Khi một dây chuyền tự động hoá được kéo dài qua sóng vô tuyến, câu hỏi đầu tiên của kỹ sư không phải là băng thông mà là thời gian: gói tin có tới đúng lúc không, và sai lệch đồng hồ giữa hai đầu là bao nhiêu. Đo kiểm TSN trong mạng truyền tải 5G vì thế là một phép đo định thời chứ không phải phép đo thông lượng, và nó đòi hỏi ta phải cùng lúc thoả mãn giới hạn của ba họ tiêu chuẩn khác nhau: IEEE cho lớp cầu Ethernet, ITU-T cho chuỗi phân phối thời gian, và 3GPP cho vô tuyến. Bài viết này đi qua cách hệ thống 5G được mô hình hoá thành một cầu TSN, các con số ngân sách sai số phải bám, và những cái bẫy thường gặp khi trích dẫn tiêu chuẩn.
Vì sao đo kiểm TSN khác hẳn đo hiệu năng mạng thông thường
Trong mạng dữ liệu truyền thống, chất lượng được mô tả bằng thông lượng, độ trễ trung bình và tỉ lệ mất gói. Với Time-Sensitive Networking, các đại lượng đó vẫn cần nhưng không đủ: điều quyết định là mọi nút trên đường đi có cùng một quan niệm về thời điểm hay không, bởi bộ định hình lưu lượng theo thời gian chỉ mở cổng truyền trong những khoảng đã lên lịch trước. Nếu đồng hồ một cầu lệch vài trăm nanô giây, khung tin rơi ra ngoài khoảng truyền đã định và cơ chế bảo đảm độ trễ sụp đổ — dù thông lượng vẫn đẹp.
Đó là lý do chuỗi phép đo phải bắt đầu từ chất lượng đồng hồ. IEEE 802.1Qbv-2015 — phần “Enhancements for Scheduled Traffic”, đã hợp nhất vào IEEE Std 802.1Q-2018 — quy định các thủ tục rút hàng đợi theo thời gian, cho phép cầu và thiết bị đầu cuối lập lịch truyền khung dựa trên thời gian lấy từ IEEE Std 802.1AS. Vế cuối là mấu chốt: lịch truyền chỉ có nghĩa khi gắn vào một trục thời gian chung do gPTP dựng nên.
Hệ thống 5G hiện ra như một cầu TSN duy nhất
3GPP TS 23.501 mô tả cách tích hợp hệ thống 5G vào mạng TSN ở điều 5.28. Nhìn từ phía mạng TSN, toàn bộ 5GS được mô hình hoá thành một cầu Ethernet lớp 2 — mọi thủ tục riêng của 5GC và mạng truy nhập vô tuyến, bản thân đường truyền vô tuyến, đều bị che đi. Để đạt được sự trong suốt đó, 5GS cung cấp các cổng vào và ra của mạng TSN thông qua hai bộ dịch: DS-TT phía thiết bị và NW-TT phía mạng.
Theo điều 5.28.1, cầu 5GS gồm các cổng phía UPF đóng vai trò PSA, đường hầm mặt phẳng người dùng giữa UE và UPF, và các cổng phía DS-TT. Độ mịn của cầu là mỗi UPF cho từng network instance hoặc từng cặp DNN/S-NSSAI — một hệ thống 5G có thể xuất hiện thành nhiều cầu khác nhau tuỳ cấu hình, nên người đo phải biết mình đang đo cầu nào.
DS-TT và NW-TT là nơi duy nhất chạy gPTP
Một hiểu lầm phổ biến là nghĩ mọi phần tử 5G đều nói giao thức đồng bộ của TSN. Theo điều 5.27.1, chỉ DS-TT và NW-TT ở rìa hệ thống mới thực thi IEEE Std 802.1AS hoặc các profile IEEE 1588 khác; bên trong, UE, gNB, UPF và các bộ dịch đều đồng bộ với đồng hồ chủ nội bộ của 5GS. Hệ quả thực hành: điểm đặt máy đo nằm ở cổng DS-TT và NW-TT, không phải ở giao diện vô tuyến.
Ngân sách sai số đồng bộ thời gian: bốn giới hạn phải cùng thoả
Con số quen thuộc nhất đến từ IEEE 802.1AS. Annex B.3 nêu rằng các yêu cầu của tiêu chuẩn này bảo đảm hai PTP Instance cách nhau từ sáu instance trở xuống — tức từ bảy chặng trở xuống — sẽ đồng bộ với nhau trong phạm vi 1 µs đỉnh–đỉnh ở chế độ xác lập. Hai chi tiết hay bị viết sai: đây là giá trị đỉnh–đỉnh chứ không phải ±1 µs, và giới hạn gắn với số chặng chứ không phải với khoảng cách địa lý.
Chuỗi phân phối thời gian ở lớp truyền tải do ITU-T quy định. G.8275.1 định nghĩa profile PTP cho viễn thông với hỗ trợ định thời đầy đủ từ mạng, trong đó đồng hồ biên viễn thông T-BC là một boundary clock theo IEEE 1588 kèm các đặc tính hiệu năng bổ sung nêu ở G.8273.2. Bảng 7-1 của G.8273.2 cho giới hạn sai số thời gian tuyệt đối cực đại theo lớp: 100 ns cho lớp A, 70 ns cho lớp B và 30 ns cho lớp C. Ở mức mạng, G.8271.1 đặt giới hạn sai số thời gian lọc thông thấp không vượt quá 1100 ns tại điểm tham chiếu C.
Đừng dùng nhầm bộ số 65 / 130 / 260 ns
Đây là cái bẫy trích dẫn phổ biến nhất trong mảng này. Với 5G NR, 3GPP TS 38.104 điều 6.5.3.2 quy định cho trạm gốc loại 1-C và 1-H rằng sai số căn chỉnh thời gian TAE không được vượt quá 65 ns khi phát MIMO tại mỗi tần số sóng mang, không quá 260 ns với gộp sóng mang liền kề trong băng, và không quá 3 µs với gộp sóng mang không liền kề trong băng hoặc gộp khác băng. Bộ ba 65 / 130 / 260 ns thường được nhắc lại trên các tài liệu tổng hợp thực chất là của LTE theo TS 36.104, và cũng xuất hiện cho NR trạm gốc loại 2-O ở dải FR2. Viết nhầm bộ số này vào một báo cáo đo NR là lỗi kỹ thuật, không phải lỗi diễn đạt.
Đo cái gì: TIE, MTIE và TDEV
Các đại lượng dùng để mô tả chất lượng đồng bộ được ITU-T G.810 định nghĩa, và chính 802.1AS cũng viện dẫn tài liệu này. Sai số khoảng thời gian TIE là hiệu giữa số đo một khoảng thời gian do đồng hồ cần đánh giá cung cấp và số đo cùng khoảng đó do đồng hồ chuẩn cung cấp. MTIE là biến thiên trễ đỉnh–đỉnh cực đại của tín hiệu định thời so với tín hiệu lý tưởng trong một thời gian quan sát, xét trên mọi khoảng quan sát cùng độ dài nằm trong chu kỳ đo. TDEV là thước đo biến thiên thời gian kỳ vọng của tín hiệu theo thời gian tích phân, đồng thời cho biết thông tin về thành phần phổ của nhiễu pha.
Ba đại lượng bổ sung cho nhau chứ không thay thế nhau: MTIE bắt các sự kiện nhảy pha và trôi chậm — thứ làm khung tin rơi khỏi khoảng truyền — còn TDEV nhạy với nhiễu ngẫu nhiên và giúp phân biệt nguồn nhiễu theo dải tần. TIE thô là dữ liệu gốc để tính cả hai.
Giao diện 1PPS 50 Ω và cách gắn máy đo
G.8273.2 điều 7.5.2 nêu giao diện đo đồng bộ pha 1PPS 50 Ω theo G.703 và G.8271. Với phép đo T-BC hoặc T-TSC lớp C và lớp D, điểm tham chiếu đo phải đặt tại mức 50 % của tín hiệu 1PPS, trễ cáp phải được xác định chính xác và bù lại, và nên dùng cáp chất lượng cao dài tối đa 3 m. Ba yêu cầu tưởng vụn vặt này quyết định phần lớn độ tin cậy: ở ngân sách vài chục nanô giây, một mét cáp không được bù đã chiếm trọn phần sai số cho phép.
Về mặt máy móc, một máy đếm tần số vạn năng đo được khoảng thời gian giữa xung 1PPS của thiết bị và xung 1PPS chuẩn, cho ta chuỗi số liệu thô để dựng TIE. Cần nói rõ: đây là phép đo ở mức bàn thí nghiệm để khoanh vùng và gỡ rối. Khi cần đánh giá chất lượng đồng hồ theo mặt nạ tiêu chuẩn, Keysight công bố công cụ riêng cho việc đó là Time Sync Analyzer, nền tảng phân tích chất lượng đồng hồ nhắm tới 5G O-RAN và mạng truyền tải, hỗ trợ chọn các đại lượng như TE/TIE, MTIE và TDEV rồi đánh giá đạt/không đạt theo mặt nạ chuẩn hoặc mặt nạ do người dùng định nghĩa.
Chọn thiết bị Keysight cho từng lớp phép đo
Máy đếm tần số Keysight 53220A đo khoảng thời gian giữa hai xung 1PPS.
Không có một máy nào phủ hết chuỗi đo này, nên cách chọn hợp lý là chia theo lớp câu hỏi cần trả lời.
Để quan sát dạng sóng của tín hiệu đồng bộ, xung 1PPS và các sự kiện định thời trên đường truyền, một máy hiện sóng nhiều kênh là công cụ trực quan nhất. Máy hiện sóng Keysight EXR254A thuộc dòng Infiniium EXR có bốn kênh tương tự, tốc độ lấy mẫu thực 16 GSa/s trên tất cả các kênh và bộ chuyển đổi 10 bit, bộ nhớ 100 Mpts mỗi kênh. Cần lưu ý băng thông 2,5 GHz áp cho đầu vào 50 Ω; ở chế độ 1 MΩ băng thông là 500 MHz — chi tiết này quan trọng khi bạn dự định thăm dò tín hiệu bằng đầu dò trở kháng cao.
Để lấy số đo khoảng thời gian giữa hai xung, máy đếm tần số vạn năng là lựa chọn đúng chức năng hơn. Máy đếm tần số Keysight 53220A có dải tần DC đến 350 MHz, độ phân giải 12 chữ số mỗi giây và độ phân giải khoảng thời gian đơn phát 100 ps. Ở đây cũng có một cái bẫy tài liệu: con số 20 ps thường xuất hiện ở đoạn mở đầu của cùng tờ dữ liệu là của model 53230A, không phải của 53220A.
Cuối cùng, khi câu hỏi chuyển sang “mạng truyền tải chịu tải thế nào”, công cụ thuộc lớp khác. Keysight IxChariot dùng các tác tử phần mềm để mô phỏng lưu lượng ứng dụng và trả về các chỉ số hiệu năng gồm thông lượng, mất gói, jitter, độ trễ và độ trễ ứng dụng. Cần phân định rạch ròi: đó là các chỉ số ở mức ứng dụng, hữu ích để đánh giá tuyến truyền tải dưới tải thực, nhưng không thay thế được phép đo chất lượng đồng hồ. Trong một báo cáo đo kiểm TSN nghiêm túc, hai nhóm số liệu này nằm ở hai chương khác nhau.
Nếu tuyến của bạn là fronthaul 5G theo mô hình O-RAN, hãy xác định trước topo đồng bộ vì nó quyết định điểm đặt máy đo: LLS-C1 phân phối định thời từ O-DU tới O-RU qua kết nối trực tiếp, LLS-C2 cho phép chuyển mạch Ethernet trên đường, LLS-C3 đưa O-DU ra khỏi chuỗi đồng bộ và cấp thời gian từ PRTC/T-GM, còn LLS-C4 cấp tham chiếu ngay tại O-RU bằng máy thu GNSS cục bộ.
Kết luận
Một phép đo kiểm TSN đáng tin cậy được dựng từ ba việc: xác định đúng ranh giới cầu 5GS để biết đặt máy đo ở đâu, bám đúng bộ giới hạn của tiêu chuẩn tương ứng thay vì trích dẫn theo trí nhớ, và tách bạch số liệu chất lượng đồng hồ với số liệu hiệu năng ứng dụng. Cả ba phụ thuộc vào một điều kiện nền: thiết bị đo còn trong hạn hiệu chuẩn và tham chiếu thời gian truy xuất được nguồn gốc, bởi ở ngân sách hàng chục nanô giây, sai số của chính máy đo không còn bỏ qua được.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Để được tư vấn cấu hình đo định thời cho tuyến truyền tải 5G, hoặc đặt lịch hiệu chuẩn máy hiện sóng, máy đếm tần số và chuẩn thời gian, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
Đọc thêm về một phép đo định thời khác trên máy hiện sóng: Bù đầu dò máy hiện sóng: tải điện dung và bẫy khi đo mạch trở kháng cao.
