón, la radio se debe poner fuera de servicio con rapidez con el fin de evitar problemas de interferencias ocasionadas por el corto período de persistencia de las tecnologías de oscilador empleadas en las radios.

Bien sea por razones técnicas o financieras, los operadores están muy motivados por encontrar soluciones cuya dependencia de GNSS se vea reducida o suprimida en muchos puntos. Otros aspectos que deben tener en cuenta los operadores son: la distribución de la señal de reloj entre la fuente y los puntos finales a través de la red; los nodos de la red; y las diferentes capacidades de sincronización que admiten estos nodos de la red.
Al inicio de la cadena de sincronización suele haber un PTP (Precision Time Protocol) GrandMaster conforme a PRTC-A de 100ns o PRTC-B de 40ns de modo que pueda suministrar una señal de reloj precisa hasta el final de la cadena con un margen de +/-1,5 microsegundos. Los nodos de la red empleados en la ruta suelen incluir un reloj T-BC (Time Boundary Clock) de Clase A (50ns) o Clase B (25ns). Se requiere un nuevo tipo de arquitectura de distribución de la señal de reloj para que los operadores puedan proteger su red móvil frente a posibles alteraciones de GNSS y distribuir una señal de reloj precisa a largas distancias con el fin de llegar a todo el país. Esta arquitectura también debe proporcionar el rendimiento necesario en toda la red y en función de los requisitos de 5G.

Una arquitectura diferente para distribuir la señal de reloj

Una arquitectura para distribución de la señal de reloj de alta precisión debería permitir que los operadores pudieran atenuar de manera efectiva las vulnerabilidades de GPS/GNSS y superar otros retos en sus redes 5G. La arquitectura debería:

  • Aprovechar la red óptica existente (evitando así elevados gastos en fibra oscura)
  • Utilizar una lambda especial con el fin de transportar la señal de reloj de la forma más rápida
  • Proteger al máximo una fuente redundante de señal de reloj que alcance el máximo rendimiento de ePRTC a 30ns y se base en una combinación de cesio y GNSS como fuente de la señal de reloj
  • Tener dos direcciones para el flujo de la señal de reloj (este y oeste) para emplear una ruta redundante si surgen problemas entre la fuente y el punto final
  • Tener relojes distribuidos de alta precisión (HP BC) que puedan alcanzar el máximo nivel de rendimiento definido en los estándares actuales (T-BC Clase D de 5ns) Una arquitectura multidominio de este tipo ofrece señales de reloj redundantes, con un margen de menos de un microsegundo y de extremo a extremo, que son imprescindibles para distribuir de forma económica y precisa la señal de reloj con un alto rendimiento y en 5ns por nodo a centenares de kilómetros. Un ejemplo de este tipo de solución es TimeProvider 4100 de Microchip, que se puede configurar como ePRTC en la fuente de la cadena de sincronización con capacidades PRTCA y PRTC-B para suministrar la señal de reloj a varios nodos finales o bien un reloj HP BC en la red óptica. Este tipo de producto también se puede configurar para cumplir los requisitos concretos de cada aplicación, de extremo a extremo y con una precisión de hasta nanosegundos a larga distancia.

Garantizar una sincronización precisa

El éxito de la próxima generación de servicios móviles de alto rendimiento dependerá de cómo aborden los operadores las vulnerabilidades críticas de GPS/GNSS. Interferencias, manipulaciones, averías u otros motivos pueden afectar a la sincronización precisa de GPS/GNSS que las redes 5G requieren para sincronizar radios, permitir el uso de aplicaciones y minimizar interferencias.
Las arquitecturas más avanzadas de distribución de señal de reloj con una alta precisión reducen estos riesgos con un mínimo coste añadido y proporciona a los operadores el rendimiento que necesitan para ofrecer nuevos servicios 5G que van desde aplicaciones basadas en IoT hasta la recepción de vídeo con un gran ancho de banda en smartphones. Para más información visite la web: https://www.microchip.com/design-centers/synchronization-andtiming- systems

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