סנכרון בדור החמישי

אספקת דיוק זמן של תת מיקרו-שנייה לתחנות בסיס היוותה ללא ספק את אחד האתגרים המשמעותיים אשר עמדו בפני ספקיות התקשורת בבואן להתקין את רשתות ה LTE לפני שנים ספורות. קושי זה התגלה כמשמעותי עוד יותר כאשר שירותי ה- LTA-A, אשר דורשים דיוק זמן ברמות גבוהות אף יותר, החלו להיפרס, וכיום, כאשר רשתות הדור החמישי עומדות על מפתן דלתנו, דיוקי הזמן המדוברים עולים בסדר גודל נוסף (אם לא שניים) ומתקרבים כבר לחסם הפיסיקאלי האפשרי.

“קיצור תולדות הזמן” של התקשורת הסלולרית

באופן כללי, רשת תקשורת סלולרית מורכבת מהאלמנטים הבאים:

  • ממשק האוויר (Air Interface) המחבר בין תחנת הבסיס למכשיר הנייד
  • רשת הליבה (core network) הבנויה בד”כ מרשת Packet בעלת רוחב פס רחב
  • רשת הגישה (Radio Access Network – RAN) הכוללת את כל השאר או, במילים אחרות, רשת הביניים אשר מחברת את רשת הליבה עם ממשק האוויר.

עם השנים ועם ההתקדמות בדורות של הרשתות הסלולריות, ממשק האוויר השתנה באופן משמעותי כדי לספק קצבי העברה גבוהים יותר ויותר:

  • 2G: ≤ 100 קילוביט לשנייה למכשיר נייד (GPRS) עם השהיות קצה לקצה העולות על 500 מילי-שנייה
  • 3G: ~ 10 מגהביט לשנייה למכשיר נייד (HSDPA) עם השהיות קצה לקצה באזור ה 100 מילי-שנייה
  • 4G: ≤ 300 מגהביט לשנייה למכשיר נייד (1 גיגהביט לשנייה עם LTE-A) עם השהיות קצה לקצה בסדר גודל של עשרות מילי-שנייה
  • 5G: ≤ 1 גיגהביט לשנייה למכשיר נייד עם השהיות קצה לקצה בסדר גודל של מילי-שנייה בודדות לשירותים מסוימים.

במקביל, רשת הגישה לא פיגרה מאחור:

  • GRAN: GSM radio access network (2G)
  • GERAN: GRAN plus EDGE packet services (2.75G)
  • UTRAN: UMTS radio access network (3G)
  • E-UTRAN: LTE RAN (4G)
  • 5G New Radio (NR)

תמונה 1: מודל ה network spliting של ה 5

מדוע דרישות דיוק הזמן של ה RAN עולות עם התפתחות הטכנולוגיה הסלולרית?

בכדי להבין זאת עלינו קודם כל להבין לשם מה נדרשים תדר וזמן מדויקים ברשתות סלולריות. הם נדרשים בכדי להבטיח תפקוד תקין ויעיל של ממשק האוויר. תחנות בסיס סלולריות זקוקות לאספקת סנכרון מדויק בכדי להבטיח:

  • מקסום של קצבי העברת המידע באוויר:
    • צמצום של guard frequencies/times בכדי למקסם יעילות ספקטרלית (Spectral Efficiency).
    • מיצוי של טכנולוגיות “האצת” רוחב פס (Bandwidth Boosting) כגוןCarrier Aggregation (CA) ו MIMO/CoMP.
  • מקסום של חווית המשתמש:
    • מעבר חלק (smooth handover) מתחנת בסיס אחת לאחרת
    • הפחתת השהיית הרשת מקצה לקצה
    • שירותים הבנויים על איתור המיקום המדויק של המשתמש (Location Based Services – LBS)

באופן כללי, תחנות בסיס סלולריות (כגון NodeB, eNodeB, gNodeB) מקבלות את אינפורמציית הסנכרון לו הן זקוקות מרשת הגישה (אלא אם הן משתמשות בטכנולוגיית GNSS בצורה מקומית). מכיוון שכך, התקדמות הטכנולוגיה של ממשק האוויר חייבה מענה הולם מצד רשת הגישה.

התפתחות ה- xHaul ורשת הגישה בדור החמישי

המעבר לדור החמישי משנה באופן יסודי את הארכיטקטורה של רשת הגישה. דורות ה- 2G/3G נסמכו בעיקר על backhauling, כלומר, העברת חבילות מידע מתחנות הבסיס לרשת הליבה והפוך.

ברשתות ה- LTE ו LTE-A עברו רשתות הגישה שלב אבולוציוני נוסף והציגו ארכיטקטורה המבוססת על:

  • ממשקי X2: בין תחנות בסיס שונות עבור מעבר חלק (handoff) ו- CoMP.
  • CPRI fronthaul: בין אנטנת ה- RF לבין יחידת ה- baseband המרכזית (centralized baseband processing unit) במה שמכונה לעיתים קרובות Cloud-RAN.

בדור החמישי, לעומת זאת, עוברת רשת הגישה קפיצה אבולוציונית נוספת כאשר מספר חלוקות פונקציונליות (functional splits) בין רשת הגישה וממשק האוויר אפשריות. במילים אחרות, סה”כ הפונקציונליות הנדרשת בין רשת הליבה לבין ממשק האוויר מחולקת לקבוצה של תת-פונקציות (splits) עם ממשקים מוגדרים ביניהם. עכשיו, כבר אין חשיבות למיקום הגאוגרפי של פונקציה מסוימת ונקודת ה- demarcation בין ה- backhaul לבין ה- fronthaul יכולה להתקיים בכל אחד מה- splits באופן עקרוני. הכוונה היא לאפשר גמישות במימוש אשר תביא, בסופו של דבר, לירידת עלות הציוד והתפעול.

תמונה 2: שגיאת זמן אבסולוטית מול יחסית

שגיאת זמן אבסולוטית לעומת יחסית (Clustering)

שינוי נוסף שהדור החמישי מביא אתו (למעשה, זהו שינוי שהתחיל כבר עם ה- LTE-A) הוא המעבר מסנכרון אבסולוטי ליחסי. היום דרישות הסנכרון, כפי שהן מופיעות בתקינה של ה ITU-T, עדיין מתייחסות לשגיאת הזמן אבסולוטית המקס’ המותרת בין ממשק האוויר לבין מערכת ה UTC (Universal Time Coordinates). כלומר, דיוק הזמן בכל ממשק הרשת נמדד ביחס ל UTC. לעומת זאת, טכנולוגיות MIMO (Multiple Input Multiple Output) הנכנסות יותר ויותר לשימוש בממשק האוויר, דורשות סנכרון או תיאום זמן מדויק רק בין תחנות בסיס או אנטנות סמוכות (“synchronization cluster”). האתגר הכרוך בהשגה של דיוק זמן אבסולוטי גדול באופן משמעותי מזה הנדרש עבור קיום של דיוק יחסי, ומכיוון שכך יש היגיון בפיתוח תקינה העוסקת בדרישות זמן יחסיות בנוסף לתקינת הזמן האבסולוטי הקיימת היום.

אלון גבע, מנהל מחלקת
ארכיטקטורת מוצר, רד

הפצת זמן מדויק עבור Fronthauling

לממשקי CPRI קיימים של LTE RAN, יש דרישות השהיית זמן קבועה מחמירה בסדר גודל של 16 ננו-שנייה. במילים אחרות, ההשהיה בהעברת המידע שמכניס ממשק שכזה חייבת להישאר קבועה בכל זמן נתון עד כדי ±16 ננו-שנייה. גם אם הדרישה המחמירה הזו תתמתן מעט עבור הרשת של הדור החמישי (NR-RAN), היא כנראה עדיין תישאר בסדר גודל של כמה עשרות ננו-שנייה. המשמעות היא שרשת ה- NR fronthauling החדשה של הדור החמישי תהיה חייבת לתמוך, כך או כך, בהפצת זמן מדויקת ביותר. הדרך בה הדבר יבוצע נמצא עדיין תחת לימוד ע”י ארגוני התקינה השונים (לדוגמא ITU-T SG15/Q13). בכל מקרה, דיי בטוח שהרשת החדשה תהיה חייבת לכלול מנגנוני תמיכה של הפצת תדר וזמן מדוייקים (On-path support).

 

אלון גבע, מנהל מחלקת ארכיטקטורת מוצר, רד

תגובות סגורות