Kiến trúc mạng đồng bộ Time/phase cho mạng 5G

Bài viết trình bày đề xuất phương án tổ chức mạng đồng bộ Time/phase để cung cấp tín hiệu đồng bộ cho mạng 5G. Do hiện trạng các nhà mạng đang sử dụng nhiều loại kiến trúc đấu nối, thiết bị nên sẽ gặp các bất cập khác nhau trong quá trình xây dựng mô hình mạng đồng bộ.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Kiến trúc mạng đồng Time/phase cho mạng 5G Lê Bá Tân, Nguyễn Khắc Tính, Đào Xuân Tùng, Dư Văn Cường Tổng Cơng ty Mạng lưới, Tập đồn Viễn thơng Qn đội Email: tanlb@viettel.com.vn; tinhnk@viettel.com.vn; tungdx2@viettel.com.vn; cuongdv4@viettel.com.vn Abstract— Trong báo này, đề xuất phương án tổ chức mạng đồng Time/phase để cung cấp tín hiệu đồng cho mạng 5G Do trạng nhà mạng sử dụng nhiều loại kiến trúc đấu nối, thiết bị nên gặp bất cập khác trình xây dựng mơ hình mạng đồng Vì vậy, báo tập trung phân tích xây dựng mơ hình dựa khuyến nghị ITU-T kết hợp với kiến trúc mạng truyền tải nhà mạng từ đưa đề xuất kiến trúc mạng đồng phase/time dựa theo kết phân tích thực tế Keywords- Mạng đồng bộ, Phase/Time, cTE, dTE, profile ITU-T G.8275.1, ITU-T G.8275.2, ITU-T G8271.2 PTS, ITU-T G8271.1 FTS I GIỚI THIỆU Trong mạng di động 2G, 3G, 4G sử dụng điều chế tín hiệu theo tần số (FDD - Frequency Division Duplex[TS 125 104, ref 6.3.1 Minimum requirement], cần đảm bảo sai số tín hiệu đồng tần số ±50ppb (Parts Per Billion) giao diện vô tuyến ± 16ppb điểm cuối mạng truyền tải Tuy nhiên, nói đến 5G mạng truyền tải cần đáp ứng thêm yêu cầu đồng Time/Phase với yêu cầu cao độ xác giao diện vô tuyến độ sai số thời gian ±1500ns giao diện truyền dẫn 1100ns [3GPP TS 36.133 clause 7.4 Cell phase synchronization accuracy] Để truyền tín hiệu đồng time/phase có 02 chuẩn hỗ trợ bao gồm NTP - Network Time Protocol (năm 1985) với khả đảm bảo độ xác ± 100ms Precision Time Protocol – PTP (năm 2002) chuẩn hóa IEEE có khả đảm bảo độ xác đến ±100ns Do đó, với u cầu ±1500ns phương thức lựa chọn chuẩn truyền tín đồng tin PTP Chính ITU-T thành lập lên SG15/Q13 (Study Group 15) – nghiên cứu yêu cầu chuẩn hóa q trình truyền đồng tần số, time/phase sử dụng tin PTP [Ref Standardization in ITU-T Study Group 15 and Q13/15] Đến thì, ITU-T tiếp tục chuẩn hóa mơ hình, tham số cho việc truyền tín hiệu đồng theo hướng để hoàn tối ưu khả xử lý mạng truyền tải ISBN 978-604-80-5958-3 381 Phần lại báo mô tả yếu tố ảnh hương tới mạng đồng Time/Phase mơ hình đề xuất cho nhà mạng: Phần II, miêu tả yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng mạng đồng Phần III: đánh giá mơ hình cung cấp tín hiệu đồng Phần IV: cung cấp kết đo kiểm thực tế Cuối cùng, kết luận báo phần V II CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG Theo 3GPP TS 36.133 clause 7.4.2 yêu cầu chất lượng mạng đồng timephase để đảm bảo cho dịch vụ 5G cần độ xác ±1500ns cho trạm có quy hoạch bán kính phủ bán kính < km (small cell) ±5000ns cho quy hoạch bán kính phủ > km (large cell) Do đó, để đảm bảo chạy với trường hợp mạng vô tuyến, yêu cầu đưa cho mạng nhà thiết kế mạng đồng phải đáp ứng đồng thời hai giá trị Cụ thể: Hình Mơ tả quỹ sai số thời gian (Table 1: Time and phase requirement classes [ITU-T G.8271]) Theo Hình 1, ITU-T thực chuẩn hóa mạng truyền tải để đáp ứng yêu cầu 3GPP Để cụ thể hóa số ±1500ns ITU-T nghiên cứu chuẩn hóa điểm chuỗi cung cấp tín hiệu đồng phải đảm bảo chất lượng tương ứng với mục tiêu mạng truyền tải phải đảm bảo tối thiểu 1100ns trước cung cấp đầu vào cho mạng vô tuyến Cụ thể sau: Hình Mơ tả quỹ sai số Time/phase (G.8271.1/Y.1366.1, ref [7 Network limits]) Hình mơ tả yêu cầu độ xác điểm A – đầu nguồn cung cấp tín hiệu đồng time/phase phải đạt độ xác ±100ns điểm cuối mạng truyền tải C tín chất lượng tín hiệu đồng Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) time/phase phải đảm bảo ±1100ns (Đối với điểm B ITU trình nghiên cứu nhiên dự kiến điểm B thiết kế gộp với điểm A để tối ưu chức xử lý tin đồng bộ) Hình Chi tiết phân bổ sai lệch thời gian theo ITU-T G.8271.1(ref [IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) in ITU-T Standards - SiT-AN10052 Rev 1.0]) Các nguyên nhân gây lỗi mạng truyền tải bao gồm: (1) Trên mạng cáp: Nguyên nhân bất đối xứng đường thu phát có khác biệt khoảng cách Cụ thể sai lệnh 1m cáp quang hướng làm lệch độ trễ 5ns tương đương cTE ~ 2.5ns mạng cáp thường xuyên bị thay đổi vận hành khai thác (2) Thiết bị DWDM: Nguyên nhân bước sóng 100G chuyển đổi quang điện đệm buffer FIFO q trình xử lý tín hiệu số DSP làm sinh trễ (Latency) ngẫu nghiên, giá trị thay đổi theo hướng quang khác gây nên bất đối xứng tạo sai số ngẫu nhiên cTE dTE Tương tự, trình OTN mapping, đệm sử dụng để mapping dịch loại dịch vụ khác vào ODUk gây độ trễ Độ trễ không đáng kế mạng hoạt động điều kiện bình thường, nhiên có cố đứt cáp, tác động mạng lưới định kỳ, khởi động lại (restart)… trễ lớn dẫn đến tạo cTE dTE (3) Thiết bị IP router: Nguyên nhận trình xử lý tin timestamping truyền tin đồng cấp phát từ master clock cho slave giao thức PTP qua mạng truyền tải Để có sở cho nhà mạng thiết kế tính tốn mạng đồng ITU-T G8273.2 [G.8273.2/Y.1368.2, ref - Time error noise generation] có chuẩn hóa chất lượng sai số đồng thiết bị theo lớp sau: Lớp A (ClassA): cTE ~ 50ns; lớp B (ClassB): cTE ~ 20ns; lớp C (Class C): cTE~10ns; lớp D (Class D): cTE~5ns (dự kiến) III CÁC MÔ HÌNH CUNG CẤP ĐỒNG BỘ QUA MẠNG TRUYỀN TẢI Với trạng nhà mạng, thiết bị truyền tải triển khai từ giai đoạn triển khai mạng 2G, 3G, 4G thiết bị SDH, Switch, router L2/L3 Đa số thiết bị chưa yêu cầu cụ thể để đảm bảo truyền xử lý truyền tín hiệu đồng Chính ITU-T chuẩn hóa 02 mơ hình để cung cấp tín hiệu đồng qua ISBN 978-604-80-5958-3 382 mạng truyền tải: (1) Mơ hình FTS/Full Timing Support (ITU-T G.8271.1/Y.1366.1, ref [7.Network limits]) tồn thiết bị truyền tải tham gia xử lý tin tín hiệu đồng bộ; (2) Mơ hình PTS/Partial Timming Support (ITU-T G.8271.2/Y.1366.2, ref [7.Packet network limits]) thiết bị truyền tải khơng hỗ trợ hoàn toàn vào việc xử lý tin tín hiệu đồng 1/ Mơ hình 1- FTS: Hình 4: Mơ hình FTS Như minh họa Hình vẽ 4, gồm 01 thiết bị đồng hồ chủ đặt trạm Core nhận tín hiệu đồng Time/phase chuẩn từ GNSS thực chuyển đổi thành tin đồng PTP (Precision Time Protocol) Các thiết bị thuộc chuỗi đồng cấu hình theo profile chuẩn tương ứng với mơ hình FTS (ITU-T G.8275.1/Y.1369.1, ref [Precision time protocol telecom profile for phase/time synchronization with full timing support from the network] để đảm bảo tính đồng nhà cung cấp thiết bị Các tin tín hiệu đồng truyền qua 11 thiết bị truyền tải (hoặc nhiều tùy thuộc chất lượng đồng hồ khả tái tạo tin đồng thiết bị), thiết bị tín hiệu đồng tính tốn bù lại sai lệch time/phase thiết bị trước gửi tới trạm sau hiệu chỉnh Tại đầu cuối chuỗi đồng bộ, trạm 5G thực nhận tin gửi từ mạng truyền tải xử lý tin để nhận thông tin Time/phase Thực tế, kết mơ hình FTS khắc phục hầu hết ảnh hưởng mạng truyền tải việc sử dụng kết hợp hai giải pháp phần cứng (chip) phần mềm (thuật toán bù) để tham gia vào trình xử lý truyền đồng Time/phase Mơ hình FTS phù hợp với hệ thống thiết bị truyền tải mới, đặc biệt thiết bị sản xuất từ sau năm 2016 (sau tiêu chuẩn ITU-G.8275.1 cơng bố) 2/ Mơ hình - PTS: Tuy mơ hình FTS có ưu điểm kỹ thuật, nhà mạng cần phải thay thế, nâng cấp thiết bị truyền dẫn hoạt động mạng lưới, điều gây phát sinh chi phí lớn Khắc phục vấn đề này, ITU-T đề xuất thêm tiêu chuẩn G.8271.2 cho phép nhà mạng sử dụng thiết bị cũ không hỗ trợ khả xử lý tín hiệu đồng truyền Mơ hình cụ thể sau: Hình 5: Mơ hình PTS Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Theo Hình 5, mơ hình tương tự theo mơ hình FTS nhiên phần thiết bị truyền tải không tham gia xử lý tín hiệu đồng Tại thiết đồng chủ sau nhân tín hiệu đồng Time/phase từ GNSS thực biến đổi thành tin đồng PTP Các tin cấu hình theo profile chuẩn tương ứng với mơ hình PTS (ITU-T G.8275.2/Y.1369.2, ref [Precision time protocol telecom profile for phase/time synchronization with partial timing support from the network] Các tin tín hiệu đồng truyền qua mạng truyền tải, thiết bị truyền tải tín hiệu đồng chuyển tiếp truyền qua không xử lý bù trừ sai lệch thời gian Tới đầu cuối chuỗi đồng bộ, trạm 5G cấu hình profile G.8275.2 thực nhận tin gửi từ đồng hồ đồng chủ Mơ hình có ưu điểm tối ưu chi phí khơng kiểm sốt tốt vấn đề gây bất đối xứng trình truyền tín hiệu đồng hồ chủ đến trạm 5G Lý thiết bị truyền tải không tham gia vào trình hiệu chỉnh tin đồng (timestampe) dẫn tới tin đồng hộ có sai lệch thời gian trạm phát sóng đồng hồ chủ GM mạng lưới có biến động đường truyền bất đối xứng, khả tái tạo xử lý thiết bị… Thực tế đánh giá, chuỗi tín hiệu đồng tính từ đồng hồ chủ đến trạm 5G/4G TDD hoạt động tốt truyền qua 3-4 thiết bị truyền tải, số lượng thiết bị nhiều không kiểm soát đảm bảo được chất lượng IV KẾT QUẢ ĐO KIỂM Trong phần này, thực mơ mơ hình mạng đồng trình bày để đánh giá kết cung cấp chất lượng tín hiệu đồng Mơ hình sử dụng 11 thiết bị truyền tải để phù hợp với hầu hết cấu trúc mạng nhà mạng Mơ hình – FTP Với mơ hình đánh giá thiết bị truyền tải dung thiết bị router Cisco/ClassA; Huawei/Class B mơ hình kết hợp DWDM (Infinera) với thiết bị router Huawei: - Thiết bị truyền tải Cisco Kết đo trạm số thứ tự 11 giá trị TE = 224.5ns ĐẠT so với u cầu 1100ns Hình 6: Cisco_Mơ hình đấu nối 11 thiết bị Class A Theo Hình 6, mơ hình sử dụng thiết bị đồng hồ chủ TP4100 qua 11 thiết bị truyền tải gồm 01 thiết bị core AGG 10 thiết bị Site Router (SRT) có chất lượng Class A Các thiết bị cấu hình sử dụng Profile chung G.8275.1 Kết đo kiểm máy đo sau: ISBN 978-604-80-5958-3 383 Theo Hình 7: Cisco_kết đo với mặt nạ chuẩn Theo Hình 7, kết đo kiểm chất lượng tín hiệu đầu thiết bị Cisco nằm mặt nạ 1100ns không bị cắt, đảm bảo chất lượng theo yêu cầu Hình 8: Cisco_ giá trị Max TE Theo Hình 8, giá trị đo kiểm Max TE đạt giá trị 224.5ns nhỏ sai số cho phép ITU-T 1100ns Thực kiểm tra thêm chất lượng mạng đồng cáp đứt, thiết bị tự động chuyển qua nguồn cung cấp dự phòng TP4100#2 (bên phải) Kết đo kiểm máy đo sau: Hình 9: Cisco_Kết chuyển mạch Tại Hình 9, hình máy đo thể việc chuyển mạch có làm thay đổi giá trị MaxTE, nhiên sau chuyển mạch chất lượng tín hiệu đồng nằm giới hạn sai số cho phép - Thiết bị truyền tải Huawei Kết đo node số 11 giá trị TE = ~ 98.5ns ĐẠT so với u cầu 1100ns Hình 10: Huawei_Mơ hình đấu nối 11 thiết bị Class B Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021) Theo Hình 10, mơ hình sử dụng thiết bị đồng hồ chủ TP4100 qua 11 thiết bị truyền tải gồm 01 thiết bị core AGG 10 thiết bị Site Router (SRT) có chất lượng Class B Các thiết bị cấu hình sử dụng Profile chung G.8275.1 Kết đo kiểm máy đo sau: Hình 14: DWDM&Router_kết đo mặt nạ chuẩn Theo Hình 14, kết đo kiểm chất lượng tín hiệu đầu thiết bị Huawei nằm mặt nạ 1100ns không bị cắt, đảm bảo chất lượng theo yêu cầu Hình 11: Huawei_kết đo với mặt nạ chuẩn Theo Hình 11, kết đo kiểm chất lượng tín hiệu đầu thiết bị Huawei nằm mặt nạ 1100ns không bị cắt, đảm bảo chất lượng theo yêu cầu Hình 12: Huawei_kết chi tiết giá trị Max TE Theo Hình 12, giá trị đo kiểm Max TE đạt giá trị 98.5ns nhỏ sai số cho phép ITU-T 1100ns - Thiết bị router Huawei thiết bị DWDM infinera Kết đo trạm số thứ tự 18 giá trị TE = ~ 118.5ns ĐẠT so với yêu cầu 1100ns Hình 15: DWDM&Router _giá trị Max TE Theo Hình 15, giá trị đo kiểm Max TE đạt giá trị 118.5ns nhỏ sai số cho phép ITU-T 1100ns Mơ hình 02: PTS Với mơ hình chúng tơi đánh giá thiết bị SRT Layer 02 trường hợp chuỗi 03 thiết bị chuỗi 11 thiết bị Do kết giống nên báo trình bày kết vendor Cisco: - Thiết bị Cisco chuỗi thiết bị: Kết đo trạm số giá trị TE = ~ 633.5ns ĐẠT so với yêu cầu 1100ns Hình 16: Cisco_Mơ hình đấu nối Theo Hình 16, mơ hình sử dụng thiết bị đồng hồ chủ TP4100 qua 03 thiết bị truyền tải gồm 01 thiết bị core AGG 02 thiết bị Site Router (SRT) khơng hỗ trợ xử lý tín hiệu đồng Các thiết bị cấu hình sử dụng Profile chung G.8275.2 Kết đo kiểm máy đo sau: Hình 13 Mơ hình đo kiểm 18 thiết DWDM &Router Theo Hình 13, mơ hình sử dụng thiết bị đồng hồ chủ TP4100 qua 18 thiết bị truyền tải gồm 07 thiết bị DWDM (tín hiệu đồng DWDM chạy thu phát sợi) 11 thiết bị router có chất lượng Class B Các thiết bị cấu hình sử dụng Profile chung G.8275.1 Kết đo kiểm máy đo sau: Hình 17: Cisco_kết đo với mặt nạ chuẩn (PTS) ISBN 978-604-80-5958-3 384 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thơng Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021) Theo Hình 17, kết đo kiểm chất lượng tín hiệu đầu thiết bị cao ~ 600ns nhiên giá trị nằm mặt nạ 1100ns không bị cắt, đảm bảo chất lượng theo yêu cầu Hình 18: Cisco_giá trị Max TE (PTS) Theo Hình 18, giá trị đo kiểm Max TE đạt giá trị 633.5ns nhỏ sai số cho phép ITU-T 1100ns - Chuỗi thiết bị truyền tải gồm 11 thiết bị: Kết đo trạm số 11 giá trị TE = 14758.5ns KHÔNG ĐẠT so với yêu cầu 1100ns Hình 22: Cisco_giá trị Max TE (PTS - 11 thiết bị) V KẾT LUẬN Việc đưa mơ hình mạng đồng cung cấp phù hợp cho tất nhà mạng khó trạng mạng (thiết bị, kiến trúc) nhà mạng khác Do đó, việc lựa chọn mơ hình chuẩn để áp dụng vào nhà mạng quan trọng cần đánh giá chi tiết Thông qua kết thử nghiệm khuyến nghị nhà mạng xây dựng phương án quy hoạch dựa mơ hình FTS ITU-T G.8271.1 chạy profile G8275.1 Chất lượng thiết bị truyền tải phải đáp ứng tối thiểu Class B trở lên theo chuẩn ITU-T G8273.2 Việc sử dụng mơ hình PTS theo ITU-T G8271.2 rủi ro cho mạng lưới tính không ổn định phải đầu tư bổ sung số lượng lớn đồng hồ chủ Mơ hình PTS nên sử dụng mơ hình chuỗi đồng có 3-4 thiết bị phải dùng kết hợp với thêm tín hiệu GNSS trạm để dự phịng TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 19: Cisco_Mơ hình đấu nối 11 thiết bị (PTS) Hình 19, mơ hình sử dụng thiết bị đồng hồ chủ TP4100 qua 11 thiết bị truyền tải gồm 01 thiết bị core AGG 10 thiết bị Site Router (SRT) không hỗ trợ xử lý tín hiệu đồng Các thiết bị cấu hình sử dụng Profile chung G.8275.2 Kết đo kiểm máy đo sau: Hình 20: Cisco_kết so mặt nạ chuẩn (PTS-11 thiết bị) Theo Hình 21, kết đo kiểm chất lượng tín hiệu đầu thiết bị cao nằm ngồi mặt nạ 1100ns, khơng đảm bảo chất lượng theo yêu cầu ISBN 978-604-80-5958-3 385 [1] Recommendation ITU-T G.8271/Y.1366 Time and phase synchronization aspects of telecommunication networks [2] Recommendation ITU-T G.8271.1/Y.1366.1 Network limits for time synchronization in packet networks with full timing support from the network [3] Recommendation ITU-T G.8271.2/Y.1366.2 Network limits for time synchronization in packet networks with partial timing support from the network [4] Recommendation ITU-T G.8275.1/Y.1369.1 Precision time protocol telecom profile for phase/time synchronization with full timing support from the network [5] Recommendation ITU-T G.8275.2/Y.1369.2 Precision time protocol telecom profile for phase/time synchronization with partial timing support from the network [6] Recommendation ITU-T G.8273.2/Y.1368.2 (10/20) Timing characteristics of telecom boundary clocks and telecom time slave clocks for use with full timing support from the network [7] Technical report documents a reference model for the IMT 2020/5G transport network - Transport network support of IMT2020/5G [8] Base Station (BS) radio transmission and reception - 3GPP TS 38.104 version 15.5.0 Release 15 [9] Requirements for support of radio resource management (3GPP TS 38.133 version 16.4.0 Release 16) [10] IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) in ITU-T Standards ... LUẬN Việc đưa mơ hình mạng đồng cung cấp phù hợp cho tất nhà mạng khó trạng mạng (thiết bị, kiến trúc) nhà mạng khác Do đó, việc lựa chọn mơ hình chuẩn để áp dụng vào nhà mạng quan trọng cần đánh... trình xử lý tin timestamping truyền tin đồng cấp phát từ master clock cho slave giao thức PTP qua mạng truyền tải Để có sở cho nhà mạng thiết kế tính tốn mạng đồng ITU-T G8273.2 [G.8273.2/Y.1368.2,... Các tin tín hiệu đồng truyền qua mạng truyền tải, thiết bị truyền tải tín hiệu đồng chuyển tiếp truyền qua không xử lý bù trừ sai lệch thời gian Tới đầu cuối chuỗi đồng bộ, trạm 5G cấu hình profile