Qualifier Les Reseaux Mobiles Backhaul
Base de connaissances
04.06.2020

INTRODUCTION AUX RÉSEAUX MOBILES

Pendant de nombreuses années, les besoins de synchronisation des fréquences des réseaux GSM, 3G et UMTS ont été satisfaits au moyen de signaux TDM tels que T1 ou E1. La solution a été simple car l’infrastructure de soutien des liaisons mobiles était constituée de SONET / SDH, ce qui permettait d’extraire le signal de synchronisation de la couche PHY ou de le transporter par un réseau séparé. Dans tous les cas, le transport et la synchronisation étaient basés sur les technologies TDM.

De la migration des circuits à celle des paquets

Toutefois, au cours de la dernière décennie, beaucoup de choses ont changé, principalement parce que les opérateurs de téléphonie mobile ont abandonné les circuits SONET/SDH pour adopter l’Ethernet, le MPLS et l’IP afin de prendre en charge les nouvelles architectures de liaison mobile. C’est un défi majeur pour les stations de base qui exigent toujours une synchronisation très précise que l’Ethernet natif ne peut pas fournir.

synchronisation erreur frequence de phase et horloge de reference
Synchronisation de l’erreur de fréquence et de phase d’un signal par rapport à son horloge de référence

Pourquoi la synchronisation de réseau mobile est-elle nécessaire ?

La synchronisation permet d’offrir de nombreux services, notamment la navigation assistée, la localisation et les appels d’urgence. De plus, la synchronisation est fondamentale pour toutes les technologies cellulaires, sinon elles ne fonctionneraient même pas. Les stations de base doivent calculer en permanence la distance entre chaque mobile fonctionnant dans leur cellule et les cellules voisines. Les stations de base et les mobiles doivent générer exactement les fréquences montantes et descendantes et doivent avoir accès à des plages horaires de transmission. Il y a de nombreuses raisons pour maintenir une bonne synchronisation :

  • Pour calculer la distance aux terminaux mobiles,
  • Pour soutenir les services de localisation géographique,
  • Pour contrôler la puissance de transmission,
  • Pour éviter les interférences avec d’autres cellules et stations de base,
  • Pour gérer les transferts,
  • Pour obtenir un accès précis aux plages horaires,
  • Pour compenser le délai de propagation,
  • Pour réutiliser efficacement les fréquences,
  • Pour planifier les petites et microcellules,
  • Pour calculer la facturation.

Nous convenons alors que la synchronisation est fondamentale pour tout service mobile de base et qu’il est donc tout simplement impossible de s’en débarrasser.

Quelques notions de multiplexage et de synchronisation

Multiplexage et accès multiple

Le multiplexage est défini comme le processus par lequel plusieurs signaux provenant de différents canaux partagent un canal de plus grande capacité. Fondamentalement, plusieurs canaux partagent un support de transmission commun dans le but de réduire les coûts et la complexité du réseau. Lorsque le partage est effectué par rapport à une ressource distante, comme un satellite, on parle d’accès multiple plutôt que de multiplexage (voir figure 3). Certaines technologies de multiplexage le sont :

  • Accès multiple par fréquences (FDMA) : Attribue une partie de la largeur de bande totale à chacun des canaux.
  • Accès multiple par répartition dans le temps (AMRT) : Affecte toutes les capacités de transport de manière séquentielle à chacun des canaux.
  • Multiplexage par répartition en code (CDMA) : L’interface aérienne facilite l’accès multiple sur un canal utilisant un spectre étalé avec un code par émetteur
  • Accès multiple par répartition en polarisation (PDMA) : La direction de polarisation peut être utilisée comme une technique d’accès multiple dans les installations qui utilisent des micro-ondes.
  • Accès multiple par répartition dans l’espace (SDMA) : En utilisant des antennes directionnelles, la même fréquence peut être réutilisée, à condition que les antennes soient correctement réglées.

Le Duplexage

Les stations de base utilisent aujourd’hui trois technologies pour multiplexer les canaux en amont et en aval : le duplexage par répartition en fréquence (FDD), le duplexage par répartition dans le temps (TDD) et le multiplexage par répartition en code (CDM).

  • Stations de base FDD, L’interface aérienne utilise des fréquences séparées pour la liaison montante/descendante, puis ne nécessite qu’une synchronisation des fréquences.
  • Stations de base TDD, L’interface aérienne utilise la même fréquence pour la liaison montante/descendante, alors une référence de temps et de phase absolue est nécessaire pour avoir accès aux créneaux horaires (voir figure 4).

Syntonisation et Synchronisation : Les concepts sont similaires mais pas exactement identiques.

  • Syntonisation : Alignement des horloges sur la même fréquence, comme le faisait SDH/SONET
  • Synchronisation : Alignement des horloges à la même fréquence et à la même phase
  • Synchronisation de l’heure du jour : Alignement des horloges sur la même fréquence, la même phase et une origine de temps. Toutes les horloges sont alors informées de l’heure et de la date.

DES ALTERNATIVES POUR UNE MIGRATION DE LA SYNCHRONISATION DE RÉSEAUX

Une fois que le réseau mobile a migré vers Ethernet/IP/MPLS, il existe un certain nombre d’alternatives pour obtenir la synchronisation. La première consiste à conserver le signal TDM, mais c’est une option coûteuse. La seconde alternative est le GPS ou le GLONASS qui peut fournir une référence de temps absolue. Enfin, les systèmes SyncE et PTP constituent la troisième solution et sont basés sur la fourniture d’une synchronisation par le biais de paquets réseau. C’est probablement la plus intéressante pour les nouveaux réseaux mobiles et c’est une solution rentable.

Migration de la synchronisation de réseaux mobiles FDD et TDD :

schématiqsation duplexage FDD duplex DRT
Dans le duplexage FDD, l’amont et l’aval utilisent des fréquences séparées, dans le duplex DRT, l’amont et l’aval partagent la même fréquence. Le FDD ne nécessite qu’une syntonisation alors que le TDD est plus efficace sur l’utilisation de la largeur de bande disponible mais nécessite une synchronisation de phase.

En réalité beaucoup remplacent les lignes TDM par des lignes Ethernet synchrones et des horloges à paquets utilisant IEEE1588v2. SyncE et IEEE1588v2 sont tous deux des additifs au réseau de données Ethernet, et fournissent le service de synchronisation aux réseaux mobiles. Les réseaux de liaison nécessitent déjà une synchronisation, et comme cette tendance se poursuit, la synchronisation est également nécessaire.

La syntonisation avec le TDM

Il existe un certain nombre de signaux TDM qui peuvent être utilisés comme source de synchronisation :

  • Analog: 1,544 and 2,048 kHz
  • Digital: 1,544 kbit/s (T1) and 2,048 (E1) kbit/s
  • Codes de ligne STM-n/OC-m : à partir desquels l’un des signaux susmentionnés peut être dérivé, au moyen d’un circuit spécialisé.

L’utilisation des signaux STM-n/OC-m présente l’avantage d’utiliser l’octet S1 pour permettre aux messages d’état de synchronisation (SSM) d’indiquer la performance de l’horloge avec laquelle le signal a été généré. Ces messages sont essentiels pour reconstruire automatiquement le réseau de synchronisation en cas de défaillance. Ils permettent aux horloges de choisir la meilleure référence possible et, s’il n’y en a aucune qui offre les performances requises, ils entrent dans l’état de maintien.

Synchronisation GPS ou GLONASS

Le GPS est disponible depuis de nombreuses années (aujourd’hui également le GLONASS russe) et nous avons souvent entendu dire « Pourquoi ne pas intégrer le GPS à chaque station de base », mais il s’agit malheureusement d’une solution vulnérable aux brouillages et aux interférences. De plus, les cellules GPS sont chaque jour plus petites et l’accès aux antennes n’est pas toujours possible, car elles sont déployées à l’intérieur, dans les datacenter, dans les stades ou les centres commerciaux, où l’accès aux signaux des satellites n’est pas pratique ou est très coûteux. Même les opérateurs CDMA qui ont traditionnellement utilisé le GPS ne considèrent plus cela comme une solution acceptable pour des raisons opérationnelles et politiques.

schéma de diffusion des horloges avec les réseaux de paquets
Diffusion des horloges par les réseaux à base de paquets.

Synchronisation Ethernet SyncE

L’Ethernet synchrone (SyncE) est une norme de l’ITU-T qui facilite le transfert des signaux d’horloge sur la couche physique de l’Ethernet. Le signal doit pouvoir être relié à une horloge externe unique pour l’ensemble du réseau. Il existe un certain nombre de recommandations de l’ITU-T concernant cette norme :

  • La norme G.8261 définit l’architecture et la limite de dérive.
  • La norme G.8262 spécifie les horloges de synchronisation Ethernet pour le SyncE.
  • La norme G.8264 décrit la messagerie (ESMC) de l’Ethernet synchrone.

Sur plusieurs aspect, SyncE est une évolution de la synchronisation SDH/SONET, et ce parce qu’elle partage de nombreux concepts, notamment les architectures et topologies de synchronisation.

Precision time protocole (PTP)

Alors que Sync-E peut fournir la synchronisation requise par les réseaux 2G et 3G, PTP est indiqué pour les réseaux qui nécessitent également une synchronisation de phase, de fréquence et d’heure.
Le PTP est un protocole de transfert de temps bidirectionnel avec horodatage matériel pour transporter le temps dans des trames Ethernet ou des paquets IP. Par rapport à SyncE, les nœuds intermédiaires n’ont pas besoin d’être mis à niveau et le PTP peut fournir non seulement la fréquence mais aussi la synchronisation du temps et du jour, ce qui est nécessaire pour les réseaux mobiles TDD.
Il est intéressant de noter que les esclaves PTP communiquent avec de courts messages à l’horloge maîtresse centralisée via les réseaux Ethernet natifs. L’utilisation de réseaux natifs à pour unique exigence de transmettre le PTP en haute priorité pour éviter la congestion, et d’essayer en particulier de contrôler la variation du délai de transmission des paquets.

schéma d'architecture ethernet synchrone en comparaison avec ethernet conventionnel
Architecture Ethernet synchrone et comparaison avec l’Ethernet conventionnel.
encapsulation ethernet message PTP
Encapsulation IP et Ethernet pour les messages PTP.

LES EXIGENCES DE SYNCHRONISATION DES RÉSEAUX MOBILES

Les opérateurs de téléphonie mobile s’orientent vers des réseaux plus efficaces et de plus grande capacité car il y a une plus grande demande en termes d’utilisateurs et de données mais les fréquences radio disponibles sont déjà largement attribuées, alors les opérateurs utilisent de plus en plus de nouvelles techniques pour réduire la largeur de bande de leurs attributions de spectre existantes.

schéma délai réponse du PTP
Mécanisme de demande de délai – réponse utilisé par le PTP. Les paramètres de base de la latence et du décalage sont calculés à partir des horodatages T1, T2, T3 et T4

Selon la technologie, les opérateurs de télécommunications ont des exigences différentes en matière de délais. Certains d’entre eux qui utilisent le GSM et la 3G peuvent continuer à maintenir les liaisons TDM existantes uniquement pour la syntonisation et peuvent vouloir éliminer cet équipement coûteux. D’autres se concentrent sur le LTE, voient le besoin imminent de synchronisation de la phase de distribution et veulent également éviter d’avoir à installer la technologie GPS sur chaque site cellulaire.

GSM, 3G

GSM, 3G ne nécessitent qu’une référence de fréquence, cela signifie qu’il suffira d’une syntonisation basée sur TDM ou SyncE.

Long Term Evolution (LTE) LTE-FDD / LTE-TDD

Les exigences en matière de synchronisation LTE-FDD (Frequency Division Duplex) sont similaires à celles du GSM et de la 3G. Elles ne nécessitent qu’une référence de fréquence. Les nouveaux réseaux LTE sont très exigeants en termes de fréquence et de phase, en particulier les architectures qui prennent en compte les petites cellules, où la réutilisation des fréquences est un facteur clé de performance.

tableau recepitulatif des fréquences et phases requises pour le réseau sans fil

schéma de PTP en transport sur les anciens réseaux
Le protocole IEEE1588 Precision Time Protocol peut être transporté sur les anciens réseaux à commutation de paquets et permet une synchronisation de phase.

Le LTE fait avancer les nouvelles exigences en matière de synchronisation non seulement en ce qui concerne la fréquence mais aussi la phase. C’est le cas du LTE-TDD (Time Division Du-plex) qui partage la fréquence entre la liaison montante et la liaison descendante pour rendre le système plus efficace. Ce système se veut très flexible, mais il est nécessaire de fournir une référence temporelle absolue pour utiliser de manière flexible les créneaux horaires disponibles.

DÉTAILS DU PROTOCOLE PTP

Le PTP a été défini dans la norme IEEE 1588 qui décrit une architecture Master-Slave pour la distribution temporelle sur de paquets réseaux par Ethernet / IP. La norme offre certains avantages clés aux fabricants et aux opérateurs qui peuvent déployer des équipements conformes à la norme PTP et éviter le coût du brouillage TDM et du brouillage potentiel, ainsi que les problèmes opérationnels et politiques qui accompagnent le déploiement de récepteurs GPS dans chaque station de base.

Dans le système IEEE 1588, on trouve plusieurs types d’horloges :

  • A Ordinary clock : Est un appareil avec une connexion à un seul port qui peut jouer le rôle de maître ou d’esclave selon sa position dans le réseau.
  • A Master clock : fournit un horodatage précis aux horloges esclaves situées en aval.
  • A Grandmaster : est l’horloge maîtresse située à la racine du temps, donc est la référence de l’horloge, transmettant l’information horaire aux horloges de son segment.
  • A boundary clock : Dispose de plusieurs connexions réseau, fonctionne comme esclave en amont et comme maître en aval. Il assure ensuite la synchronisation d’un segment à l’autre.
  • A transparent clocks : Passe par des messages PTP en ajoutant dans le champ de correction le temps passé par les paquets lors de la traversée de l’appareil.

tableau descriptif des outils IEEE 1588v2

En utilisant les fonctions d’horloge limite et transparente dans la chaîne de synchronisation, les effets de la latence et de variation du délai des paquets sont minimisés. Le Master et le Slave échangent des paquets contenant des messages courts pour mesurer et éliminer les erreurs de phase.

L’utilisation de la norme IEEE 1588v2 réduit le nombre d’antennes GPS nécessaires et le coût associé, et elle permet aux opérateurs de distribuer la synchronisation de phase aux sites où le GPS est difficile à déployer.

schéma des appareils albedo pour ITU Y1564 eSAM pour vérifier les KPI
Testeur Ether.Sync ou Ether.Genius exécute l’ITU-T Y.1564 (eSAM) pour vérifier les KPI qui affectent les flux PTP

Profils PTP

La norme IEEE-1588 2008 a introduit le concept de profil comme un ensemble de fonctionnalités optionnelles PTP pour prendre en charge différents types d’applications. Par exemple, un profil PTP définit le contrôle du délai de propagation, les mécanismes de transport requis, les types de nœuds, le taux d’échange de messages, le protocole unicast ou multicast. Les profils facilitent l’interopérabilité entre les nœuds et le déploiement des réseaux de télécommunications PTP.

Schema testeur de reseaux mobiles pour emuler des noeuds maitre esclave
Les testeurs Ether.Sync Ether.Genius sont des testeurs de réseaux mobiles qui peuvent émuler des nœuds maîtres et esclaves tout en mesurant des paramètres clés tels que le décalage temporel, la déviation de phase, etc…

INSTALLATION, MISE EN SERVICE ET MAINTENANCE PTP

Mise en service

La première étape est l’analyse des KPI du réseau qui doit transporter les flux PTP en termes de capacité et de qualité. Ils peuvent déterminer le succès ou l’échec de la mise en œuvre. Avec le testeur Ether. Genius, l’exécution de l’eSAM peut simuler un service PTP incluant la génération d’un trafic de fond avec différents profils de trafic.

L’objectif principal de l’eSAM est de vérifier que les trames PTP sont transportées avec les performances requises en termes de délai total de trame (FTD), de variation du délai de trame (FDV), de rapport de perte de trame (FLR) et de disponibilité afin de s’assurer que le SLA réservé aux messages PTP est préservé par le réseau lorsque cela est nécessaire.

Schéma de test PTP NetStorm
Le testeur Net.Storm peut générer – de manière contrôlée à 100 % – des dégradations de paquets pour vérifier comment l’horloge limite gère la perte de paquets et la variation du délai des paquets (PDV ou Jitter). Net Storm peut également être utilisé pour compenser les asymétries de délai qui ne peuvent pas être filtrées par les horloges limites ou les horloges esclaves.

Mesures et test PTP

Lors de l’installation d’un réseau IEEE 1588v2, des problèmes de connectivité de messages PTP peuvent survenir entre les unités maître et esclave. Par exemple, l’impossibilité d’établir la connectivité des messages PTP rend la synchronisation impossible et désactive la prise en charge des services. Lors du dépannage de ces liaisons, le testeur Ether.Sync peut être utilisé en mode « Terminate » pour capturer les messages PTP sur les ports de test de transmission et de réception jusqu’à 1 Gbit/s. Dans ce mode, le testeur Ether.Sync génère, reçoit et capture simultanément les messages PTP sur le circuit testé. Les utilisateurs peuvent rapidement identifier les problèmes de protocole de couche supérieure qui peuvent être associés aux messages PTP et/ou à l’approvisionnement (voir figure 11).
Le protocole PTP est conçu pour fonctionner dans des conditions de réseau, y compris les réseaux fortement occupés. Lorsqu’il y a beaucoup de conflits, le routage et la commutation des messages PTP peuvent donc être affectés, ce qui peut entraîner des effets secondaires comme la variation du délai des paquets dans les messages PTP, qui finissent par affecter la synchronisation, car elle dépend de la réception des messages à des moments précis. Le testeurs Ether.Sync et Ether.Genius peuvent tous deux émuler le trafic des avions de données (jusqu’à huit flux) tandis que les messages PTP sont transmis simultanément. Dans ces conditions, les ingénieurs de terrain peuvent vérifier si le nouveau réseau PTP ou le réseau PTP existant sont capables de fonctionner correctement dans de nombreux scénarios de charge différents.

Défaillances du réseau

Le protocole PTP est pris en charge par les réseaux de paquets et, par conséquent, les paquets PTP peuvent subir les inconvénients typiques, notamment la perte de paquets, le retard des paquets, la gigue des paquets, les asymétries de retard dans les chemins, même les messages hors séquence. Heureusement, la gigue des paquets peut être compensée par des horloges limites. Malgré les difficultés mentionnées ci-dessus, les horloges doivent rester stables afin de minimiser ces inconvénients et d’utiliser la fonction de maintien pour maintenir la synchronisation en bon état à l’intérieur des masques de tolérance.

schéma de détection, dépannage des menaces et des logiciels malveillants
Le testeur Net.Hunter est une solution compacte pour gérer la qualité, dépanner les menaces, les incidents et les logiciels malveillants sur les réseaux mobile.

L’appareil Net.Storm est un émulateur WAN qui peut générer des améliorations du réseau grâce aux performances du FPGA intégré pour les réseaux IP / TCP / UDP, telles que : latence, gigue, perte, erreur, duplication et modification des paquets (voir figure 12). Cela donne le droit de mettre l’accent sur le réseau PTP pour vérifier si la synchronisation est tolérante dans les conditions réelles du réseau. Il est également essentiel de souligner la capacité des horloges esclaves à fonctionner en mode « holdover », c’est-à-dire à maintenir une bonne synchronisation. Avec le Net.Storm, il est également possible de forcer les asymétries et de les compenser avec une précision de l’ordre de la nanoseconde.

Captures de paquets des trames PTP

Nous avons l’avantage de disposer d’un matériel sur mesure et de surmonter les problèmes causés par les cartes basées sur PC. Il s’agit d’une carte portable de terrain qui peut filtrer à la vitesse du fil les flux PTP dans les deux sens le reste des flux (protocoles, données, etc.) pour passer sans aucun retard et sans aucune perte. Les paquets PTP qui sont conformes à l’un des 30 filtres programmables (basés sur MAC, IP, TCP, Port, etc.) sont copiés et enregistrés sur un disque SSD interne au format PCAP et les paquets peuvent ensuite être analysés en laboratoire. Les paquets peuvent ensuite être analysés en laboratoire. Une autre solution consiste à copier un paquet PTP et à le transmettre en temps réel à un réseau local pour qu’il soit analysé à l’aide d’un dispositif externe.

Une caractéristique intéressante est que le Net.Hunter peut être synchronisé. Les captures de paquets PTP avec horodatage peuvent donc être très utiles pour étudier les performances de l’horloge transparente, le timing de compensation, la précision du timing, etc. pendant le fonctionnement des réseaux LTE en service et le trafic en direct. Le Net.Hunter ne perdra jamais de paquets, travaillant à pleine vitesse intégralement en duplex et contrairement à d’autres alternatives de capture, il peut également capturer des erreurs de couche physique, des erreurs de frames FCS et des trames non standard sous forme de Tap.

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