El sincronismo es una de las funciones más críticas de un sistema de comunicación, especialmente para Time Division Duplex (TDD), donde tanto el uplink como el downlik se encuentran en la misma frecuencia y la posibilidad de interferencia es mucho más significativa. Como resultado, vemos requisitos más estrictos para el tiempo y la sincronización tanto para TDD LTE como para 5G-NR.

TDD resulta ser una opción más atractiva desde el punto de vista de la eficiencia espectral porque solo requiere un espectro no apareado para su funcionamiento, lo que es beneficioso considerando la escasez de recursos de frecuencia.

Comprensión del formato de ranura TDD

Al igual que LTE, las tramas de radio 5G tienen una duración fija de 10 ms. Cada trama de radio contiene diez subtramas de 1 ms. La diferencia con LTE es que en 5G-NR, la duración de la ranura y el símbolo depende de la numerología. Ver Figura 1.

A medida que cambia el espaciado de las subportadoras, también lo hace el número de ranuras y símbolos por subtramas. Por ejemplo, 15 KHz tiene una subtrama de 1 ms de duración que equivale a una ranura que contiene 14 símbolos. Para un espaciado de subportadoras de 30 KHz, una subtrama equivale a 2 ranuras de 0,5 ms de duración cada una y 28 símbolos y así sucesivamente (para el prefijo cíclico normal).

Estos formatos permiten flexibilidad en términos de la aplicación admitida en un nodo. Esto también crea un desafío si dos redes que ofrecen diferentes tipos de servicio están ubicadas uno al lado del otro, ya que pueden producirse interferencias.

La importancia del sincronismo

Si el reloj de la radio pierde precisión de sincronización, o las radios no están sincronizadas, en un canal TDD, la trama TDD se desviará fuera del período de guarda e interferirá con los sitios celulares adyacentes. Cuanto menos precisa sea la fuente del reloj, mayor será la probabilidad de cambios de tiempo que, en última instancia, traen consigo problemas de rendimiento e interferencia. Los siguientes son los tipos de problemas de interferencia que pueden ocurrir en un entorno TDD:

• Interferencia intracelda

Interferencia causada dentro de la misma celda debido a grandes imprecisiones de tiempo. La probabilidad de interferencia dentro de la celda es baja porque en una celda TDD, el planificador organiza a los diferentes usuarios en diferentes ranuras.

• Interferencia entre celdas

Cuando los usuarios en las celdas adyacentes están programados en las mismas subportadoras pero con diferentes ranuras DL/UL, existe la posibilidad de interferencia entre celdas, particularmente si las celdas no están sincronizadas con un reloj común. La Figura 3 revela los cuatro escenarios posibles.

En general, para evitar tales casos de uso de interferencia, todas las estaciones base en una red deben sincronizarse con una referencia de reloj de fase común (por ejemplo, UTC – Tiempo Universal Coordinado). Según la recomendación de los estándares ITU-T, las redes 5G-NR TDD y LTE-TDD deben sincronizarse en fase para limitar el error de tiempo de extremo a extremo a menos de 1,5 μs. Estos 1,5 μs se componen de un error de tiempo absoluto de 1,1 μs hasta el punto de acceso y 0,4 μs en el fronthaul a la radio.

• Interferencia de enlace/ranura cruzada

Otro caso potencial de interferencia de red TDD es la interferencia de enlace cruzado entre redes. Esto ocurre cuando dos redes TDD se despliegan en bloques dentro de la misma banda causando interferencia cuando se realizan transmisiones simultáneas en uplink y downlink en diferentes redes TDD como se muestra en la Figura 4.

En este caso, la estación base (BS) o UE perteneciente a una red transmite mientras otra BS o UE que pertenece a la otra red recibe, este escenario se denomina transmisión simultánea UL/DL.

En resumen, para una red TDD LTE o 5G-NR (donde TDD es la única opción para la banda C), no solo necesitamos sincronización de frecuencia y fase, sino también sincronización de tramas y ranuras para evitar interferencias entre redes.

Tipos de sincronización

La sincronización se puede identificar como los siguientes tipos:

• Sincronización de frecuencia

Dos relojes que están alineados en términos de su intervalo de repetición (es decir, frecuencia) pero no en términos de fase o tiempo

• Sincronización de fase

Dos relojes que están alineados en términos de su intervalo de repetición (es decir, frecuencia) y también de fase (un intervalo de un segundo), pero sin un origen de tiempo común.

• Sincronización de tiempo

Dos relojes que están alineados en términos de su intervalo de repetición (es decir, frecuencia), su fase (un intervalo de un segundo) y comparten un origen de tiempo común.

• Sincronización de Frames

Básicamente, no se producen transmisiones simultáneas de UL y DL, es decir, en un momento dado, todas las redes transmiten en DL o todas las redes transmiten en UL adoptando una estructura de trama única para todas las redes TDD involucradas y sincronizando el comienzo de la trama en todas las redes.

Requisitos estándar para temporización y sincronización

La sincronización de diferentes nodos dentro de una red significa la distribución del tiempo y la frecuencia en una red de relojes, repartidos en una amplia área geográfica con una fuente primaria común (PRTC). Todas las redes de comunicación requieren que los nodos estén sincronizados para poder demodular correctamente las señales recibidas.

En las comunicaciones inalámbricas, el receptor no tiene conocimiento previo del canal inalámbrico físico ni del retardo de propagación asociado con la señal transmitida. Los receptores de comunicación típicos usan osciladores de bajo costo para mantener el costo de los dispositivos manejable. Estos osciladores inherentemente tienen cierta deriva. Por lo tanto, el uso de la sincronización de tiempo como un proceso por el cual un nodo receptor determina la instancia de tiempo correcta en la que muestrear la señal entrante y la sincronización de la portadora como un proceso por el cual un receptor adapta la frecuencia y la fase de su oscilador portador local con las de la señal recibida, el nodo receptor puede demodular las señales recibidas correctamente.

La definición y los procedimientos de sincronización pueden variar según el sistema de comunicación específico. En la tabla 2 se pueden observar los requisitos de temporización y sincronización, el tipo de sincronización y si se necesita una sincronización absoluta o relativa y los efectos del cumplimiento.

Opciones de sincronización

Como se muestra en la Figura 9, en las redes celulares 3G y 4G, los receptores de satélite están integrados en NodeB y BBU.

Estos controladores toman los mensajes de la hora del día y los propagan por aire a los UE. También toman el pulso cronometrado con precisión que se recibe cada segundo (1PPS) y lo utilizan para mantener sincronizadas todas las frecuencias de las torres celulares.

Los mensajes de la hora del día aún se recibirán y enviarán por aire a los UE y las Unidades distribuidas (DU), que son el nombre de los controladores utilizados en las redes 5G. Los DU también seguirán utilizando el 1 pulso por segundo (PPS) recibido del satélite para mantener la frecuencia sincronizada. Sin embargo, para la sincronización de fase de celdas superpuestas, necesitamos que el equipo de la red tenga acceso a la misma fuente de tiempo y los mensajes de hora del día de esa fuente.

Para este tipo de sincronización, se requiere línea de visión a múltiples satélites. El mismo desafío también está presente en una red 4G que utiliza tecnología LTE-TDD que también requiere sincronización de fase.

Para comprender completamente la hora exacta del día en el receptor de satélite, debemos poder compensar el retraso entre el momento en que el satélite envía el mensaje de la hora del día y el momento en que ese mensaje llega al receptor de satélite. Sin embargo, esto se vuelve un desafío porque los satélites no están estacionarios sobre nosotros.

El desafío se maneja de la siguiente manera. Todos los satélites transmiten periódicamente una descripción matemática de su órbita y todos los receptores de satélite calculan una posición precisa de dónde se encuentran.

Este cálculo utiliza la técnica matemática trilateración, que es similar en concepto a la triangulación. Una vez que se calcula una posición precisa, en otras palabras, una vez que se completa el levantamiento, se puede calcular la demora entre los satélites y el receptor de satélite para “corregir” la hora del día en que se recibió.