Khái niệm GNSS
Hệ thống Vệ tinh Dẫn đường Toàn cầu GNSS là hệ thống vệ tinh không gian phát thông tin vị trí và thời gian đến thiết bị thu GNSS. Thiết bị thu sẽ dùng dữ liệu thu được này để xác định vị trí. Toạ độ (X,Y,Z) được xác định nhờ việc thu tín hiệu từ 4 vệ tinh. Bộ thu tính toán khoảng cách từ bộ thu đến 4 vệ tinh để xác định toạ độ. Thuật toán xác định như sau:
Tốc độ truyền sóng = 299,792,458 m / giây.
Thời gian truyền sóng từ vệ tinh đến thiết bị thu.
Khi thiết bị thu nhận được tín hiệu thông tin "thời gian bắt đầu truyền" và "thời gian nhận" tín hiệu sẽ cho biết thời gian truyền sóng từ vệ tinh đến bộ thu.
GNSS có phạm vi bao phủ toàn trái đất. Bao gồm hệ thống GNSS của Châu Âu Galileo, Hoa Kỳ với Hệ thống Định vị Toàn cầu (NAVSTAR Global Positioning System - GPS), Nga với GLONASS, Nhật Bản với QZSS, Trung Quốc với BeiDou và Ấn Độ với IRNSS. Trong đó GPS và GNSS được sử dụng là chủ yếu.
Hoạt động của GNSS được đánh giá theo 4 yếu tố:
1. Độ chính xác: kết quả đo được trên máy với vị trí, vận tốc và thời gian thực tế.
2. Tính bảo mật: cung cấp thông tin bảo mật và khi có sự bất thường về vị trí sẽ phát cảnh báo.
3. Tính liên tục: hệ thống hoạt động không bị gián đoạn.
4. Tính sẵn sàng: phần trăm thời gian cho tín hiệu ổn định, chính xác và liên tục.
Độ chính xác thiết bị được cải thiện với hệ thống tăng cường dẫn đường vệ tinh SBAS (Satellite Based Augmentation System) như European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS). EGNOS cải thiện độ chính xác và liên tục của thông tin GPS qua việc chèn mã sửa lỗi và cung cấp thông tin về tính toàn vẹn tín hiệu.
Hệ thống Tăng cường Dẫn đường Vệ tinh SBAS
Độ chính xác của hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS được cải thiện nhờ hệ thống tăng cường dẫn đường vệ tinh SBAS như EGNOS. SBAS tăng cường độ chính xác và ổn định của thông tin GNSS bằng chèn mã sửa sai và cung cấp thông tin về độ chính xác, tính toàn vẹn, tính liên tục và tính khả dụng của tín hiệu.
SBAS dùng thông tin GNSS đo được tại các trạm tham chiếu trên lục địa để tính sai số. Sai số này đươc truyền đến máy tính trung tâm để tính bù sai số và thông báo toàn vẹn ( integrity messages). Thông tin tính toán này sẽ được phát lên khu vực dùng vệ tinh địa tĩnh phát tăng cường, hoặc chèn lên tín hiệu vệ tinh GNSS gốc.
Các hệ thống SBAS đang sử dụng
Rất nhiều quốc gia đang sử dụng các hệ thống SBAS riêng dùng cho lãnh thổ của mình như:
Hoa Kỳ: Hệ thống tăng cường diện rộng (Wide Area Augmentation System - WAAS).
Nhật Bản: Michibiki Satellite Augmentation System (MSAS).
Ấn Độ: GPS-aided GEO-Augmented Navigation (GAGAN).
Trung Quốc: BeiDou SBAS (BDSBAS).
Hàn Quốc: Korea Augmentation Satellite System (KASS).
Nga: System for Differential Corrections and Monitoring (SDCM).
Châu Phi và Ấn Độ Dương: A-SBAS.
Úc và New Zealand: Southern Positioning Augmentation Network (SPAN).
Bản đồ phủ sóng SBAS
Tất cả hệ thống này đều tuân thủ tiêu chuẩn chung toàn cầu nên:
Tương thích: không gây cản trở lẫn nhau.
Tương tác: thiết bị thu chuẩn nhận được cùng chất lượng tín hiệu, không phụ thuộc vùng sử dụng.
Sử dụng SBAS
SBAS được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi yêu cầu cao về độ chính xác và tính toàn vẹn tín hiệu. Đặc biệt, SBAS sử dụng trong trường hợp tính mạng con người bị đe doạ hoặc cần có đảm bảo về luật pháp và thương mại và GNSS đang được sử dụng. Ví dụ trong lĩnh vực hàng không thì Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế ICAO đánh giá GPS không an toàn cho các chuyến bay. Tuy nhiên với việc áp dụng SBAS thì các tiêu chuẩn của ICAO đã được đáp ứng.
Ngoài lĩnh vực hàng không SBAS còn mở rộng dùng cho canh tác chính xác, quản lý xe vận hành trên đường và đo đạc bản đồ.
GNSS cho mạng 5G
Yêu cầu nghiêm ngặt về đồng bộ thời gian với mạng 5G
Cơ sở hạ tầng truyền dẫn là yếu tố quyết định với mạng 5G. Các thông số công suất, vùng phủ sóng và độ trễ E2E yêu cầu rất cao với các ứng dụng 5G như massive machine type communications (MMTC), enhanced mobile broadband (eMBB), ultra reliable low latency communications (uRLLC). Sự thay đổi cấu trúc lớn tại trạm 4G (eNodeB) là bộ phận điều khiển phát sóng chuyển sang RRU lắp trên cột ăng ten, các ứng dụng tính toán được giữ lại tại BBU tại trạm gốc. Với mạng 5G, kiến trúc 2 lớp phân chia chức năng xử lý băng tần và sóng radio cho các bộ phận: remote radio unit (RRU), distributed unit (DU), và centralized unit (CU). Các ứng dụng độ trễ thấp được đẩy xuống tầng phân tán, trong khi các ứng dụng tính toán chuyên sâu được cho vào tầng trung tâm.
Với 5G fronthaul, RRU và BUU được kết nối qua giao thức CPRI hoặc eCPRI từ trạm 5G (gNB) với mạng lõi. Với mạng truyền dẫn quang điểm điểm thời gian truyền (propagation time) trung bình khoảng 5 µs / km. Điểm đảm bảo đồng bộ 5G (theo bảng dưới) các khoảng các truyền không được quá 10 km trong fronthaul, trong khi backhaul thì ít yêu cầu nghiêm ngặt về thời gian hơn và có thể tối đa 20 km. Các kết nối trong mạng 5G được liệt kê tại bảng 1, ví dụ mMTC sử dụng mạng kín, được hoạch định trước, trong khi eMBB có thể dùng cùng thiết bị phần cứng cho nhiều dịch vụ truyền dẫn fronthaul. Với các phần cứng này, độ trễ E2E phải đáp ứng theo tiêu chuẩn ITU 5G và NR. Độ trễ cũng được quy định cho lớp dịch vụ (class of service -CoS) khác nhau với DU hoặc RU, tùy theo việc phân bố băng thông cho CoS có độ "ưu tiên cao high priority" hoặc "tùy khả năng - best-effort". Theo kiến trúc mạng 5G fronthaul dùng PHY và eCPRI, CoS có độ ưu tiên cao bao gồm uRLLC có độ trễ khung một chiều tối đa từ 25 us đến 500 us, tỏng khi CoS "thấp" có khả năng trễ đến 100 ms.
| Sử dụng trong 5G | Tốc độ dữ liệu tối đa | Tốc độ dữ liệu trung bình | Độ trễ E2R (lớp dịch vụ) |
| eMMB | 20 Gbps | 100 mbps / 1 người dùng ở khu vực đô thị / ngoại thành; 1-4 Gps hotpot. | 10 ms |
| uRLLC | < tốc độ eMMB | < tốc độ eMMB | 1-2.5 ms |
| mMTC | < tốc độ eMMB | < tốc độ eMMB | 1-50 ms |
Bảng 1 - Tốc độ dữ liệu và độ trễ trong mạng 5G.
Các ứng dụng yêu cầu cấp đồng bộ thời gian
Theo hình dưới, yêu cầu độ trễ ứng dụng một chiều giữa các PHY tại option 7 được chia thành 4 nhóm: 3GPP (option 7-1/7-2/7-3, option 7a/7b/7c), eCPRI (ID,IID,Iu), Small Cell forum (I,II,III,IIIb), và xRAN/O-RAN (Split 7-2x).
Yêu cầu đồng bộ thời gian CU, DU và RU trong mạng 4G.
Yêu cầu nghiêm ngặt nhất về thời gian được ghi trong option 7. Yêu cầu này xuất hiện do thay đổi thiết kế sử dụng xhaul và đồng bộ thời gian từ air interface đến mạng chuyển mạch gói / mạng lõi 5G. Bảng 2 ghi lỗi căn chỉnh thời gian 3GPP time alignment error (TAE) trong di động gồm lỗi thời gian (time errors - TE) tại giao diện mạng người dùng (user network interface - UNI). UNI là điểm kết nối vật lý cho thuê bao hoặc dịch vụ hoặc điểm kết nối RU với mạng truyền dẫn. Sai thời gian |TE|relative (relative time error) là sai thời gian giữa các UNI trong cùng một cluster, ứng dụng sử dụng integrated telecom time slave clock (T-TSC) của RU hoặc dùng xung 1PPS hoặc từ giao diện đồng bộ tương tự từ mạng truyền dẫn UNI. TAE là sai lệch thời gian giữa các cổng antenna, trong khi sai lệch thời gian TE tuyệt đối (absolute time error - |TE|absolute) là sai lệch thời gian giữa xung đồng hồ tham chiếu (PRTC/T-GM) và đồng hồ tại chỗ. Theo bảng 2, yêu cầu sai lệch thời gian giữa các UNI ngày càng khắt khe hơn trong mạng 5G sử dụng MIMO.
Bảng 2 - yêu cầu sai lệch đồng bộ thời gian eCPRI trong mạng 5G.
Đồng bộ thời gian từ Edge đến Core
Từ mạng biên đến mạng lõi trong 5G, thiết bị mạng dùng rất nhiều giao thức đồng bộ khác nhau như giao thức đồng bộ thời gian chính xác (Precision Time Protocol - PTP), Synchronous Ethernet (SyncE) Network Time Protocol (NTP). Các giao thức này đều thiết bị đồng bộ thời gian chủ (master) với độ chính xác cao kèm theo đồng hồ tớ (slave). Đồng hồ tớ (slave) có nhiều dạng có thể là telecom boundary clock (T-BC), telecom transparent clock (T-TC), và telecom time slave clock (T-TSC). Tuy nhiên đồng bộ thời gian chủ luôn phải là thiết bị đồng bộ thời gian dùng GNSS.
Đồng bộ thời gian trong mạng 5G dùng đồng hồ chủ và tớ.