Modeling and simulation of IEEE 1588 network synchronization for 5G mid-haul transport

New generation mobile 5G networks (NR) development is now focused more than ever on guaranteeing reliable low-latency services, capable of managing a large number of connected devices. Various techniques adopted for achieving these goals, including Co- ordinated Multipoint (CoMP), Time Division Duplexing (TDD) and the adoption of an efficient Multiple Acces scheme (OFDMA and NOMA being the most considered candidates) need the 5G network elements to be synchronized among themselves within time accuracy requirements, in order to function properly. In order to satisfy these requirements, manufacturers need an efficient way to assess their products’ time synchronization performance, for both small and large-scale networks, for every operating condition. Having a dedicated simulator for this scope cuts down operating costs for what concerns testing the products. This thesis work deals with the simulation of the clocks’ behavior defined by ITU-T for frequency and time synchronization. Most of the parameters of these clock models are variable in order to simulate different clock performance and behavior. Every clock model is generated by creating an editable Simulink schematic. The models can be loaded on another schematic and wired together for simulating different topologies. Impairments on the links are also simulated in order to model the clocks’ behavior while in holdover mode. A series of measurements is conducted on a commercially available equipment, in order to compare the simulated results with the real one. The models ease of configurability is demonstrated by replicating the lab tested clocks’ behavior in the simulation. Measurement and simulation results match well, thus demonstrating the conducted studies’ validity.

Lo sviluppo delle reti 5G di nuova generazione (NR) è concentrato soprattutto nel garantire servizi affidabili, a bassa latenza e in grado di gestire un ampio numero di dispositivi connessi. Le varie tecniche messe in pratica per ottenere questi obiettivi, come ad esempio il Coordinated Multipoint (CoMP), il Time Division Duplexing (TDD) e le tecnologie di Accesso Multiplo (OFDMA e NOMA sono al momento le migliori candidate) richiedono che gli elementi della rete 5G siano sincronizzati tra loro entro i requisiti di accuratezza temporale messi a disposizione, per funzionare correttamente. Per soddisfare questi requisiti, ai produttori serve una modalità efficiente di verificare le prestazioni dei loro dispositivi, nell’ambito della sincronizzazione di fase e frequenza. Gli scenari da verificare possono includere reti di varie dimensioni e diverse condizioni operative, come il comportamento a regime e in stato di holdover. Sviluppando un ambiente di simulazione dedicato è possibile ridurre i costi operativi per quanto riguarda la fase di test degli apparati. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di sviluppare un sistema efficiente per simulare il comportamento dei clock, definiti dalle specifiche ITU-T, per soddisfare i requisiti di sincronizzazione nel dominio del tempo e della frequenza. La maggior parte dei parametri di questi modelli può essere modificata in modo da simulare diversi comportamenti adottati dai clock o le loro prestazioni. Ogni modello di clock viene generato con la creazione di una schematic, modificabile su Simulink. Questi modelli possono essere richiamati su un altro progetto Simulink e ivi connessi tra loro, in modo da ricreare topologie con caratteristiche diverse. Sono stati simulati anche diversi tipi di malfunzionamento sui collegamenti,in modo da ricreare il comportamento dei clock in stato di holdover. Una serie di misure è stata condotta su degli apparati usati in ambito industriale, in modo da comparare le prestazioni dei modelli simulati agli apparati reali. I parametri dei modelli si sono dimostrati essere molto flessibili: nel caso specifico è stato possibile replicare nella simulazione il comportamento del dispositivo misurato in laboratorio. I risultati delle misure e delle simulazioni sono comparabili, dimostrando la validità degli studi condotti.