Mobilfunkbetreiber investieren stark in die Bereitstellung von LTE-Advanced- und 5G-Netzen, die die Mobilfunkkommunikation und -konnektivität verändern werden. Sie sind jedoch großen Risiken ausgesetzt: Die über diese Netzwerke bereitgestellten leistungsstarken mobilen Dienste sind in hohem Maße vom genauen Taktsignal von GPS und anderen globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS) abhängig, die Funkgeräte synchronisieren, neue Anwendungen ermöglichen und Störungen minimieren können. Wenn GPS/GNSS aufgrund von Störungen, Manipulationen, Fehlern oder aus anderen Gründen nicht mehr funktioniert, hätte die Dienstunterbrechung katastrophale Folgen für das System.
So wie das Stromnetz extrem anfällig für Wetterereignisse ist und Faktoren wie Hitze, Wind und trockene Vegetation zu großflächigen Bränden wie in Kalifornien führen können, sind 5G-Netze anfällig für Änderungen, die die präzise Verteilung des Taktsignals betreffen leiden können, was bis zum Totalausfall der Systeme führen kann. Neue Technologien ermöglichen es Mobilfunkbetreibern, ihre Netze vor solchen Bedrohungen zu schützen. Diese Technologien nutzen bestehende Lösungen und neue Architekturen, um ein hochpräzises Taktsignal über große Entfernungen zu verteilen. So minimieren sie Zusatzkosten und bieten die nötige Leistung, um den hohen Anforderungen von 5G gerecht zu werden.
Technologielandschaft
Die fortschrittlichsten LTE-Advanced- und 5G-Mobilfunknetze erhöhen die Kapazität und Bandbreite, die zur Bereitstellung neuer Dienste für Verbraucher, Branchen, Städte und bestimmte Marktsegmente verwendet werden, erheblich. Von Video-Streaming mit hoher Bandbreite für Smartphones bis hin zu autonomen Fahrzeugen, intelligenten Städten und dem Internet der Dinge (IoT) für intelligente Fabriken – all diese neuen Dienste beruhen auf der Synchronisation zahlreicher Sensoren, Basisstationen und anderer Geräte. Dazu ist eine sehr genaue Synchronisation über große Distanzen notwendig. Ohne sie können Mobilfunkbetreiber die für die Bereitstellung erforderlichen Investitionen nicht optimal nutzen und gleichzeitig Unterbrechungen und Risiken minimieren. Sie müssen auch Pläne entwickeln, die ausgeführt werden, wenn GPS/GNSS-Fehlfunktionen auftreten. Darüber hinaus müssen sie auf optische Netze und andere Arten bestehender Infrastruktur zurückgreifen, damit sie keine neuen und teuren Investitionen in Dark Fiber benötigen.
Standardisierungsgremien haben sehr strenge Anforderungen für genaues Timing festgelegt, wie z. B. PRTC (Prime Reference Time Clock), einschließlich PRTC Class A (PRTC-A) 100 ns, PRTC Class B (PRTC-B) 40 ns Leistungsspezifikationen und Enhanced PRTC (ePRTC). 30ns. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist eine qualitativ hochwertige, hochgradig belastbare und effiziente Taktsignalquelle sowie ein leistungsstarker Verteilungsmechanismus zum Transport des Taktsignals von der Quelle zu den verschiedenen Geräten, die es verbrauchen, unbedingt erforderlich. wie Basisstationen, Sensoren, Fahrzeuge usw.
Das Problem, dem GPS/GNSS bei der Erfüllung dieser Anforderungen gegenübersteht, besteht darin, dass es aufgrund der zunehmenden Verdichtung von Endpunkten teuer in der Bereitstellung sein kann. Es gibt auch eine technische Schwachstelle in GNSS-Empfängern, die sich an Basisstationen befinden. Wenn der GNSS-Empfänger die Satelliten aus irgendeinem Grund nicht korrekt verfolgen kann, muss das Funkgerät schnell außer Betrieb genommen werden, um Interferenzprobleme zu vermeiden, die durch die kurze Persistenz der in den Funkgeräten verwendeten Oszillatortechnologien verursacht werden.
Ob aus technischen oder finanziellen Gründen, die Betreiber sind hochmotiviert, Lösungen zu finden, deren Abhängigkeit von GNSS an vielen Stellen reduziert oder eliminiert wird. Andere Aspekte, die Betreiber berücksichtigen müssen, sind: die Verteilung des Taktsignals zwischen der Quelle und den Endpunkten über das Netzwerk; die Netzwerkknoten; und die verschiedenen Synchronisierungsfähigkeiten, die diese Netzwerkknoten unterstützen.
Am Anfang der Synchronisationskette befindet sich normalerweise ein PTP (Precision Time Protocol) GrandMaster, der 100 ns PRTC-A oder 40 ns PRTC-B entspricht, damit er ein genaues Taktsignal mit einer Toleranz von +/ -1,5 Mikrosekunden. Die in der Route verwendeten Netzwerkknoten enthalten normalerweise einen T-BC-Takt (Time Boundary Clock) der Klasse A (50 ns) oder der Klasse B (25 ns). Eine neuartige Taktverteilungsarchitektur ist erforderlich, damit Betreiber ihr Mobilfunknetz vor möglichen GNSS-Störungen schützen und ein genaues Taktsignal über große Entfernungen verteilen können, um das ganze Land zu erreichen. Diese Architektur muss auch die nötige Performance über das gesamte Netzwerk und basierend auf den 5G-Anforderungen bereitstellen.
Eine andere Architektur zur Verteilung des Taktsignals
Eine hochpräzise Taktverteilungsarchitektur sollte es Betreibern ermöglichen, GPS/GNSS-Schwachstellen effektiv zu mindern und andere Herausforderungen in ihren 5G-Netzwerken zu bewältigen. Die Architektur sollte:
- Nutzen Sie das vorhandene optische Netzwerk (und vermeiden Sie so hohe Kosten in Dark Fiber)
- Verwenden Sie ein spezielles Lambda, um das Taktsignal am schnellsten zu transportieren
- Maximieren Sie den Schutz einer redundanten Taktquelle, die die volle ePRTC-Leistung bei 30 ns erreicht und sich auf eine Kombination aus Cäsium und GNSS als Taktquelle stützt
- Haben Sie zwei Richtungen für den Taktfluss (Osten und Westen), um einen redundanten Pfad zu verwenden, wenn Probleme zwischen Quelle und Endpunkt auftreten
- Verfügen über hochpräzise verteilte Uhren (HP BC), die das in aktuellen Standards definierte maximale Leistungsniveau erreichen können (T-BC Klasse D von 5 ns). Eine solche Multi-Domain-Architektur bietet redundante Taktsignale mit einem Spielraum von weniger als einer Mikrosekunde und Ende-zu-Ende, die wesentlich sind, um das Taktsignal wirtschaftlich und genau mit hoher Leistung und in 5 ns pro Knoten auf Hunderte von Kilometern zu verteilen. Ein Beispiel für eine solche Lösung ist der TimeProvider 4100 von Microchip, der als ePRTC an der Timing-Chain-Quelle mit PRTCA- und PRTC-B-Fähigkeiten konfiguriert werden kann, um das Taktsignal an mehrere Endknoten oder einen HP BC-Takt im optischen Netzwerk zu liefern. Diese Art von Produkt kann auch so konfiguriert werden, dass es die spezifischen Anforderungen jeder Anwendung erfüllt, End-to-End und mit einer Genauigkeit von bis zu Nanosekunden über große Entfernungen.
Achten Sie auf genaues Timing
Der Erfolg der nächsten Generation leistungsstarker mobiler Dienste wird davon abhängen, wie Betreiber kritische GPS/GNSS-Schwachstellen angehen. Interferenzen, Manipulationen, Fehler oder andere Gründe können die präzise GPS/GNSS-Synchronisation beeinträchtigen, die 5G-Netzwerke benötigen, um Funkgeräte zu synchronisieren, die Verwendung von Anwendungen zu ermöglichen und Interferenzen zu minimieren.
Die neuesten hochpräzisen Uhrenverteilungsarchitekturen reduzieren diese Risiken bei minimalen zusätzlichen Kosten und bieten Betreibern die Leistung, die sie benötigen, um neue 5G-Dienste bereitzustellen, die von IoT-basierten Anwendungen bis hin zum Videoempfang mit hoher Bandbreite auf Smartphones reichen. Weitere Informationen finden Sie auf der Website: https://www.microchip.com/design-centers/synchronization-andtiming- systems
