Se você já assistiu a filmes antigos (e nem tão antigos assim), nos quais um grupo de pessoas monta um plano para um roubo, deve estar familiarizado com o fato de que eles se reúnem antes de começar para sincronizar seus relógios. Se, além disso, você tinha um relógio que não era inteligente, deve estar claro para você que essa sincronização é necessária por três motivos: cada um é ajustado manualmente, provavelmente usando referências diferentes e, acima de tudo, cada um adiciona um deslocamento diferente que se acumula com o tempo, a ponto de ficar vários segundos ou até minutos atrasado durante um mês.
Esse é um problema de outra época. Hoje, se eu me perguntar que horas são, olho para o meu celular ou relógio inteligente e não tenho dúvidas de que é a hora exata. Isso foi conseguido com a correção dos três problemas mencionados acima: não mais ajuste manual, não mais uso de referências diferentes e agora correção constante das defasagens naturais de cada sistema.
Mas, apesar desses ajustes e da precisão que exigimos como usuários quando consultamos a hora, há funcionalidades que demandam maior precisão. Quais são essas aplicações? Como os vários problemas de sincronização foram resolvidos? Qual é o impacto da chegada do 5G?
Precisão básica para usuários finais
A solução para o primeiro problema (ajustes manuais) é clara: o ajuste é feito automaticamente por meio da rede, eliminando assim o erro humano na sincronização. Mas de onde a rede obtém a hora? Isso é respondido pela solução para o segundo e o terceiro problema: a padronização de protocolos que utilizam um relógio de referência para distribuir a hora pela rede de pacotes.
No caso dos nossos dispositivos, essa padronização assume a forma de NTP(Network Time Protocol ). O NTP usa servidores primários para receber a hora de referência para sincronização. Essa referência pode ser obtida de um relógio de césio, de outro sistema NTP ou de um sistema global de navegação por satélite (GNSS), sendo o mais comum o GPS, de propriedade dos Estados Unidos. Alguns de seus equivalentes são o GLONASS (Rússia) e o Galileo (União Europeia). Dessa forma, o uso de uma única referência é resolvido, enquanto o problema de atrasos em cada dispositivo é resolvido consultando esse tempo com alguma frequência e ajustando a diferença.
Os servidores NTP primários enviam o sinal para os servidores secundários por meio da rede de telecomunicações, que o distribuem para os clientes (os dispositivos). Cada salto entre servidores e nós para chegar ao cliente adiciona um pequeno atraso ao sinal do relógio, causado tanto pelo tempo de propagação do sinal do relógio (atraso) quanto pela diferença entre os relógios (deslocamento). Esses atrasos fazem com que os clientes NTP recebam a hora com uma precisão que pode diferir em até alguns milissegundos.
Essa precisão é mais do que suficiente para saber se estou na hora certa para uma reunião ou se tenho que tirar a comida do forno, portanto, a solução NTP é adequada para uso em dispositivos finais, mas o mesmo não pode ser dito para todos os aplicativos.
Requisitos de precisão para redes de telecomunicações
Quando se trata de redes de telecomunicações, há funcionalidades que exigem uma precisão muito maior do que milissegundos. Vamos explorar um exemplo: a comunicação sem fio usando a técnica TDD (Time Division Duplex), presente em alguns sistemas LTE e no 5G.
Para entender isso, vamos primeiro falar sobre sua alternativa: FDD (Frequency Division Duplex). O requisito subjacente é que, na troca de dados entre seu dispositivo e a estação de rádio do provedor de Internet (a base de rádio), deve haver uma maneira de fazer download de dados (da base de rádio para o dispositivo) e uma maneira de fazer upload de dados (no caminho inverso). Usando o FDD, um canal de downstream é reservado em uma determinada frequência e um canal de upstream em uma frequência diferente, para que as duas comunicações possam ocorrer simultaneamente.
O que o TDD faz para separar upstream e downstream é dividir o tempo em pequenas janelas e alocar algumas delas para upstream e outras para downstream. Isso melhora a eficiência do espectro de frequência, pois apenas um canal é usado, além de dar a possibilidade de alocar dinamicamente recursos para uplink ou downlink de acordo com a demanda. O principal desafio é a precisão com que as estações rádio-base marcam o início dessas janelas.
A cobertura celular em uma área é obtida com a implantação de estações rádio-base separadas em regiões menores. Como as potências de transmissão das estações rádio-base são altas para alcançar todos os dispositivos em sua região, espera-se que a transmissão de uma estação rádio-base seja recebida por uma estação rádio-base vizinha.
O que aconteceria se uma das estações rádio-base tivesse seu relógio fora de fase, por exemplo, durante toda uma janela TDD? O que uma estação interpreta como downstream poderia ser recebido por seu vizinho como upstream e gerar interferência significativa na rede.
Como podemos obter relógios mais precisos?
Para remediar as incompatibilidades de relógio quando a precisão necessária é maior, o PTP(Precision Time Protocol ) foi padronizado e começou a ser implementado para sistemas LTE. O PTP permite a sincronização de relógios em sistemas distribuídos com alta precisão usando uma abordagem mestre-escravo, em que um relógio mestre envia sinais de hora para relógios escravos pela rede. Os relógios escravos ajustam seus relógios locais para mantê-los sincronizados com o relógio mestre.
O mestre, semelhante ao servidor NTP primário, recebe o sinal de referência para sincronização de horário de um receptor GNSS. Isso pode levantar a seguinte questão: por que usar o PTP para distribuir pela rede se posso receber um sinal de GPS de qualquer base de rádio? A pergunta não é apenas válida, mas também dá origem a uma solução de sincronização existente no mercado, chamada GNSS Everywhere.
Embora tenha a vantagem de não perder a precisão por não precisar se propagar, sua principal desvantagem é a possibilidade de perder o sinal do satélite GNSS devido ao mau tempo ou à má linha de visão entre a base e os satélites. Se uma base de rádio perder o sinal, ela poderá começar a interferir em todas as bases adjacentes e deverá ser desativada.
Em contrapartida, os relógios PTP têm um oscilador interno de alta precisão que pode manter o sinal do relógio por horas ou até dias depois que o sinal GNSS não for mais recebido, o que os torna resistentes a problemas circunstanciais de recepção. Além disso, a recepção do GNSS é centralizada em alguns pontos, que são distribuídos por toda a rede sem a necessidade de receptores em cada nó, reduzindo assim os custos.
O que muda com o 5G?
No NTP, estamos falando de precisão de milissegundos. No 3G, os requisitos de precisão definem um erro máximo de 10 microssegundos (uma ordem de magnitude mil vezes menor). Em 4G ou LTE, é de 5 microssegundos. No 5G, o erro máximo que as estações radiobase podem ter para não gerar interferência é de 1,5 microssegundos do sinal do relógio à transmissão da estação radiobase, incluindo todos os saltos intermediários.
As condições estão mais restritivas do que nunca devido às novas tecnologias possibilitadas pelo paradigma 5G. A redução substancial do tempo que cada comunicação leva na rede (latência), o uso de técnicas de transmissão para cada usuário móvel com alta diretividade (formação de feixe) e o aumento dos recursos de frequência para melhorar a largura de banda de uma comunicação (agregação de portadora) são exemplos que elevam o nível em termos de sincronização e se traduzem em uma melhor experiência do usuário e, em geral, em um avanço nas telecomunicações.
Como os requisitos de precisão são cada vez mais altos, isso faz com que os sistemas de sincronização sejam uma parte fundamental da operação das redes, tanto de telecomunicações quanto de outros sistemas (incluindo serviços públicos). É por isso que devem ser usadas soluções de sincronização que atendam aos requisitos de conectividade contínua e confiável. Além disso, as vulnerabilidades geradas pela dependência dos sinais GNSS devem ser abordadas, mas esse é um tópico para outro artigo.
Por Pablo Bertrand, analista de engenharia de suporte da Telcos.
Pablo é engenheiro elétrico com especialização em telecomunicações e estudante de mestrado em engenharia elétrica na Universidad de la República. Ele tem mais de 7 anos de experiência na área de telecomunicações e trabalha em pré-vendas, implementação e suporte a projetos.
