Ventajas de las señales GNSS modernizadas para aplicaciones de temporización en redes de comunicaciones

Por Paula Syrjarinne, PhD, Managet Timing Product Development, u-blox y Samuli Pietila, Director Product Line Management, u-blox.

Poder transmitir vídeos de alta calidad y otros contenidos desde y hacia nuestros dispositivos móviles, en cualquier parte del mundo, es algo que la mayoría de nosotros damos por sentado. Pero para los responsables del diseño, la construcción y el mantenimiento de las redes de comunicación que sustentan esta capacidad, las crecientes expectativas de los consumidores suponen un reto.

Proporcionar altas velocidades de transmisión de datos a un gran número de usuarios significa que las redes celulares y de comunicación actuales y futuras deben funcionar de forma muy diferente a las de antaño. Para las redes de datos de alta velocidad modernas es especialmente importante           estar sincronizadas en todas las estaciones base, servidores y otros nodos de la red. Cuanto menor sea el error en la lectura del tiempo, más datos podrá manejar la red, lo que significa que los operadores pueden hacer un uso más eficiente de las frecuencias y otros recursos por los que han pagado.

Muchos dispositivos utilizan sistemas mundiales de navegación por satélite (GNSS) para mantener sincronizadas las distintas partes de la red. El GNSS se suele elegir antes que las técnicas de cronometraje basadas en la red debido a su precisión, rentabilidad, facilidad de instalación y disponibilidad mundial. Tradicionalmente, para sincronizar la temporización de la red mediante GNSS se han utilizado receptores de banda única, que utilizan las señales de banda L1 emitidas desde los satélites.

Retos del GNSS de banda L1

Aunque la especificación 3GPP establece el requisito básico de sincronización en la interfaz de antena de la estación base en 1,5 µs, los servicios avanzados 5G requieren una precisión de tiempo significativamente mayor. Conseguirlo no siempre es sencillo, especialmente en las complejas redes  de la vida real. Además de los problemas relacionados con la red, varios factores pueden afectar a las señales GNSS de banda L1 que reciben los dispositivos. Esto, a su vez, afecta a la fiabilidad y precisión de los datos de temporización a los que tiene acceso la red. Veamos brevemente tres de los principales problemas.

Interferencia (jamming) en la señal GNSS

Las interferencias o jamming son una amenaza constante para cualquier dispositivo que utilice GNSS, y pueden provocar la pérdida total del funcionamiento del GNSS en el caso de los receptores monobanda. Desde el punto de vista de la temporización, los dispositivos suelen disponer de algún tipo de reloj atómico para mantener la señal durante la interrupción del GNSS. Pero esto, normalmentle  so     lo proporcionará los niveles necesarios de precisión de temporización durante      unas pocas horas.

Retraso ionosférico

Para los receptores GNSS que operan en condiciones de cielo abierto, la fuente de error dominante es el retardo ionosférico que provoca una variación continua en la precisión de la temporización. Los factores que influyen en el nivel de retardo ionosférico incluyen la latitud del dispositivo receptor, la hora del día y del año, y los niveles de actividad solar. Tras un periodo de actividad solar relativamente baja, estamos en vísperas de un pico en torno a 2025.

El retardo ionosférico suele tratarse con modelos como el GPS Klobuchar, o con servicios de aumento como los sistemas de aumento por satélite (SBAS). Ninguno de estos enfoques es adecuado en todas las situaciones. Los modelos tienen la limitación inherente de que son meras predicciones. SBAS, por su parte, so lo está disponible en ciertas partes del mundo, y requiere una vista despejada del cielo hacia el ecuador para recibir la transmisión del satélite geoestacionario SBAS.

Multitrayectoria

Para los dispositivos que operan en entornos urbanos y otros entornos obstruidos, hay otro problema al que enfrentarse cuando se trata de la recepción de señales GNSS: la multitrayectoria. Las señales GNSS L1 de banda estrecha son especialmente propensas a este fenómeno, que provoca errores en los datos de temporización a los que tienen acceso los dispositivos.

La multitrayectoria se está convirtiendo en un problema cada vez mayor para quienes diseñan y construyen redes 5G, ya que estas requieren más estaciones base en entornos obstruidos, junto con mayores niveles de precisión de la temporización para soportar un mayor rendimiento. Además, aunque se pudiera resolver el problema de la multitrayectoria, las limitadas vistas del cielo que suelen tener los dispositivos en estos entornos hacen que SBAS rara vez sea una solución viable para la compensación del retardo ionosférico.

Mejora de la precisión de la temporización con GNSS de doble banda

Frente a estos retos, hay buenas noticias para quienes diseñan equipos para su uso en redes celulares y otras redes de comunicaciones, independientemente de dónde vayan a utilizarse. Mientras que las señales GNSS de banda L1 se diseñaron hace décadas, principalmente para uso militar, ahora hay señales GNSS modernizadas que se emiten en paralelo. Estas señales modernizadas, que operan en la banda L5 a 1176,45 MHz, se han diseñado teniendo en cuenta las aplicaciones civiles actuales.

Para las aplicaciones de sincronización/temporización, el valor de las señales de la banda L5 se obtiene cuando se utilizan junto con la L1, en una configuración de doble banda. Para ilustrar la diferencia, tomemos el ejemplo de los receptores GNSS de doble banda de u-blox, que están especificados para proporcionar una precisión de temporización de 5 ns, frente a los 20 ns de un receptor de banda única.

Las constelaciones GNSS GPS, Galileo y BeiDou emiten ahora señales L5 para algunos o todos sus satélites. Por tanto, siempre que se elija un receptor GNSS capaz de utilizar las tres constelaciones, podrán beneficiarse de las señales L5 en cualquier lugar del mundo. L o único que se tiene que cambiar en los diseños es r los receptores y antenas GNSS monobanda por variantes de doble banda.

Además, el sistema de navegación regional hindú, NavIC, está disponible en la banda L5. Esto permite que un único diseño global de doble banda L1+L5 también sea compatible con los requisitos regionales.

Afrontar los grandes retos de la sincronización

El uso de un receptor y una antena GNSS de doble banda L1L5 ayudará a los ingeniero de diseño a abordar los retos de sincronización que hemos descrito anteriormente.

Mayor resistencia a los ataques de interferencias

Al igual que la banda L1, la L5 es una banda de servicios de radionavegación aeronáutica (ARNS- Aeronautical Radio Navigation Services), lo que significa que está bien protegida y vigilada contra interferencias. Además, el funcionamiento en doble banda protege contra el uso de inhibidores de una sola banda, ya que el dispositivo podrá seguir obteniendo información de temporización de la banda restante no interferida.

Aunque se producirá un cierto aumento del error de sincronización durante la interferencia, éste seguirá estando dentro de tolerancias aceptables para la mayoría de los casos de uso, como muestra la figura 1. El gráfico también muestra la rapidez con la que se reanuda el funcionamiento en doble banda, con una varianza temporal mucho menor, cuando finaliza la interferencia.

Figura 1: Impacto de las interferencias de 24 horas en las bandas L1 (magenta) y L5 (verde). Fuente: u-blox:

Retrasos ionosféricos sin modelos ni datos de corrección

El retardo ionosférico afecta a las frecuencias de las bandas L1 y L5 de distintas maneras. Lo más importante es que la relación es conocida, por lo que cuando se recibe en ambas bandas, se puede calcular el retardo ionosférico real, en lugar de tener que confiar en modelos para predecirlo o utilizar un servicio de corrección. Esto significa que el error de sincronización se mantiene dentro de un rango mucho menor, como se ilustra en la Figura 2.

Figura 2: Error de sincronización con el modelo Klobuchar frente al algoritmo de doble frecuencia. Fuente: u-bloxu

Mejor rendimiento en entornos urbanos y obstruidos

Las señales L5 de banda ancha son mucho menos vulnerables a los trayectos múltiples que las señales L1 de banda estrecha. Esto reduce directamente el error en los datos de temporización. Además, el diseño más moderno de la señal L5 incluye corrección de errores hacia delante, lo que proporciona protecciones adicionales contra los errores de bits que pueden producirse cuando las señales son débiles, como puede ocurrir en entornos urbanos y obstruidos. La figura 3 muestra el error residual verdadero, mucho menor, de las señales L1 y L5 en una zona afectada por trayectos múltiples.

Figura 3: Residuos de pseudodistancia en función del ángulo de elevación del satélite. Fuente: u-blox

Es hora de aumentar el ROI de sus inversiones en red

La creciente demanda de redes de datos de alto rendimiento se traduce en una mayor atención a la necesidad de mantener sincronizados de forma fiable los datos de tiempo en todos los nodos de la red. Aunque las señales GNSS L1 tradicionales suelen considerarse una forma precisa y rentable de conseguirlo, son susceptibles a interferencias y trayectos múltiples, y también se ven afectadas por retrasos ionosféricos. Todo ello afecta al nivel de precisión de la sincronización en la red.

El uso de las modernas señales GNSS L5 junto con las señales L1 resuelve estos problemas, lo que se traduce en unos datos de temporización mucho más coherentes para las  redes. Esto significa que la red se puede configurar       para manejar más datos, lo que se traduce en una mejor experiencia del cliente y un mayor rendimiento de sus inversiones en la red.

u-blox ofrece una gama de módulos de temporización GNSS de banda dual de alta precisión, incluidos LEA-F9T, ZED-F9T y NEO-F10T, todos los cuales cumplen los requisitos de sincronización de tiempo 5G.