Avantages des signaux GNSS modernisés pour les applications de synchronisation dans les réseaux de communication

Par Paula Syrjarinne, PhD, Manager Timing Product Development, u-blox et Samuli Pietila, Director Product Line Management, u-blox.

Impact d'un brouillage de 24h sur la bande L1 (magenta) et la bande L5 (verte). Source: u-blox

Pouvoir diffuser des vidéos et d'autres contenus de haute qualité vers et depuis nos appareils mobiles, partout dans le monde, est quelque chose que la plupart d'entre nous considérons comme acquis. Mais pour les responsables de la conception, de la construction et de la maintenance des réseaux qui sous-tendent cette capacité, les attentes toujours croissantes des consommateurs constituent un défi.

Fournir des débits de données élevés à un très grand nombre d’utilisateurs signifie que les réseaux cellulaires et de communication actuels et futurs fonctionnent très différemment de ceux d’antan. La nécessité de synchroniser les horloges sur toutes les stations de base, serveurs et autres nœuds du réseau revêt une importance particulière pour les réseaux de données modernes à haut débit. Plus l’erreur de synchronisation est faible, plus le réseau peut être configuré pour traiter des données, ce qui signifie que les opérateurs peuvent utiliser plus efficacement les fréquences et autres ressources qu'ils ont payées.

De nombreux appareils utilisent les systèmes mondiaux de navigation par satellite (Global Navigation Satellite Systems, GNSS) pour synchroniser les différentes parties du réseau. Le GNSS est généralement préféré aux techniques de synchronisation basées sur les réseaux grâce à sa précision, sa rentabilité, sa facilité d'installation et sa disponibilité à l'échelle mondiale. Traditionnellement, la synchronisation des réseaux via le GNSS utilisait des récepteurs à bande unique, grâce aux signaux en bande L1 diffusés par les satellites.

Les défis de la technologie GNSS en bande L1
Alors que la spécification 3GPP fixe à 1,5 µs l'exigence de base en matière de synchronisation au niveau de l'antenne de la station de base, les services 5G avancés nécessitent une précision temporelle nettement supérieure. Y parvenir n’est pas toujours simple, en particulier dans les réseaux complexes de la vie réelle. Outre les problèmes liés au réseau, divers facteurs peuvent avoir une incidence sur les signaux GNSS en bande L1 reçus par vos appareils. Cela affecte à son tour la fiabilité et la précision des données temporelles auxquelles votre réseau a accès. Examinons brièvement trois des principaux problèmes.

Brouillage (jamming) des signaux GNSS
Le brouillage est une menace constante pour tout appareil utilisant le GNSS et peut entraîner une perte totale du fonctionnement du GNSS pour les récepteurs à bande unique. Du point de vue de la synchronisation, les appareils disposent généralement d'une sorte d'horloge atomique pour assurer la continuité pendant la panne du GNSS. Mais cela ne permet d'obtenir les niveaux de précision nécessaires que pour une période de quelques heures, en général.

Retard ionosphérique
Pour que les récepteurs GNSS fonctionnant à ciel ouvert, la principale source d’erreur est le retard ionosphérique, qui entraîne une variation constante de la précision de la synchronisation. Les facteurs influençant le niveau de retard ionosphérique comprennent la latitude du dispositif de réception, l'heure du jour, la période de l'année et les niveaux d'activité solaire. Cette dernière suit des cycles de 11 ans et, après une période d’activité solaire relativement faible, nous nous trouvons actuellement dans la phase de préparation d'un pic aux alentours de 2025.

Le retard ionosphérique est généralement traité à l’aide de modèles tels que le GPS Klobuchar ou de services d’augmentation tels que les systèmes d’augmentation par satellite (Satellite-Based Augmentation Systems, SBAS). Aucune de ces deux approches ne convient à toutes les situations. Les modèles ont pour limite inhérente le fait qu'ils ne sont que des prédictions. Le SBAS, quant à lui, n'est disponible que dans certaines parties du monde et nécessite une vue dégagée du ciel vers l'équateur pour recevoir la transmission du satellite géostationnaire SBAS.



Erreur de synchronisation avec le modèle de Klobuchar par rapport à l'algorithme à double fréquence. Source: u-blox

Trajets multiples
Pour les appareils fonctionnant en environnements urbains ou dans d'autres environnements obstrués, il existe un autre problème à résoudre en matière de réception des signaux GNSS: les trajets multiples. Les signaux GNSS L1 à bande étroite y sont particulièrement sujets, ce qui entraîne des erreurs dans les données de synchronisation auxquelles les appareils ont accès.

Les trajets multiples deviennent un problème croissant pour ceux qui conçoivent et construisent des réseaux 5G, car ceux-ci nécessitent davantage de stations de base dans des environnements obstrués, associés à des niveaux accrus de précision de synchronisation pour prendre en charge un débit plus élevé. De plus, même si le problème des trajets multiples pouvait être résolu, les vues limitées du ciel dont disposent souvent les appareils dans ces environnements font que le SBAS est rarement une solution réalisable pour compenser le retard ionosphérique.

Améliorer la précision de la synchronisation avec le GNSS à double bande
Face à ces défis, il y a cependant de bonnes nouvelles pour ceux qui conçoivent des équipements destinés à être utilisés dans les réseaux cellulaires et autres réseaux de communication, quel que soit l’endroit où ils seront utilisés. Alors que les signaux GNSS en bande L1 ont été conçus il y a plusieurs décennies, principalement pour un usage militaire, des signaux GNSS modernisés sont désormais diffusés en parallèle. Fonctionnant sur la bande L5 à 1 176,45 MHz, ces signaux modernisés ont été conçus pour les applications civiles d’aujourd’hui.

Pour les applications de synchronisation, la valeur des signaux de la bande L5 prennent toute leur valeur lorsque vous les utilisez conjointement avec la bande L1, dans une configuration à double bande. Pour illustrer cette différence, prenons l'exemple des récepteurs GNSS double bande de u-blox, qui sont spécifiés pour fournir une précision de synchronisation à 5 ns près, contre 20 ns dans un récepteur à bande unique.

Les constellations GNSS tels que GPS, Galileo et BeiDou diffusent désormais des signaux L5 pour une partie ou tous leurs satellites. Ainsi, à condition de sélectionner un récepteur GNSS capable d’utiliser les trois constellations, vous pourrez bénéficier des signaux L5 partout dans le monde. La seule chose que vous devez changer dans vos conceptions est de remplacer les récepteurs et antennes GNSS à bande unique par des variantes à double-bande.

De plus, le système de navigation régional indien, NavIC, est lui-aussi disponible sur la bande L5. Cela permet à une seule conception double bande mondiale L1+L5 de prendre également en charge les exigences régionales.

Relever les grands défis de la synchronisation
L'utilisation d'un récepteur et d'une antenne GNSS L1-L5 à double bande vous aidera, en tant qu'ingénieur concepteur, à relever les défis de synchronisation que nous avons décrits ci-dessus.

Une plus grande résilience aux attaques de brouillage
Comme la bande L1, la bande L5 est une bande de services de radionavigation aéronautique (Aeronautical Radio Navigation Services, ARNS), ce qui signifie qu’elle est bien protégée et contrôlée contre les interférences. De plus, le fonctionnement à double bande protège contre toute personne utilisant un brouilleur à bande unique, puisque l'appareil sera toujours en mesure d'obtenir des informations de synchronisation sur la bande restante non brouillée.

Bien qu'il y ait une certaine augmentation de l'erreur temporelle lors du brouillage, celle-ci restera dans des tolérances acceptables pour la plupart des cas d'utilisation, comme le montre la figure 1. Le graphique met également en évidence la rapidité avec laquelle le fonctionnement double bande, avec sa variance temporelle beaucoup plus faible, reprend une fois le brouillage terminé.

Traiter les retards ionosphériques sans modèles ni données de correction
Le retard ionosphérique affecte de différentes manières les fréquences des bandes L1 et L5. Il est primordial que la relation soit connue, de sorte que lorsque vous recevez sur les deux bandes, vous puissiez calculer le retard ionosphérique réel, plutôt que d’avoir à vous fier à des modèles pour le prédire ou d’utiliser un service de correction. Cela signifie que votre erreur de synchronisation reste dans une plage beaucoup plus petite, comme l'illustre la figure 2.

De meilleures performances dans les environnements urbains et obstrués
Les signaux L5 à large bande sont beaucoup moins vulnérables aux trajets multiples que les signaux L1 à bande étroite. Cela réduit directement l'erreur dans vos données de synchronisation. De plus, la conception plus moderne du signal L5 inclut une correction d'erreur directe (CED), ce qui permet d'offrir une protection supplémentaire contre les erreurs de bits qui peuvent se produire lorsque les signaux sont faibles, comme c'est souvent le cas dans les environnements urbains et obstrués. La figure 3 montre l'erreur résiduelle réelle beaucoup plus petite pour les signaux L1 et L5 dans une zone affectée par les trajets multiples.



Résidus pseudorange en fonction de l'angle d'élévation du satellite. Source: u-blox

Il est temps d’augmenter le retour sur investissement de vos investissements réseau
La demande toujours croissante de réseaux de données à haut débit se traduit par une attention accrue à la nécessité de maintenir la synchronisation de manière fiable et garder les données temporelles étroitement synchronisées sur tous les nœuds du réseau. Bien que les signaux GNSS L1 traditionnels soient généralement considérés comme un moyen précis et rentable d’y parvenir, ils sont sensibles au brouillage et aux trajets multiples, et sont également affectés par les retards ionosphériques. Tous ces éléments ont un impact sur le niveau de précision de la synchronisation dans le réseau.

L'utilisation de signaux GNSS L5 modernes en conjonction avec des signaux L1 résout ces problèmes, ce qui permet d'obtenir des données de synchronisation beaucoup plus cohérentes pour vos réseaux. Cela signifie que vous pouvez configurer votre réseau pour traiter davantage de données, ce qui se traduit par une meilleure expérience client et un meilleur retour sur investissement dans votre réseau.

u-blox propose une gamme de modules de synchronisation GNSS double bande de haute précision, notamment les LEA-F9T, ZED-F9T et NEO-F10T, qui répondent tous aux exigences de synchronisation temporelle de la 5G.

www.u-blox.com

  Demander plus d’information…