Одной из ключевых проблем, мешающих развитию сетей мобильной связи, является широко распространенная привязка заказчиков к производителям решений для сетей радиодоступа (Radio Access Networks, RAN) из-за отсутствия стандартных межсистемных интерфейсов и связей.

В 2018 г. был создан Альянс O-RAN (Open RAN, открытые RAN) в целях разработки единых интерфейсов между системами и ускорения развития мультивендорных сетей радиодоступа. Одна из ключевых тем Альянса — функциональное разделение между узлами Open Distributed Unit (O-DU) и Open Radio Unit (O-RU), которые раньше были проприетарными и содержались в одном аппаратном блоке. Спецификация данного функционального разделения называется Split Option 7.2x. Также были разработаны документы, определяющие плоскости управления, пользователей, контроля и синхронизации в O-RAN.

Спецификация O-RAN для синхронизации

Обеспечение точной синхронизации O-RU по сети fronthaul является критически важной задачей, поскольку от ее выполнения напрямую зависит способность O-RU предавать радиосигналы с надлежащей точностью.

Техническая спецификация O-RAN Fronthaul Control, User and Synchronization Plane Specification (ORAN-WG4-CUS.0) содержит спецификацию на плоскость синхронизации по сети fronthaul в составе O-RAN и базовые требования к синхронизации. В этой спецификации Альянс O-RAN определил четыре конфигурации системы синхронизации (см. ниже).

	Конфигурация С1 Передача опорного сигнала и шкалы времени от O-DU к O-RU по Ethernet-каналу точка-точка между центральным и удаленным узлами.
	Конфигурация С2 Передача опорного сигнала и шкалы времени от O-DU к O-RU (между центральными и удаленными узлами) по сети fronthaul. В ней допустимо использовать один или более коммутаторов Ethernet.
	Конфигурация C3 Передача опорного сигнала и шкалы времени от PRTC/T-GM к O-RU по сети fronthaul. В ней допустимо использовать один или более коммутаторов Ethernet.
	Конфигурация C4 Синхронизация O-RU от локального PRTC (обычно это приемник ГНСС).

Отметим, что:

• Синхронизация выполняется с использованием протокола Precision Time Protocol (PTP) и технологии Synchronous Ethernet (SyncE).
• Согласно спецификации ORAN-WG4-CUS.0, во всех четырех конфигурациях сетевое оборудование должно использовать PTP-профиль, предназначенный для синхронизации фазы и времени при полной поддержке синхронизации сетью. Этот PTP-профиль описан в рекомендации МСЭ-Т G.8275.1.
• Узел O-DU может синхронизироваться от локального или удаленного первичного сервера времени (PRTC).

Бюджеты ошибок по времени и частоте

В каждой точке сети fronthaul определены показатели точности частотной и временной синхронизации оборудования и сети. Рассмотрим в качестве примера сеть O-RAN с конфигурацией системы синхронизации С2.

К сети предъявляется несколько важных требований:

• Предварительные положения. Тест плоскости синхронизации основан на предположении, что сетевое оборудование протестировано на соответствие требованиям МСЭ-Т G.8275.1 и IEEE 1588v2 и других стандартов, относящихся к плоскости синхронизации. Ранее уже говорилось о необходимости использования PTP-профиля, описанного в рекомендации МСЭ-Т G.8275.1, а это означает, что сетевые элементы, включая O-DU, должны функционировать как телекоммуникационные граничные часы (T-BC), соответствуя рекомендации MCЭ-Т G.8273.2.
• Бюджеты временной ошибки оборудования. Бюджеты временной ошибки определены для обычного и улучшенного вариантов устройств. Например, обычный O-RU должен иметь характеристики синхронизации, соответствующие характеристикам телекоммуникационных ведомых часов (T-TSC) класса B, заданным в рекомендации МСЭ-Т G.8273.2. А улучшенный O-RU должен функционировать как T-TSC класса C. Бюджет временной ошибки обычного O-RU составляет 80 нс (на сеть fronthaul остается 95 нс). Бюджет временной ошибки улучшенного O-RU составляет 35 нс (на сеть fronthaul остается 140 нс).
• Временной бюджет сети fronthaul. Размер временного бюджета сети fronthaul не зависит от числа коммутаторов в этой сети. Число их должно быть достаточно небольшим, чтобы временная ошибка и относительная временная ошибка были в рамках бюджетных ограничений. Есть правило, основанное на характеристиках промежуточных устройств: если используются устройства класса B, число хопов ограничено двумя или тремя; при использовании устройств класса C (или D) это число может быть гораздо больше.

Тестирование плоскости синхронизации

Из-за разнообразия возможных сценариев развертывания сетей характер временных ошибок, вызванных цепочками сетевых элементов, может сильно различаться, и поэтому возможность стресс-тестирования рабочих характеристик оборудования в условиях временных ошибок имеет большое значение. Это явно указано в спецификации тестирования O-RAN на соответствие: «Тестовое оборудование должно быть способно проверять работу плоскости синхронизации под нагрузкой различными профилями шума».

На рисунке ниже работа сети синхронизации на PTP-входе тестируемого узла O-DU представлена шумовым паттерном (заданном для Reference Point C в рекомендации МСЭ-Т G.8271.1 clause 7.3), который этот узел O-DU должен выдерживать. На PTP-выходе данного узла O-DU максимальная ошибка по частоте должна быть менее 5 ppb (класс B). Для проведения таких измерений нужно разрешение менее 1 нс.

Тестирование синхронизации сетей 5G

Начинать его следует с проверки каждого сетевого устройства в отдельности на соответствие нужной спецификации. В случае применения T-BC классов С и D нужен интегрированный испытательный стенд с поддержкой PTP и SyncE и наносекундной точностью измерений (представлен на рисунке ниже).

С распространением сетей 5G тестирование синхронизации O-RU на радиоинтерфейсе станет важной частью проверки концепции и диагностики этих сетей. Широкое разнообразие типов сетевого оборудования, продуктов разных производителей и возможных топологий сетей fronthaul обуславливает то, что не будет идентичных инсталляций, а значит, возможность собирать максимум информации о характеристиках систем сетевой синхронизации при обнаружении сбоев для последующего анализа этой информации в лаборатории станет критически важной.

Заключение

Требования к синхронизации сетей 5G выполнить значительно сложнее, чем требования к синхронизации сетей мобильной связи предыдущих поколений. Кроме того, ряд технических улучшений в новых сетях затрудняет осуществление синхронизации и тем самым создает дополнительные сложности.

Это было признано отраслью в целом, и в настоящее время осуществляется множество инициатив, нацеленных на обеспечение точной и надежной синхронизации. Разработка и проверка функций синхронизации в сетях 5G могут быть с уверенностью выполнены с помощью испытательных стендов, реализующих стандартные тестовые процедуры, а также точные генерацию и измерение сигналов синхронизации PTP и SyncE. Тестирование может быть улучшено путем реалистичной имитации работы систем синхронизации в лабораторной среде.