Sincronia en Nodos B

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Nota de Aplicación AN.VAJW.CELLULAR.2.0.ES

Prueba de sincronización en la red UMTS

La correcta sincronización los nodos de red tiene gran incidencia en la calidad de servicio.. La calidad de la frecuencia portadora en el interfaz radio será crítica para poder garantizar un nivel de interferencia bajo entre células adyacentes. Además, cuando el interfaz radio está basado en TDD resulta esencial que los diferentes nodos-B estén sincronizados entre ellos. Otro de los servicios que sin duda requerirán de una calidad de sincronización alta es el de localización

Prueba de sincronización en la red UMTS

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Las compañías operadoras están realizando importantes inversiones en despliegue de redes celulares de tercera generación 3G/UMTS. Este este esfuerzo es extensivo a los fabricantes de equipos de red que deben afrontar el problema de encontrar especificaciones satisfactorias para los elementos que conformarán los nodos de la red celular.

La producción de la normativa referente a la red móvil de tercera generación desarrollada desde la actual GSM está en manos del 3GPP que agrupa a diferentes organismos de normalización. La normativa del 3GPP se encuentra en un estado de constante evolución y no son pocos los aspectos todavía no han sido aclarados.

Desde el mundo del test y medida todavía permanecen oscuras cuales serán las necesidades de los operadores móviles en lo referente a la puesta en servicio y monitorización de la red. No será posible contestar con exactitud estas cuestiones hasta que no se determine cuales serán las realizaciones prácticas de la normativa que se está produciendo. Sin embargo, algo puede adelantarse del curso que seguirán los aconteci-mientos. Todo parece indicar que la sincronización de la red de acceso y su control será uno aspectos relevantes.

Sabemos por experiencia, que la correcta sincronización los nodos de red tiene gran incidencia en la calidad de servicio. Específicamente, la probabilidad de éxito de handover depende en gran medida de la calidad de la sincronización en los elementos de red implicados.

La calidad de la frecuencia portadora en el interfaz radio también será crítica para poder garantizar un nivel de interferencia bajo entre células adyacentes. Además, cuando el interfaz radio está basado en TDD resulta esencial que los diferentes nodos-B estén sincronizados entre ellos

N odo-B

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N odo-B

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N odo-B

N odo-B

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Figura 1 Arquitectura de la UTRAN

Prueba de sincronización en la red UMTSArquitectura de la red UMTS


Otro de los servicios que sin duda requerirán de una calidad de sincro-nización alta es el de localización. Está previsto que la red móvil de tercera generación incorpore este tipo de servicios que permitirá encontrar por triangulación un equipo de usuario con un margen de error acotado. El método utilizado por el servicio de localización requiere gran calidad en las señales de sincronismo utilizadas.

A R Q U I T E C T U R A D E L A R E D U M T SAl ser la red UMTS producto de la evolución de la red celular de segunda generación GSM muchos de sus elementos y características son comúnes.

La red UMTS se compone de un subdominio de acceso y otro de trans-porte. El subdominio de acceso conecta la a los usuarios a la red de transporte. Desde la red de transporte se realiza la conexión de la red móvil a redes fijas y la gestión de todo sistema.

La red de transporte es compartida con la ya existente en los sistemas GSM y GPRS y es en el subdominio de acceso en el que se registran las novedades más importantes.

En la normativa del 3GPP se definen las funciones, interfaces y proto-colos de cada una de las partes que constituyen la red de acceso. La realización del subdominio de acceso de la red UMTS es la denominada UTRAN. La UTRAN se compone de dos elementos, el Nodo-B y el RNC.

• El Nodo-B de UMTS es similar a la BTS de GSM. Una de las novedades es la posibilidad de macrodiversidad que permite a a un mismo UE ser servido desde más de un Nodo-B simultáneamente

• El RNC es uno de los elementos clave de la UTRAN. Conecta a los Nodos-B al subdominio de transporte. Desde el RNC se controlan los recursos lógicos hacia el nodo-B. Además, el RNC gestiona individual-mente la conexión con cada UE. De esta forma, desde este elemento se realizan las funciones de control de admisión, control de potencia, control de macrodiversidad y handover para cada UELa conexión entre los elementos de la UTRAN se caracteriza por la flexibilidad. Por ejemplo, para la conexión de Nodos-B y RNCs (interfaz Iub) y RNCs entre sí (interfaz Iur) se admiten tanto conexiones SDH como PDH. La conexión radio con los UEs se realiza por medio del interfaz uu. Para el interfaz radio modalidades basadas en multi-plexación en el tiempo como en frecuencia son admitidas. Sin embargo, la tónica general es la presencia de CDMA híbrido TDMA o FDMA dando lugar principalmente dos tipos modalidades de acceso radio: FDD y TDD.

Prueba de sincronización en la red UMTSSincronización de la UTRAN


La conexión de la UTRAN a la red de transporte se realiza por medio del interfaz Iu. La característica principal de este interfaz es que admite interactuar tanto con circuitos como con conexiones basadas en paquetes.

S I N C R O N I Z A C I Ó N D E L A U T R A NLa mayor parte de los aspectos relevantes en la sincronización de la UTRAN, se discuten en la norma TS-25.402. Los aspectos tratados allí son, fundamentalmente:

• Sincronización de red, distribución de las señales de sincronización por la UTRAN y su integración en las redes conectadas

• Sincronización de nodo o discusión de las características y límites en las señales de sincronización de Nodos-B entre sí o Nodos-B y RNCs

• Sincronización del canal de transporte, necesaria para garantizar el transporte de tramas entre el RNC y los Nodos-B

• Sincronización del interfaz radio entre los Nodos-B y el UE

• Gestión del alineamiento temporal entre la UTRAN y la red de trans-porteUn adecuado control sobre la sincronización de red y de nodo es funda-mental para el correcto funcionamiento en todos los demás. En esta nota se discuten las técnicas de evaluación de una correcta sincroni-zación de red y de nodo.

S I N C R O N I Z A C I Ó N D E R E D

Como se explica en la sección anterior, el concepto de sincronización de red está relacionado con la especificación de las técnicas de distri-bución de sincronismo y de los requerimientos de calidad necesarios en los nodos que componen la UTRAN.

Puesto que la capa física de transmisión en las conexiones Nodo-B/RNC y RNC/RNC están basadas en diferentes niveles de las jerar-quías digitales SDH, SONET, PDH y ANSI T-Carrier, las estrategias de sincronización son fundamentalmente equivalentes a las utilizadas en todas las redes de este tipo.

La norma TS-25.402 recomienda que la fuente de sincronización dispo-nible en cada uno de los nodos-B tenga una estabilidad mejor de 0,05 ppm para poder garantizar una calidad adecuada en las señales del interfaz radio. Para cumplir estos objetivos se recomienda la disponibi-lidad de una fuente de sincronización obtenida desde un PRC (reloj de calidad G.811) remoto.

Prueba de sincronización en la red UMTSSincronización de nodo


Para asegurar la calidad de la fuente de sincronización de la UTRAN en todo momento, sera necesaria redundancia en las entradas de sincro-nismo disponibles. Se combinarán receptores GPS con señales de sincronización transportadas en enlaces PDH o SDH desde un PRC

S I N C R O N I Z A C I Ó N D E N O D O

El concepto de sincronización de nodo hace referencia al conjunto de técnicas relacionadas con la estimación y compensación de diferencias de sincronización en las distintas partes de la UTRAN y se define para minimizar la interferencia entre nodos-B

Una característica importante de la sincronización de nodo es que los requerimientos para la UTRAN difieren en los modos FDD y TDD. Esto es así porque en el modo FDD se utilizan frecuencias diferentes para el radioenlace de transmisión y el de recepción pero en TDD ambos radioenlaces comparten la misma frecuencia. En el modo TDD es necesaria la sincronización entre celdas y por ello las diferencias de temporización admitidas son más restrictivas que con el modo FDD.

La norma TS-25.402 trata de forma separada la sincronización RNC/Nodo-B y la sincronización Nodo-B/Nodo-B.

Sincronización RNC/Nodo-BLa sincronización RNC/Nodo-B funciona a nivel de protocolos de plano de usuario y trata de mantener la frecuencia del nodo-B engan-chada a la de la RNC cuando por algún motivo existe algún tipo offset entre los dos nodos. Para ello se basa en información de latencia que calcula el propio sistema.

La calidad del mecanismo compensación de frecuencia puede verse comprometida por la presencia de wander causado por variaciones cíclicas de temperatura que afectan al retardo de la señal al atravesar el medio de transmisión. Ello quiere decir, que la caracterización de la fuente de sincronización en términos de MTIE resultará de gran impor-tancia para un funcionamiento correcto del algoritmo de compensación de frecuencia

Sincronización Nodo-B/Nodo-BLa sincronización entre Nodos-B es especialmente crítica en sistemas TDD. En el caso de sistemas FDD, es suficiente el uso del protocolo de sincronización RNC/Nodo-B. En sistemas TDD deberá utilizarse un puerto de sincronización especial en los equipos. Alternativamente, puede utilizarse el interfaz aéreo para la sincronización.

Prueba de sincronización en la red UMTSPrueba de estabilidad a corto plazo


P R U E B A D E E S T A B I L I D A D A C O R T O P L A Z O

Es conveniente caracterizar la estabilidad de la señal de sincronización en los nodos de la UTRAN por medio de como mínimo dos medidas diferentes. En esta sección se describe la primera de las medidas necesarias y en la siguiente se describe la segunda.

La variación fase de la señal de sincronismo debe mantenerse dentro de los límites especificados en todo momento. Sin embargo, por razones prácticas, la estabilidad a corto plazo (con periodo de observación pequeño) se mide separadamente de la estabilidad a largo plazo.

Para la caracterización de estabilidad a corto plazo puede utilizarse el frecuenciómetro que incorpora Victoria Jitter/Wander que propor-ciona el valor del offset respecto al valor nominal directamente en ppm.

P R U E B A D E E S T A B I L I D A D A L A R G O P L A Z O

Para caracterizar la estabilidad a largo plazo de una fuente de sincroni-zación no basta con una medida simple de desviación de frecuencia respecto a un valor nominal. A menudo una señal de sincronismo esta contaminada por variaciones de fase de larga duración que no pueden ser diagnosticadas sin una medida de duración prolongada. El parámetro relevante en este caso es el MTIE que ayuda a caracterizar la incidencia de variaciones de fase en diferentes escalas temporales.

Para poder caracterizar perturbaciones de fase de baja frecuencia han de considerarse ventanas de observación largas. Es frecuente que una medida de MTIE dure varios días.

Es usual representar gráficamente el resultado de una medida de MTIE simultáneamente con una máscara normalizada. El gráfico de MTIE

desviación defrecuencia ppm

Figura 2 Caracterización de la estabilidad a corto plazo de un reloj con ayuda del frecuencimetro de Victoria Jitter/Wander

Prueba de sincronización en la red UMTSPrueba de estabilidad a largo plazo


debe permanecer por debajo de la máscara en todas las escalas para poder considerar satisfactorio el resultado de la prueba.

La gráfica de MTIE del Nodo-B se obtiene superponiendo los diferentes requerimientos para la fuente de sincronización en este punto de la red.

• En primer lugar, la sincronización del Nodo-B debe ser de calidad G.811, por ello, la máscara de MTIE del Nodo-B debe estar basada en la que se describe en esta Recomendación de la ITU-T

• El comportamiento en escalas temporales pequeñas viene dado por el límite de 0,05 ppm de la norma TS-25.402. Un offset de frecuencia constante, tiene una gráfica de MTIE que es una recta. En nuestro caso, 0,05 ppm producirán una variación equivalente a 5x10-8 segundos en la fase de la señal de sincronismo por cada segundo. Es decir, la fase cambiara 50 ns por cada segundo respecto al valor nominal. Este dato proporciona directamente la pendiente de la recta de offset de frecuencia constante

• Para el caso de sistemas TDD la TS-24.402 además establece límites para la diferencia de fase en señales de sincronización en diferentes Nodos-B. El límite especificado es de 2,5 µs entre dos Nodos-B cualesquiera de una misma área. Eso quiere decir cada Nodo-B no podrá exceder en 1,25 µs en promedio un valor nominal dado. La gráfica de MTIE correspondiente a una diferencia de fase máxima de 1,25 µs es una recta horizontal que corta al eje vertical en el punto de valor 1,25 µsTal y como era de esperar, la recta correspondiente al offset de frecuencia constante corta a la gráfica de MTIE G.811 en su parte baja. Para ventanas de observación cortas, la G.811 no es válida para evaluar el comportamiento de la fuente de sincronización del nodo B. Además, si el sistema es TDD, se impone el requerimiento adicional de que la

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M TIE (ns)

τ (s)

Figura 3 Máscara de MTIE para la fuente de sincronización en el Nodo-B de una red UMTS

más

cara

G.8

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offse

t de

frecu

encia

0,0

5 pp

m offset de fase 1.25 µs

Prueba de sincronización en la red UMTSConclusión


diferencia de fase entre celdas no puede ser superior a 2,5 µs. Ello se manifiesta en la gráfica de MTIE como una recta horizontal que corta a la máscara G.811 en la parte correspondiente a ventanas de obser-vación de duración muy larga. Para este tipo de ventanas, la G.811 tampoco es válida y debe considerarse la especificación más restrictiva de 2,5 µs en la fase.

La medida de MTIE en victoria puede realizarse de forma sencilla:

• Es posible obtener resultados en forma de tabla con los valores obtenidos

• Los resultados en forma de tabla pueden representarse gráficamente y de forma directa en el propio interfaz de usuario del instrumento. No es necesario software externo

• Permite introducir la máscara deseada y representarla gráficamente con los resultados para poder comprobar fácilmente si la fuente de sincronización cumple con los requerimientos deseados o no

• Los resultados de MTIE son mostrados en tiempo real. Los valores de las tablas y los puntos del gráfico de MTIE son actualizados a medida que se van teniendo nuevos datosLa naturaleza de las medidas de wander hace necesario disponer de una señal de sincronización fiable para poder obtener resultados. La razón es que las perturbaciones de fase a detectar son de periodo tan largo que no pueden ser filtradas de forma convencional por un PLL tal y como se hace con las medidas de jitter. En la medida de MTIE en el Nodo-B esta fuente de sincronización puede ser obtenida por diferentes medios. Uno de ellos consiste en utilizar un receptor GPS con este fin.

C O N C L U S I Ó N

El control de la sincronización en la red celular UMTS es de gran importancia y tiene una fuerte incidencia en la calidad de servicio al usuario.

Figura 4 Caracterización de la estabilidad a largo plazo de una fuente de sincronización con ayuda de la medida de MTIE de Victoria Jitter/Wander

Prueba de sincronización en la red UMTSÍndice de acrónimos


Un operador móvil de tercera generación debe comprobar que el proveedor de ancho de banda para su red esta en posición de ofrecer señales de sincronización de la calidad requerida por los estándares ya que este es un factor importante en su éxito final.

Las características de Victoria Jitter/Wander le convierten en una herramienta fundamental en la validación de la sincronización para la red UMTS:

• Elevada portabilidad

• Múltiples interfaces, tanto PDH como SDH

• Calidad y precisión en los resultados

• Automatización, generación de informes e impresión

Í N D I C E D E A C R Ó N I M O S

3GPP: 3rd Generation Partnership ProjectBTS: Base Transceiver StationCDMA: Coded Division Multiple AccessFDD: Frequency Division DuplexFDMA: Frequency Division Multiple AccessGSM: Global System for Mobile communications GPRS: General Packet Radio ServiceMTIE: Maximum Time Interval ErrorPDH: Plesiochronous Digital HierarchyPLL: Phase Locked LoopRNC: Radio Network ControllerSDH: Synchronous Digital HierarchySONET: Synchronous Optical NETworkTDD: Time Division DuplexTDMA: Time Division Multiple AccessUE: User EquipmentUMTS: Universal Mobile Telephone SystemUTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network

N O R M A T I V A R E L E V A N T E

[1]. 3GPP TS 25.401 UTRAN Overall Description.

[2]. 3GPP TS 25.402 Synchronisation in UTRAN Stage 2.

[3]. 3GPP TS 25.401 UTRAN Iu Interface Layer 1.

[4]. 3GPP TS 25.421 UTRAN Iur INterface Layer 1.

[5]. 3GPP TS 25.431 UTRAN Iub Interface Layer 1.

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[6]. ETSI EN 300 462-3-1 Transmission and Multiplexing (TM); Gere-ric requirements for synchronization networks; Part 3-1 The control ofjitter and wander within synchronization networks

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[9]. ITU-T Recommendation G.813 (08/1996) Timing Characteristics ofSDH equipment slave clocks (SEC).

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