Nyílt forrású rádióhálózatok szinkronizációja

A hálózatszinkronizáció a kommunikációs hálózatok kulcsfontosságú részfunkciója. A hálózati végpontok közötti kommunikáció helyes működéséhez a hálózat minden elemének eleget kell tennie bizonyos frekvencia-, fázis- és időkövetelményeknek. A jelen cikk az O-RAN Alliance¹ által definiált szinkronizációs architektúrákat mutatja be, és ismerteti, hogyan lehet az O-RU² és O-DU³ egységeket ennek megfelelve megtervezni. Ezenkívül áttekinti azokat a módszereket is, amelyekkel megfelelően fenntartható a szinkronitás, valamint minimalizálható a latenciaidő.

Az Open-RAN koncepció folyamatosan jelentős érdeklődést kelt a költségek csökkentésében, a szakmai verseny fokozásában és a technológiai fejlesztésben érdekelt hálózati szolgáltatók körében. A széttagolt, virtuális RAN-architektúra létrehozására irányuló igény kielégítése rugalmasabbá, versenyképesebbé és nyitottabbá tette az 5G-rádióhálózatokat.
Az O-RAN Alliance 2018-ban alakult meg azzal a céllal, hogy szabványosítsa a rádióhálózati hardvereket és nyílt forráskódú interfészeket annak érdekében, hogy a különféle gyártóktól származó berendezések működését interoperábilissá, kölcsönös együttműködésre alkalmassá tegye. Ennek eredménye az O-RAN.WG4.CUS.0-v10.00 specifikáció, amely a platformot három elkülönített kategóriára bontva tárgyalja. Ezek a dokumentum szóhasználata szerint síkoknak (plane) nevezett kategóriák a Control (vezérlő), User (felhasználó) és Sychronization (szinkronizáció) részterületeinek protokolljait, architektúráit és követelményeit tartalmazzák.

Az S-sík és a pontosság

A szinkronizációs sík (S-Plane) a hálózati topológiákkal és az O-DU és O-RU közötti fronthaul⁴ hálózati kapcsolat időzítési pontosságának korlátjaival foglalkozik. A frekvenciára, fázisra és az időszinkronizációra vonatkozó követelmények a 3GPP⁵-koncepciót követik, és illeszkednek az ITU-T-szabvány hálózatra és berendezésekre vonatkozó korlátjaihoz. A TDD⁶-cellaszervezésű hálózatoknál az ITU G.8271 szabványjavaslata szerint alapkövetelmény a bázisállomások közötti kommunikációra vonatkozó 3 µs-os előírás, illetve egy ±1,5 µs-os késleltetési bizonytalanság a felhasználói alkalmazás és a hálózat legközelebbi közös pontja között. Ennél szigorúbbak az olyan korszerű rádiókommunikációs technológiákra vonatkozó követelmények, mint az összehangolt többpontos vagy a MIMO⁷. Ahhoz, hogy a berendezések megfeleljenek ezeknek a szigorúbb hálózati korlátozásoknak, az abszolút időzítési hiba legnagyobb értéke a C-osztály számára nem haladhatja meg az ITU G.8372.2 szabványjavaslatában előírt 30 ns-os időzítési hibát.

Időzítési konfigurációk

Az S-sík négyféle topológiát definiál az időzítési adatok szétosztására a fronthaul hálózat mentén. Ezek a konfigurációk az idő- és frekvenciaalapú szinkronizációs módszereknek egy-egy kombinációján alapulnak. A hálózatokban egy, az összes hálózati elem számára elsődleges referenciaidőt szolgáltató óragenerátor (Primary Reference Time Clock – PRTC vagy ePRTC) van elhelyezve. A GNSS⁸, a PTP⁹ és egy, a fizikai rétegre telepített pontos frekvenciájú órajel (a legismertebb megoldásban a Szinkronizált Ethernet – SyncE) biztosítja, hogy az O-RU megbízhatóan érzékelje a frekvenciát, vagy – ami még fontosabb – az órajel fázisát, ami alapján a hálózat helyes működéséhez szükséges időszinkronizáció megvalósítható. Az 1. és 2. ábra négy definiált megoldást mutat az Open RAN fronthaul hálózatának időszinkronizációjára.

Az LLS-C1 konfiguráció

Az első konfigurációban a szinkronizálás az O-DU és az O-RU közötti közvetlen kommunikáció révén valósul meg. Az O-DU a hálózati időt a PRTC/T-GM¹⁰-től kapja, amely vagy közvetlenül az O-DU mellett van elhelyezve, vagy egy távoli PRTC/T-GM-től az O-DU mögötti hálózatban.

Az LLS-C2 konfiguráció

Az LLS-C2 konfigurációban az O-DU továbbra is egy, a vele egy helyen telepített, vagy a hálózat „felmenő” szakaszában elhelyezett PRTC-ből kapja a hálózati időadatot. A hálózati idő pedig az O-DU-ból továbbítható a fronthaul hálózatban elhelyezkedő más hálózati kapcsolóknak. A legjobb teljesítőképesség érdekében ajánlott, hogy ezek a kapcsolók egy „teljesen időtudatos” (G.8275.1) hálózatot alkossanak, ahol minden csomópont megfelel a kommunikációs „határóra”¹¹ (T-BC) kritériumainak. „Részlegesen időtudatos” hálózatok is megengedettek, ahol egy vagy több kapcsoló nem vesz részt a PTP szűrőfunkciójában (azaz nincs önálló PRTC-funkciója – A ford. megj.). A fronthaul hálózat típusától függően a hálózat általános teljesítőképességét a rajta átvezető ugrások típusa és száma korlátozza. Például egy C-osztályú (30 ns) T-BC-kből álló, teljesen időtudatos hálózatba több átugrás „fér bele”, mint egy B-osztályú (70 ns-os) T-BC-kből álló, teljesen időtudatos hálózatba.

1. ábra A fronthaul szinkronizációra használt LLS-C1 és az LLS-C2 konfiguráció

Az LLS-C3 konfiguráció

Ebben a harmadik konfigurációban az O-DU és az O-RU egyaránt a fronthaul hálózatban elhelyezett PRTC-től kapja a hálózati időadatot. Amint azt az LLS-C2 konfigurációnál láttuk, a fronthaul hálózaton terjesztett hálózati időadat teljesen vagy részlegesen időtudatos kapcsolókon keresztül továbbítódik. Bizonyos esetekben az O-DU T-BC-ként is részt vehet az időadat továbbításában az O-RU felé.

Az LLS-C4 konfiguráció

A négy konfiguráció közül ez az utolsó a legkedveltebb, a legkönnyebben megvalósítható, ugyanakkor a legköltségesebb. Az O-RU itt vagy egy GNSS-vevőtől, vagy egy, az O-RU mellé telepített PRTC/T-GM időjelforrásból kap másodpercenként egy órajellel (Pulse-Per-Second – PPS) reprezentált időjelet. Az 5G NR¹²-állomások telepítéseinek száma a közeljövőben várhatóan jelentősen növekszik, és ezek igényeit megvizsgálva látszik, hogy a szükséges GNSS-antennák körülményes elhelyezésük miatt drágák és/vagy nem elég praktikusak, emellett a rádióvégpontok GNSS-szerelvénye jobban ki van téve a jel meghamisításából vagy zavarásából eredő helytelen működés veszélyének.

2. ábra A fronthaul szinkronizációra használt LLS-C3 és az LLS-C4 konfiguráció

A berendezés tervezése

A hálózattelepítéshez hasonlóan a hálózati berendezések szinkronizálásának megvalósítása is megfelelő tervezést és kialakítást igényel. A hálózat szinkronizálási korlátjainak figyelembe vételével a berendezések időbélyegzőinek, és a fejlett fázisszinkronizáló hurkoknak (Phase Locked Loop – PLL), továbbá a PTP-támogatásnak a megvalósítására robusztus szoftverek és precíziós oszcillátorok kombinációja szolgál.
A tervezés első kulcsfontosságú eleme a rendszerszinkronizáló, amely több fejlett PLL-ből áll. A szinkronizálóegység látja el a SyncE-órajelek időbizonytalanságának (jitterének) és „elkúszásának” szűrését, a bemeneti referencia-órajel felügyeletét és a referenciajel megszűnésekor a jelforrás átváltását, valamint egy numerikusan vezérelt oszcillátort a PPS/PTP órajel finomszabályozásához. A PLL-ek olyan sávszélességgel (befogási tartománnyal) rendelkeznek, amely révén képesek közvetlenül a PPS-órajel­for­rásokhoz szinkronizálni.
A PTP-forgalmat a pontos időbélyegzőkön kívül maga a PTP-szoftver és egy fejlett algoritmus is kezeli, amelyek elvégzik a T-GM fázisának és idejének pontos követéséhez szükséges hangolási számításokat. Kritikus fontosságúak a precíziós oszcillátor is a szinkronizmus elegendő szintű megtartásához és az általános teljesítményparaméterek követelményeinek megfelelő működés biztosításához.
Ezek az építőelemek azonosak az O-DU, az O-RU, valamint az időkód-szétosztásban részt vevő bármely kapcsoló esetében. A funk­cionális blokkok tényleges megvalósítása a használati esettől függően különböző lehet. Például a precíziós oszcillátor az egyes hálózati elemek jelmegtartási követelményeitől függően változhat. Az O-DU oszcillátorának például stabilabbnak kell lennie, és hosszabb ideig kell újraszinkronizálás nélkül, önállóan fenntartania a specifikált időzítési tulajdonságokat, mint annak, amely az O-RU-ban működik. Emiatt az O-RU-k tervezésénél magasabb kategóriájú TCXO¹³-kat vagy mini OCXO¹⁴-kat használhatnak, míg az O-DU-k drágább (terjedelmesebb, de szigorúbban specifikált) OCXO-kat.

3. ábra A szikronizáció megvalósításának egyszerűsített tömbvázlata

Az időzítési késleltetés javítása

Egy berendezés általános időzítési pontosságának javítására egyetlen berendezésen belül egyszerre akár többféle eljárás is alkalmazható. Ezen technikák skálája az olyan alapvető tervezési megfontolásoktól kezdve, mint az időbélyeg-generátor minél közelebbi elhelyezése a berendezés széléhez, egészen a rendszeren belüli fáziskezelést szolgáló összetett rendszerkalibrációig terjed. A SyncE, pontosabban a G.8262.1 szabványban meghatározott EEC (Ethernet Equipment Clock) használata stabil frekvenciareferenciát biztosít, amely jelentősen javítja a hibrid konfigurációk általános fázisminőségét.
Ha biztonsági protokollokat használunk (amilyen például a MACsec¹⁵), gondoskodni kell arról, hogy a titkosítás/visszafejtés az időbélyeg-továbbításban csak minimális (vagy nulla) járulékos jelkésést okozzon. A fejlett algoritmus teljesítőképességét és a precíziós oszcillátor stabilitását is megfelelően kell megtervezni és kiválasztani a szükséges teljesítőképesség fenntartása érdekében. Összetettebb tervek esetén a PPS-óra elosztásában részt vevő összes időzítési részegységet úgy kell megtervezni, hogy azok minimalizálják a bemenettől a kimenetig mérhető jelkésleltetés eltéréseit, továbbá a kimenet és kimenet között mérhető jelelcsúszást, ami ezenkívül a berendezésekre vonatkozó legszigorúbb korlátozások betartása érdekében is kritikus fontosságú. A precíziós oszcillátor hőmérséklete és öregedése által okozott fázishiba további kompenzációja is megvalósítható. Néhány – vagy az összes – ilyen módszer felhasználható a berendezés időpontosságára vonatkozó előírások betartására is.
Kezdetben a vidéki és a zöldmezős magánhálózatok jó kiindulópontok voltak az Open RAN bevezetéséhez. Ahogy egyre több nagyléptékű telepítésre kerül sor, kritikus fontosságra tesz szert a nagy pontosságú hálózati szinkronizáció biztosítása az ultra­alacsony késleltetésű alkalmazások és a fejlett rádiós technológiák által megkövetelt teljesítőképesség eléréséhez.

Hivatkozás

O-RAN Control, User and Synchronization Plane Specification 10.0, O-RAN.WG4.CUS.0-v10.00, October 2022, https://orandownloadsweb.azurewebsites.net/specifications

Szerző: Darrin Gile, vezető mérnök – Microchip Technology Inc., időzítő és üzleti kommunikációs stratégiai alkalmazások üzletág

www.microchip.com

Jegyzetek

¹ O-RAN (Open Radio Access Network) Alliance: szakmai szövetség az 5G keretein belül megvalósítható RAN (Radio Access Network) nyílt forráskódú változatának elérhetősége, az eszközök szabványosítása és kölcsönös együttműködésre alkalmasságának megvalósítása érdekében.
² O-RU: (Open Radio Unit) az O-RAN követelményeinek megfelelő rádióhálózati egység (rádióhálózati fejállomás).
³ O-DU: (Open Distributed Unit) az O-RAN követelményeinek megfelelő, és a főprocesszoron futtatott rádióhálózati protokollal működtetett hálózati egység.
⁴ A „fronthaul” kifejezést a cikkben nem fordítjuk, tekintettel arra, hogy az csak hosszadalmas körülírással lenne lehetséges. A rádióhálózati csatorna a felhasználói végpont felől haladva egy rádiókapcsolattal kezdődik, amely a rádióhálózat valamelyik, az alapsávi rendszertől távol elhelyezett „rádiós fejállomással” (radio head) kommunikál. Ezt vezetékes hálózati kapcsolat köti a központi elhelyezésű alapsávi rendszerhez, és ez utóbbi szakasz szokásos megnevezése a „fronthaul”.
⁵ 3GPP (3. generációs partnerségi projekt): a mobilkommunikáció elveit megfogalmazó szervezetek közös tevékenységét egyesítő „ernyőfogalom”.
⁶ TDD: (Time Division Duplex) olyan valós idejű kétirányú kommunikáció, amelyben az adás és a vétel jelei azonos vivőfrekvencián, időbeli megosztással továbbítódnak.
⁷ MIMO: (Multiple In, Multiple Out) több adó- és vevőantennával működő kommunikációs egység, amely a visszaverődéseken és térbeli elhelyezési különbségeken alapuló többutas terjedést használja fel az átviteli csatorna kapacitásának bővítésére.
⁸ GNSS: (Global Network Satellite System) műholdas helymeghatározó rendszer (GPS), amelynek működése a terjedési idők nagy pontosságú mérésén alapul, ezért működésükhöz precíziós, globális szinten összehangolt időadatokat is használnak, ezáltal (mintegy „melléktermékként”) globális időjel-szétosztásra és szinkronizálásra is alkalmasak.
⁹ PTP: (Precision Time Protocol) számítógép-hálózatokon belüli nagy pontosságú időszinkronizációra használható protokoll.
¹⁰ A PRTC/T-GM rövidítés olyan időalap-generáló egységet takar, amely vagy a helyi elsődleges időalap, vagy az egységen elhelyezett GNSS-vevőantennából származó globális időadatot használja szinkronizált időalapként.
¹¹ „Határóra” (boundary clock) szerepét játssza minden olyan hálózati kapcsoló, amely megfelel a PTP-protokoll szerint értelmezett órajeladó (master clock) követelményeinek.
¹² 5G NR: (5G New Radio) a 3GPP keretében kifejlesztett, 5G-alapú mobilrádió-adathálózati technológia.
¹³ TCXO: (Temperature Compensated Crystal Oscillator) hőkompenzált (adott tartományon belül alacsony hőmérséklet-érzékenységű) kristályoszcillátor.
¹⁴ OCXO: (Oven Controlled Crystal Oscillator) a környezetnél nagyobb hőmérsékletre fűtött és hőmérséklet-stabilizált tokozatban elhelyezett kristályoszcillátor.
¹⁵ MACsec: (Media Access Control Security) az Ethernet-hálózatokon megvalósított pont-pont közötti biztonságos kapcsolat protokollja, amelyet az IEEE 802.1AE szabvány definiál.