Sincronismo: de 0 a 5G

En la era de 5G, la demanda de precisión para redes de telecomunicaciones alcanza niveles sin precedentes. Conocé más del universo de la sincronización y cómo hemos avanzado hacia soluciones precisas y estandarizadas como NTP y PTP.
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Si viste películas viejas (y no tan viejas), en las que un grupo de personas arma un plan para un robo, debería resultarte familiar que se junten antes de empezar con el objetivo de sincronizar sus relojes. Si, además, tuviste un reloj que no fuera inteligente, debés tener claro que esa sincronización es necesaria por tres motivos: cada uno se ajusta a mano, seguramente usando referencias distintas y, sobre todo, cada uno agrega un desfasaje diferente que se va acumulando en el tiempo, al punto de llegar a atrasarse varios segundos o hasta minutos durante un mes.

Ese es un problema de otra época. Hoy en día, si me pregunto qué hora es, miro el celular o el reloj inteligente y no me quedan dudas de que es la hora exacta. Esto se logró corrigiendo los tres problemas mencionados: ya no se ajusta a mano, ya no se usan referencias distintas y ahora se corrigen constantemente los atrasos naturales de cada sistema.

Pero, a pesar de estos ajustes y de la precisión que requerimos como usuarios cuando consultamos la hora, existen funcionalidades que exigen una precisión mayor. ¿Cuáles son estas aplicaciones? ¿Cómo se han solucionado los distintos problemas de sincronismo? ¿Cómo impacta la llegada de 5G?

Precisión básica para usuarios finales

La solución al primer problema (ajustes manuales) es clara: el ajuste se hace de manera automática a través de la red, por lo que se elimina el error humano al momento de sincronizar. Pero ¿de dónde saca la hora la red? Eso se responde con la solución para el segundo y tercer problema: la estandarización de protocolos que tomen un reloj de referencia para distribuir la hora a través de la red de paquetes.

En el caso de nuestros dispositivos, esta estandarización toma la forma del NTP (Network Time Protocol o protocolo de tiempo de red). NTP usa servidores primarios para recibir la hora de referencia para sincronizar. Esa referencia puede obtenerse de un reloj de cesio, de otro sistema NTP o desde algún sistema global de navegación por satélite (GNSS); el más común es el GPS, propiedad de Estados Unidos. Algunos de sus homólogos son GLONASS (Rusia) y Galileo (Unión Europea). De esta manera, se resuelve el uso de una referencia única, mientras que el problema de los atrasos de cada dispositivo se resuelve consultando esa hora con cierta frecuencia y ajustando la diferencia.

Los servidores primarios de NTP envían la señal a servidores secundarios a través de la red de telecomunicaciones, que luego la distribuyen a los clientes (los dispositivos). Cada salto entre servidores y nodos para llegar al cliente agrega un pequeño retraso a la señal de relojes, causado tanto por el tiempo de propagación de la señal de reloj (delay) como la diferencia entre relojes (offset). Estos retrasos causan que los clientes NTP reciban la hora con una precisión que puede diferir en hasta algunos milisegundos.

Esta precisión es más que suficiente para saber si estoy en hora para una reunión o si tengo que sacar la comida del horno, por lo que la solución de NTP es apropiada para el uso en dispositivos finales, pero no podemos decir lo mismo para todas las aplicaciones.

Necesidad de precisión para redes de telecomunicaciones

Cuando hablamos de redes de telecomunicaciones, hay funcionalidades que requieren precisiones mucho mayores que milisegundos. Exploremos un ejemplo: la comunicación inalámbrica usando la técnica TDD (Time Division Duplex), presente en algunos sistemas LTE y en 5G.

Para entenderlo, hablemos primero de su alternativa: FDD (Frequency Division Duplex). El requerimiento de fondo es que, en el intercambio de datos entre tu dispositivo y la estación de radio del proveedor de internet (la radiobase), tiene que haber una forma de bajar datos (de la radiobase al dispositivo) y otra de subir datos (en el camino inverso). Usando FDD, se reserva un canal de bajada en cierta frecuencia y uno de subida en otra distinta, por lo que las dos comunicaciones pueden darse en simultáneo.

Lo que hace TDD para separar la subida de la bajada es dividir el tiempo en pequeñas ventanas y asignar algunas de ellas a la subida y otras a la bajada. Esto mejora la eficiencia del espectro de frecuencia, ya que se usa un solo canal, además de dar la posibilidad de asignar de forma dinámica recursos a subida o bajada según la demanda. Su principal desafío está en la precisión con la que las radiobases marcan el inicio de esas ventanas.

La cobertura celular en una zona se logra desplegando radiobases separadas en regiones más pequeñas. Dado que las potencias de transmisión de las radiobases son altas para alcanzar a todos los dispositivos en su región, es esperable que la transmisión de una radiobase sea recibida por otra radiobase vecina.

¿Qué pasaría si una de las radiobases tuviera su reloj desfasado, por ejemplo, durante una ventana entera de TDD? Lo que una interpreta como bajada podría ser recibida por su vecina como subida y generar una interferencia importante en la red.

¿Cómo hacemos para tener relojes más precisos?

Para remediar desfasajes de reloj cuando la precisión requerida es mayor, se estandariza el protocolo PTP (Precision Time Protocol o protocolo de tiempo preciso) y se comienza a implementar para sistemas LTE. PTP permite la sincronización de relojes en sistemas distribuidos con alta precisión usando un enfoque maestro-esclavo, en los que un reloj maestro envía señales de tiempo a los relojes esclavos a través de la red. Los relojes esclavos ajustan sus relojes locales para mantenerlos sincronizados con el reloj maestro.

El maestro, de manera similar al servidor primario de NTP, toma la señal de referencia para sincronizar el tiempo desde un receptor GNSS. De esto puede surgir la pregunta: ¿por qué usar PTP para distribuir por la red si puedo recibir una señal de GPS desde cualquier radiobase? La pregunta no solo es válida, sino que da lugar a una solución de sincronismo existente en el mercado, llamada GNSS Everywhere.

Aunque tiene la ventaja de no perder precisión al no tener que propagarse, tiene como principal desventaja la posibilidad de perder la señal satelital de GNSS debido a mal clima o poca línea de vista entre la base y los satélites. Si una radiobase pierde la señal, puede empezar a interferir con todas las bases adyacentes, por lo que debe darse de baja.

En contraparte, los relojes PTP cuentan con un oscilador interno de alta precisión con el que pueden mantener la señal del reloj durante horas o hasta días luego de dejar de recibir la señal GNSS, lo que los hace robustos a problemas circunstanciales con la recepción. Además, se centraliza la recepción de GNSS en algunos puntos que luego se distribuyen en la red, sin requerir receptores en cada nodo y, por ende, reduciendo costos.

¿Qué cambia con 5G?

En NTP hablamos de una precisión de milisegundos. En 3G, los requerimientos de precisión establecen un error máximo de 10 microsegundos (un orden mil veces menor). En 4G o LTE, son 5 microsegundos. En 5G, el máximo error que pueden tener las radiobases para no generar interferencias es de 1,5 microsegundos desde la señal de reloj hasta la transmisión de la radiobase, incluyendo todos los saltos intermedios.

Las condiciones son más restrictivas que nunca debido a las nuevas tecnologías que se habilitan con el paradigma de 5G. La reducción sustancial del tiempo que demora cada comunicación en la red (latencia), el uso de técnicas de transmisión a cada usuario móvil con alta directividad (beamforming) y el aumento de recursos de frecuencia para mejorar el ancho de banda de una comunicación (carrier aggregation) son ejemplos que suben la vara en términos de sincronismo y que se traducen en una mejor experiencia de usuario y, en general, un gran avance en las telecomunicaciones.

Los requerimientos de precisión son cada vez más altos, y esto convierte a los sistemas de sincronismo en una parte fundamental para el funcionamiento de las redes, tanto de telecomunicaciones como de otros sistemas (entre los que están las utilities). Es por eso que se debe recurrir a soluciones de sincronismo que den la talla con los requerimientos para garantizar una conectividad fluida y confiable. Además, se deben atender las vulnerabilidades que genera la dependencia en señales GNSS, pero ese es un tema para otro artículo.


Por Pablo Bertrand, Support Engineer Analyst de Telcos.

Pablo es Ingeniero Electricista con especialización en telecomunicaciones y estudiante de Maestría en Ingeniería Eléctrica en la Universidad de la República. Cuenta con más de 7 años de experiencia en el ámbito de las telecomunicaciones y desempeña funciones en preventa, implementación y soporte de proyectos.

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