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.
Trang 1Kiến trúc mạng đồng bộ Time/phase
cho mạng 5G
Lê Bá Tân, Nguyễn Khắc Tính, Đào Xuân Tùng, Dư Văn Cường Tổng Công ty Mạng lưới, Tập đoàn Viễn thông Quân đội Email: tanlb@viettel.com.vn; tinhnk@viettel.com.vn; tungdx2@viettel.com.vn; cuongdv4@viettel.com.vn
Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi 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 Vì vậy, bài báo sẽ tập trung phân tích và xây
dựng các mô hình dựa trên các khuyến nghị ITU-T
kết hợp với kiến trúc mạng truyền tải hiện tại của
nhà mạng từ đó đưa ra đề xuất kiến trúc mạng đồng
bộ phase/time dựa theo kết quả 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 GIỚITHIỆU 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], do đó cần
đảm bảo sai số tín hiệu đồng bộ tần số ±50ppb (Parts Per
Billion) tại giao diện vô tuyến và ± 16ppb tại điểm cuối
mạng truyền tải Tuy nhiên, nói đến 5G mạng truyền tải
cần đáp ứng thêm yêu cầu mới là đồng bộ Time/Phase
với yêu cầu cao về độ chính xác tại giao diện vô tuyến
độ sai số về thời gian ±1500ns và tại giao diện truyền
dẫn 1100ns [3GPP TS 36.133 clause 7.4 Cell phase
synchronization accuracy]
Để truyền được tín hiệu đồng bộ time/phase hiện tại có
02 chuẩn có thể hỗ trợ bao gồm NTP - Network Time
Protocol (năm 1985) với khả năng đảm bảo độ chính xác
là ± 100ms và Precision Time Protocol – PTP (năm
2002) đều được chuẩn hóa bởi IEEE có khả năng đảm
bảo độ chính xác đến ±100ns Do đó, với yêu cầu
±1500ns thì phương thức duy nhất được lựa chọn là
chuẩn truyền bản tín đồng bộ bằng bản tin PTP Chính vì
thế ITU-T đã thành lập lên SG15/Q13 (Study Group 15)
– nghiên cứu ra các yêu cầu chuẩn hóa về quá trình
truyền đồng bộ tần số, time/phase sử dụng bản tin PTP
[Ref Standardization in ITU-T Study Group 15 and
Q13/15] Đến này thì, ITU-T vẫn tiếp tục chuẩn hóa các
mô hình, tham số cho việc truyền tín hiệu đồng bộ theo
hướng này để hoàn tối ưu khả năng xử lý trên mạng
truyền tải
Phần còn lại của bài báo sẽ mô tả các yếu tố ảnh hương tới mạng đồng bộ Time/Phase và mô hình đề xuất cho các nhà mạng: Phần II, chúng tôi miêu tả các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng mạng đồng bộ Phần III: đánh giá các mô hình có thể cung cấp tín hiệu đồng bộ Phần IV: cung cấp kết quả đo kiểm thực tế Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần V
Theo 3GPP TS 36.133 clause 7.4.2 yêu cầu của chất lượng mạng đồng bộ của timephase để đảm bảo cho dịch
vụ 5G cần độ chính xác ±1500ns cho các trạm có quy hoạch bán kính phủ bán kính < 3 km (small cell) và
±5000ns cho quy hoạch bán kính phủ > 3 km (large cell) Do đó, để đảm bảo chạy được với các trường hợp trên mạng vô tuyến, yêu cầu đưa ra cho mạng nhà thiết
kế mạng đồng bộ phải đáp ứng đồng thời cả hai giá trị trên Cụ thể:
Hình 1 Mô tả quỹ sai số thời gian (Table 1: Time and phase requirement classes [ITU-T G.8271])
Theo như Hình 1, ITU-T đã thực hiện chuẩn hóa trên mạng truyền tải để đáp ứng yêu cầu của 3GPP Để cụ thể hóa con số ±1500ns ITU-T đã nghiên cứu và chuẩn hóa từng điểm trên chuỗi cung cấp tín hiệu đồng bộ phải đảm bảo chất lượng tương ứng với mục tiêu trên mạng truyền tải phải đảm bảo tối thiểu 1100ns trước khi cung cấp đầu vào cho mạng vô tuyến Cụ thể như sau:
Hình 2 Mô tả quỹ sai số Time/phase
(G.8271.1/Y.1366.1, ref [7 Network limits])
Hình 2 mô tả yêu cầu độ chính xác tại điểm A – đầu ra của nguồn cung cấp tín hiệu đồng bộ time/phase phải đạt
độ chính xác ±100ns và tại điểm cuối cùng của mạng truyền tải C thì tín chất lượng tín hiệu đồng bộ
Trang 2time/phase phải đảm bảo ±1100ns (Đối với điểm B hiện
tại ITU vẫn đang trong quá trình nghiên cứu tuy nhiên
dự kiến điểm B có thể sẽ được thiết kế gộp với điểm A để
tối ưu chức năng xử lý bản tin đồng bộ)
Hình 3 Chi tiết phân bổ sai lệch về 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 chính gây ra lỗi trên mạng truyền tải
bao gồm: (1) Trên mạng cáp: Nguyên nhân do sự bất đối
xứng giữa của đường thu và phát khi có sự khác biệt về
khoảng cách Cụ thể cứ sai lệnh 1m về cáp quang mỗi
hướng sẽ làm lệch độ trễ là 5ns tương đương cTE ~
2.5ns và mạng cáp thường xuyên bị thay đổi trong vận
hành khai thác (2) Thiết bị DWDM: Nguyên nhân do
các bước sóng 100G được chuyển đổi quang điện bằng
các bộ đệm buffer FIFO trong quá trình xử lý tín hiệu số
DSP làm sinh ra các trễ (Latency) ngẫu nghiên, các giá
trị này thay đổi theo các hướng quang khác nhau gây nên
bất đối xứng và tạo ra các sai số ngẫu nhiên cTE hoặc
dTE Tương tự, quá trình OTN mapping, các bộ đệm
được sử dụng để mapping các dịch loại dịch vụ khác
nhau vào các ODUk gây ra độ trễ Độ trễ sẽ không đáng
kế khi mạng hoạt động trong điều kiện bình thường, tuy
nhiên khi có sự cố như đứt cáp, tác động mạng lưới định
kỳ, khởi động lại (restart)… thì trễ này sẽ lớn hơn dẫn
đến tạo ra cTE hoặc dTE (3) Thiết bị IP router: Nguyên
nhận do quá trình xử lý các bản tin timestamping khi
truyền bản tin đồng bộ được cấp phát từ master clock
cho các slave bằng giao thức PTP qua mạng truyền tải
Để có sở cứ cho các nhà mạng thiết kế tính toán mạng
đồng bộ ITU-T G8273.2 [G.8273.2/Y.1368.2, ref - Time
error noise generation] có chuẩn hóa chất lượng sai số
đồng bộ trên các thiết bị theo các lớp như 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)
Với hiện trạng các nhà mạng, các thiết bị truyền tải đã
được triển khai từ các giai đoạn triển khai mạng 2G, 3G,
4G là thiết bị SDH, Switch, router L2/L3 Đa số các thiết
bị này chưa được yêu cầu cụ thể để đảm bảo truyền được
xử lý và truyền tín hiệu đồng bộ Chính vì thế ITU-T đã
chuẩn hóa 02 mô hình để cung cấp tín hiệu đồng bộ qua
mạng truyền tải: (1) Mô hình FTS/Full Timing Support
(ITU-T G.8271.1/Y.1366.1, ref [7.Network limits]) trong
đó toàn bộ các thiết bị truyền tải tham gia xử lý bản tin tín hiệu đồng bộ; (2) Mô hình PTS/Partial Timming
Support (ITU-T G.8271.2/Y.1366.2, ref [7.Packet network limits]) trong đó các thiết bị truyền tải không hỗ
trợ hoàn toàn vào việc xử lý bản tin tín hiệu đồng bộ
1/ Mô hình 1- FTS:
Hình 4: Mô hình FTS
Như minh họa trong Hình vẽ 4, gồm 01 thiết bị đồng hồ chủ đặt tại trạm Core nhận tín hiệu đồng bộ Time/phase chuẩn từ GNSS và thực hiện chuyển đổi thành các bản
tin đồng bộ PTP (Precision Time Protocol) Các thiết bị
thuộc chuỗi đồng bộ đều được cấu hình theo profile
chuẩn tương ứng với mô 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 bộ giữa
các nhà cung cấp thiết bị Các bản tin tín hiệu đồng bộ được truyền qua 11 thiết bị truyền tải (hoặc nhiều hơn tùy thuộc và chất lượng đồng hồ và khả năng tái tạo bản tin đồng bộ của thiết bị), tại mỗi thiết bị tín hiệu đồng bộ được tính toán bù lại các sai lệch time/phase của thiết bị trước nó và gửi tới trạm tiếp theo sau khi đã hiệu chỉnh Tại đầu cuối chuỗi đồng bộ, trạm 5G sẽ thực hiện nhận các bản tin được gửi từ mạng truyền tải xử lý bản tin để nhận thông tin về Time/phase Thực tế, kết quả mô hình FTS khắc phục được hầu hết các ảnh hưởng của mạng truyền tải bằng việc sử dụng kết hợp hai giải pháp phần cứng (chip) và phần mềm (thuật toán bù) để tham gia vào quá trình xử lý truyền đồng bộ Time/phase Mô hình FTS phù hợp với các hệ thống thiết bị truyền tải mới, đặc biệt là các thiết bị được sản xuất từ sau năm 2016
(sau khi tiêu chuẩn ITU-G.8275.1 được công bố)
2/ Mô hình 2 - PTS:
Tuy mô hình FTS có những ưu điểm về kỹ thuật, nhưng các nhà mạng cần phải thay thế, nâng cấp các thiết bị truyền dẫn hiện tại đang hoạt động trên mạng lưới, điều này gây phát sinh chi phí rất lớn Khắc phục vấn đề này, ITU-T đề xuất thêm tiêu chuẩn G.8271.2 cho phép các nhà mạng đang sử dụng thiết bị cũ không hỗ trợ khả năng xử lý tín hiệu đồng bộ vẫn có thể truyền được Mô
hình cụ thể như sau:
Hình 5: Mô hình PTS
Trang 3Theo Hình 5, mô hình cũng tương tự theo mô hình FTS
tuy nhiên phần thiết bị truyền tải không tham gia xử lý
tín hiệu đồng bộ Tại thiết đồng bộ chủ sau khi nhân tín
hiệu đồng bộ Time/phase từ GNSS thực hiện biến đổi
thành các bản tin đồng bộ PTP Các bản tin này được
cấu hình theo profile chuẩn tương ứng với mô 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 bản tin tín
hiệu đồng bộ được truyền qua mạng truyền tải, tại mỗi
thiết bị truyền tải tín hiệu đồng bộ được chuyển tiếp
truyền qua và không xử lý bù trừ các sai lệch về thời
gian Tới đầu cuối chuỗi đồng bộ, trạm 5G được cấu
hình profile G.8275.2 sẽ thực hiện nhận các bản tin được
gửi từ đồng hồ đồng bộ chủ Mô hình này có ưu điểm tối
ưu chi phí nhưng không kiểm soát tốt được vấn đề gây
bất đối xứng trong quá trình truyền tín hiệu đồng hồ chủ
đến các trạm 5G Lý do là do các thiết bị truyền tải
không tham gia vào quá trình hiệu chỉnh các bản tin
đồng bộ (timestampe) dẫn tới bản tin đồng hộ có sự sai
lệch về thời gian giữa trạm phát sóng và đồng hồ chủ
GM khi trên mạng lưới có sự biến động về đường truyền
như bất đối xứng, khả năng tái tạo xử lý của thiết bị…
Thực tế đánh giá, chuỗi tín hiệu đồng bộ tính từ đồng hồ
chủ đến các trạm 5G/4G TDD chỉ hoạt động tốt khi
truyền qua 3-4 thiết bị truyền tải, khi số lượng thiết bị
nhiều hơn sẽ không kiểm soát và đảm bảo được được
chất lượng
IV KẾTQUẢĐOKIỂM
Trong phần này, chúng tôi thực hiện các mô phỏng mô
hình mạng đồng bộ đã trình bày ở trên để đánh giá kết
quả cung cấp chất lượng tín hiệu đồng bộ Mô hình sử
dụng 11 thiết bị truyền tải để phù hợp với hầu hết các
cấu trúc của mạng của các nhà mạng
Mô hình 1 – FTP
Với mô hình này chúng tôi đánh giá trên thiết bị truyền
tải dung thiết bị router Cisco/ClassA; Huawei/Class B và
mô hình kết hợp DWDM (Infinera) với thiết bị router
của Huawei:
- Thiết bị truyền tải Cisco Kết quả đo tại trạm số thứ
tự 11 giá trị TE = 224.5ns ĐẠT so với yêu cầu 1100ns
Hình 6: Cisco_Mô hình đấu nối 11 thiết bị Class A
Theo Hình 6, mô hình được sử dụng thiết bị đồng hồ chủ
TP4100 đi qua 11 thiết bị truyền tải gồm 01 thiết bị core
AGG và 10 thiết bị Site Router (SRT) có chất lượng
Class A Các thiết bị cấu hình sử dụng Profile chung
G.8275.1 Kết quả đo kiểm tại máy đo như sau:
Theo Hình 7: Cisco_kết quả đo với mặt nạ chuẩn Theo Hình 7, kết quả đo kiểm chất lượng tín hiệu đầu ra thiết bị Cisco nằm trong mặt nạ 1100ns và 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 hơn sai số cho phép của ITU-T là 1100ns
Thực hiện kiểm tra thêm chất lượng mạng đồng bộ khi cáp đứt, thiết bị tự động chuyển qua nguồn cung cấp dự phòng TP4100#2 (bên phải) Kết quả đo kiểm trên máy
đo như sau:
Hình 9: Cisco_Kết quả chuyển mạch Tại Hình 9, màn hình máy đo thể hiện việc chuyển mạch
có làm thay đổi giá trị MaxTE, tuy nhiên sau khi chuyển mạch chất lượng tín hiệu đồng bộ vẫn nằm trong giới hạn sai số cho phép
- Thiết bị truyền tải Huawei Kết quả đo tại node số 11 giá trị TE = ~ 98.5ns ĐẠT so với yêu cầu 1100ns
Hình 10: Huawei_Mô hình đấu nối 11 thiết bị Class B
Trang 4Theo Hình 10, mô hình được sử dụng thiết bị đồng hồ
chủ TP4100 đi qua 11 thiết bị truyền tải gồm 01 thiết bị
core AGG và 10 thiết bị Site Router (SRT) có chất lượng
Class B Các thiết bị cấu hình sử dụng Profile chung
G.8275.1 Kết quả đo kiểm tại máy đo như sau:
Hình 11: Huawei_kết quả đo với mặt nạ chuẩn
Theo Hình 11, kết quả đo kiểm chất lượng tín hiệu đầu
ra thiết bị Huawei nằm trong mặt nạ 1100ns và không bị
cắt, đảm bảo chất lượng theo yêu cầu
Hình 12: Huawei_kết quả chi tiết giá trị Max TE
Theo Hình 12, giá trị đo kiểm Max TE đạt giá trị 98.5ns
nhỏ hơn sai số cho phép của ITU-T là 1100ns
- Thiết bị router Huawei và thiết bị DWDM infinera
Kết quả đo tại trạm số thứ tự 18 giá trị TE = ~ 118.5ns
ĐẠT so với yêu cầu 1100ns
Hình 13 Mô hình đo kiểm 18 thiết DWDM &Router
Theo Hình 13, mô hình được sử dụng thiết bị đồng hồ
chủ TP4100 đi qua 18 thiết bị truyền tải gồm 07 thiết bị
DWDM (tín hiệu đồng bộ trên DWDM chạy thu phát
trên một sợi) và 11 thiết bị router có chất lượng Class B
Các thiết bị cấu hình sử dụng Profile chung G.8275.1
Kết quả đo kiểm tại máy đo như sau:
Hình 14: DWDM&Router_kết quả đo mặt nạ chuẩn Theo Hình 14, kết quả đo kiểm chất lượng tín hiệu đầu
ra thiết bị Huawei nằm trong mặt nạ 1100ns và không bị cắt, đảm bảo chất lượng theo yêu cầu
Hình 15: DWDM&Router _giá trị Max TE Theo Hình 15, giá trị đo kiểm Max TE đạt giá trị 118.5ns nhỏ hơn sai số cho phép của ITU-T là 1100ns
Mô hình 02: PTS
Với mô hình này chúng tôi đánh giá trên các thiết bị SRT Layer 2 trong 02 trường hợp chuỗi 03 thiết bị và chuỗi 11 thiết bị Do kết quả giống nhau nên bài báo trình bày kết quả vendor Cisco:
- Thiết bị Cisco chuỗi 3 thiết bị: Kết quả đo tại trạm số
3 giá trị TE = ~ 633.5ns ĐẠT so với yêu cầu 1100ns
Hình 16: Cisco_Mô hình đấu nối 3 Theo Hình 16, mô hình được sử dụng thiết bị đồng hồ chủ TP4100 đi qua 03 thiết bị truyền tải gồm 01 thiết bị core AGG và 02 thiết bị Site Router (SRT) không hỗ trợ
xử lý tín hiệu đồng bộ Các thiết bị cấu hình sử dụng Profile chung G.8275.2 Kết quả đo kiểm tại máy đo như sau:
Hình 17: Cisco_kết quả đo với mặt nạ chuẩn (PTS)
Trang 5Theo Hình 17, kết quả đo kiểm chất lượng tín hiệu đầu
ra thiết bị cao ~ 600ns tuy nhiên giá trị vẫn nằm trong
mặt nạ 1100ns và 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 hơn sai số cho phép của ITU-T là 1100ns
- Chuỗi thiết bị truyền tải gồm 11 thiết bị: Kết quả
đo tại trạm số 11 giá trị TE = 14758.5ns KHÔNG ĐẠT
so với yêu cầu 1100ns
Hình 19: Cisco_Mô hình đấu nối 11 thiết bị (PTS)
Hình 19, mô hình được sử dụng thiết bị đồng hồ chủ
TP4100 đi qua 11 thiết bị truyền tải gồm 01 thiết bị core
AGG và 10 thiết bị Site Router (SRT) không hỗ trợ xử lý
tín hiệu đồng bộ Các thiết bị cấu hình sử dụng Profile
chung G.8275.2 Kết quả đo kiểm tại máy đo như sau:
Hình 20: Cisco_kết quả so mặt nạ chuẩn
(PTS-11 thiết bị)
Theo Hình 21, kết quả đo kiểm chất lượng tín hiệu đầu
ra thiết bị cao nằm ngoài mặt nạ 1100ns, không đảm bảo
chất lượng theo yêu cầu
Hình 22: Cisco_giá trị Max TE (PTS - 11 thiết bị)
Việc đưa ra một mô hình mạng đồng bộ cung cấp phù hợp cho tất cả các nhà mạng là rất khó do hiện trạng mạng (thiết bị, kiến trúc) của các nhà mạng là khác nhau
Do đó, việc lựa chọn mô hình và chuẩn để áp dụng vào từng nhà mạng rất quan trọng và cần được đánh giá chi tiết Thông qua kết quả thử nghiệm chúng tôi khuyến nghị các nhà mạng xây dựng phương án quy hoạch dựa trên mô hình FTS ITU-T G.8271.1 chạy profile G8275.1 Chất lượng của các thiết bị truyền tải phải đáp ứng tối thiểu Class B trở lên theo chuẩn ITU-T G8273.2 Việc sử dụng mô hình PTS theo ITU-T G8271.2 sẽ rất rủi ro cho mạng lưới do tính không ổn định cũng như phải đầu tư bổ sung số lượng lớn các đồng hồ chủ Mô hình PTS chỉ nên sử dụng tại các mô hình khi chuỗi đồng bộ chỉ có 3-4 thiết bị hoặc phải dùng kết hợp với thêm tín hiệu GNSS tại trạm để dự phòng
[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 IMT-2020/5G
[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
