Artigo: As redes 4G/5G e a sincronização de sinal móvel

Entregar precisão de tempo menor que um microssegundo para as estações radiobase de celular sempre foi um dos maiores desafios enfrentados pelos provedores móveis. Como se sabe, a sincronização perfeita é exigência essencial para a manutenção do sinal nas comunicações de celulares, já que o dispositivo do usuário precisa trafegar, em variável velocidade e diante de diferentes obstáculos físicos, entre diferentes células de base, sem a indesejável quebra de conexão na passagem de uma célula para outra.

Se tal desafio já era grande, hoje é ele é ainda maior para as operadoras que estão pondo em funcionamento as suas novas redes LTE (Long Term Evolution) para o tráfego 4G e para o futuro 5G, redes estas que suportam velocidades de tráfego muito mais críticas e de características mais complexas do ponto de vista de seu conteúdo.

Para complicar ainda mais, o modelo LTE exige um volume muito maior de pequenas células de rádio base (small cells) para compor a rede de coordenação de tráfego (tecnicamente chamada backhaul), sendo que muitas destas células apresentam duas dificuldades adicionais. Em primeiro lugar, estas pequenas células, em geral, dispõem de pouquíssimo espaço físico para a instalação de dispositivos, o que torna este espaço tremendamente valioso, levando as operadoras a buscar sua preservação para o caso da necessidade de expansão estratégica da rede de acesso. Em segundo lugar, as pequenas células são, muitas vezes, acondicionadas no interior de prédios ou enfrentam obstáculos urbanos que impedem que elas tenham a chamado “espaço de visada”, ou uma “visão para o céu”, que é a primeira exigência para os sistemas de sincronização de tempo baseados em sinal de satélite. 

Considerando o grande avanço das plataformas LTE no Brasil, podemos prognosticar que esta temática da sincronização será, sem dúvida, uma das mais palpitantes nos debates e exposições que acontecerão na Futurecom 2015. Antes da difusão do 4G, a maneira padrão de se entregar uma referência de relógio de alta precisão para sincronizar o sinal entre as estações de base era instalar um acesso ao Sistema de Navegação Global por Satélite (GNSS, do inglês Global Navigation Satellite System) em cada estação radiobase. Este tipo de solução é tecnicamente bom, do ponto de vista de seu funcionamento, mas demonstra-se prática e economicamente inviável, no caso das pequenas células. E isto não só pelos motivos já citados (a falta de espaço físico e ausência da janela de visada) mas também pelo alto custo de instalação destes dispositivos e antenas em todas as pequenas células da rede de acesso LTE, cujo número não deve parar de crescer em função da também crescente demanda de tráfego móvel 4G e 5G. Este modelo baseado em  receptores de sinal GNSS, também conhecidos como PRTC (ou Primary Reference Time Clock), começa, portanto, a ser questionado pelas operadoras em função de suas limitações no cenário LTE.

As limitações do GNSS

Uma característica marcante das redes de 4G/5G é exatamente a de terem de acomodar grande número de pequenas células para entregar capacidades e velocidades de dados maiores. Além da inviabilidade técnica e comercial de conectar todos estes pontos ao satélite, através de antenas e sistemas convencionais GNSS, há ainda um complicador adicional.
Em áreas de maior densidade populacional (e digital), o dispositivo de acesso ao servidor GNSS fica frequentemente submetido a interferências e até ao bloqueio, por força de outros aparelhos wireless.

De fato, por ser um elemento de rádio tecnologicamente passivo, o receptor cliente de sinal do servidor GNSS pode ser facilmente congestionado, por exemplo, pela interferência de um simples  bloqueador (passível de  ser comprado por 5 dólares pelo eBay), seja de forma proposital ou por simples proximidade. Este problema  é especialmente crítico  em áreas densas, onde a grande proliferação de estações coincide com enormes frotas de  veículos em movimento. Isto porque diversos tipos de dispositivos com conexão por frequência de rádio estão se tornando populares nas metrópoles e são usados nos carros para diferentes finalidades, inclusive para escamotear os registradores públicos de velocidade ou de gravação de logs.

Sincronização por Grandmaster

Com a transição do 3G para o 4G, a norma IEEE 1588-2008 criou o PTPv2 (ou Protoloco de  Precisão de Tempo Versão 2), destinado a especificar a sincronização precisa das redes de pacotes. Tal protocolo se tornou uma abordagem universalmente aceita para a sincronização da rede de celular em todas as operadoras do mundo.

A distribuição de tempo no IEEE 1588 requer um relógio mestre (ou Grandmaster) primário absolutamente estável, que conte as unidades de tempo com base em um determinado fuso horário padrão (em geral usando o horário UTC – Universal Time Coordinates). Além disso, a norma exige um mecanismo capaz de medir o atraso entre o contador primário e o dispositivo cliente, que solicita a informação sobre tempo (e que pode ser este, por exemplo, um dispositivo “escravo”, dentro da estação radiobase).

Antes do novo padrão, a alternativa de distribuição de sincronismo em uma rede de acesso 3G era baseada na sintonia em uma frequência específica, usando-se um servidor Grandmaster central que fornecia sincronismo de tempo para centenas – ou até mesmo milhares – de estações radiobase em um backhaul não estruturado.

Para as redes 4G, porém, a rígida sincronização de frequência e de fase exige suporte a Protocolo de Precisão de Tempo em cada um dos elementos de rede entre as estações radiobase, algo que demandaria uma modificação muito dispendiosa dos elementos de rede existentes.

Em muitos casos, como quando o provedor de serviço móvel terceiriza seu backhaul de transporte ou arrenda segmentos dessa rede de coordenação de acesso da parte de provedores de transporte terceirizados, essa abordagem simplesmente não é viável.

A questão vem ganhando várias abordagens com vantagens e desvantagens a serem avaliadas. Uma delas é a de trocar o servidor Grandmaster centralizado por dispositivos de sincronização de baixo custo estrategicamente localizados ao longo da rede e – cada um – servindo a uma pequena quantidade de sincronizadores escravos. 

Tal solução, realmente, resulta em cadeias de distribuição de tempo mais curtas e reduz drasticamente o número de elementos de rede intermediários que, em geral, precisam ser otimizados com dispositivos de Protocolo de Precisão de Tempo (PTP) ao longo de todo o caminho. Ocorre que tal modelo continua exigindo dispositivos servidores de sincronização Grandmaster, o que, como vimos, aumenta drasticamente o custo da solução de modo geral.

A Miniaturização do  Grandmaster

A boa notícia para as operadoras é que a indústria de sistemas de acesso desenvolveu um novo conceito de dispositivo PTP Grandmaster miniaturizado com um receptor satélite GNSS embutido e empacotado em um equipamento. Tal solução “low-cost” é compatível com os slots SFP (algo semelhante a um pendrive) existentes nos equipamentos de tráfego. Um representante já comercial desta categoria está sendo empregado em várias operadoras globais. Quando conectado a uma porta SFP em qualquer dispositivo de rede convencional (seja própria ou terceirizada), esse novo tipo de sincronizador instantaneamente o transforma em um equipamento compatível com o padrão Grandmaster com todas as características  de um sincronizador de alta precisão e sem necessidade de acesso a um servidor externo. Para completar, este tipo de solução abarca várias opções de redundância que garantem a operação da célula  mesmo no caso de falha do receptor de satélite.

Os sincronizadores Grandmaster em miniatura integram-se tranquilamente com o dispositivo de rede legado, não necessitando de espaço no ponto de presença (POP) para uma caixa adicional destinada ao equipamento Grandmaster. O consumo de energia, por sua vez,  permanece o mesmo, evitando a expansão do custo operacional. Esta nova classe de sincronizadores, portanto, representa  a primeira solução de Grandmaster distribuído capaz de atender a uma vasta  extensão de rede móvel, mas mantendo-se, ao mesmo tempo, numa perspectiva viável de  Capex (custo de capital).

Trata-se de uma opção ideal para os provedores de serviço 4G/5G que procuram por uma maneira rápida e com  relação custo-benefício adequada de proporcionar sincronização precisa ao backhaul de pequenas estações rádio-base. É este tipo de solução, associado a movimentos como o de virtualização de funções, que irá ajudar as operadoras a vencer os novos desafios de demanda intensiva de tráfego e a migração para LTE sem que tal evolução implique em descontrole na expansão de recursos de suas redes.

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