Основными причинами разработки технологий мобильной связи 5G являются стремление увеличить пропускную способность сотовых сетей в условиях лавинообразного роста объемов трафика данных и необходимость обеспечения широкого набора отраслей, включая промышленное производство, автомобильный транспорт и сельское хозяйство, новыми передовыми возможностями мобильной связи, среди которых — сверхнизкая задержка передачи пакетов и великолепная масштабируемость сети. От этих возможностей в значительной мере зависит осуществление четвертой промышленной революции (Индустрии 4.0).
В рекомендации ITU-R M.2083-0 IMT Vision представлены три основные категории прогнозируемых вариантов использования сетей 5G:
Усовершенствованная подвижная широкополосная связь (eMBB). Данная категория охватывает варианты использования, ориентированные на человека и обеспечивающие доступ к мультимедийным услугам и контенту. Для этих вариантов, включая загрузку мультимедийных потоков, веб-доступ, видеоконференцсвязь и виртуальную реальность, будет обеспечена повышенная скорость передачи данных. Наивысшая скорость передачи будут достигаться в малых сотах при небольшой скорости движения пользователей.
Сверхнадежная передача данных с малой задержкой (URLLC). В данную категорию входят новые варианты использования, которые предъявляют жесткие требования к таким показателям сетей, как пропускная способность, задержка передачи пакетов и коэффициент готовности. Примерами таких вариантов являются беспроводное управление производственными процессами, дистанционная хирургия, автономное вождение и т. д.
Массовая межмашинная связь (mMTC). Относящиеся к данной категории варианты использования характеризуются огромным числом подключенных устройств, как правило, передающих относительно небольшие объемы данных, не столь чувствительных к задержке. Необходимо обеспечить малую стоимость этих устройств и продолжительное время их работы от батареи.
Распределение новых перспективных областей применения мобильной связи 5G по вышеуказанным категориям показано на рисунке ниже.
Сети 5G значительно изменят нашу экономику и саму жизнь. Так, благодаря им, расширятся возможности телемедицины (в частности, появится дистанционная хирургия), ускорится развитие Интернета вещей (IoT), приложений виртуальной и дополненной реальности, автономных транспортных средств, решений по автоматизации процессов в различных отраслях. В перспективе — миллиарды подключенных вещей и людей, использующих передовые возможности сотовой связи 5G.
В документе Report ITU-R M.2410-0 определены высокие требуемые технические характеристики радиоинтерфейсов сетей 5G: максимальная скорость передачи данных — 20 Гбит/с; задержка передачи пакетов — 1...10 мс; плотность соединений — миллион пользовательских устройств (User Equipment, UE) на 1 км2; поддерживаемая мобильность UE — до 500 км/ч. Сети 5G должны обладать повышенной надежностью и эффективными механизмами обеспечения информационной безопасности. Чтобы достичь столь высоких характеристик, предусмотрено использование широких (до 1 ГГц) полос частот в миллиметровом диапазоне длин волн (сети 5G будут работать в миллиметровом и сантиметровом (ниже 6 ГГц) диапазонах), архитектуры Multi-access Edge Computing (MEC), многочисленных малых сот, технологий massive MIMO и формирования лучей. Для инфраструктур сетей 5G будут характерны такие передовые решения, как разделение плоскостей управления и пользователя, основанная на сервисах архитектура, виртуализация сетевых функций (NFV), программно определяемые сети (SDN) и Network Slicing, делающие сети более гибкими и масштабируемыми. Инфраструктура сети 5G может быть реализована на основе группы ЦОДов, обеспечивающих адаптивность сервисов, централизованное управление и обновление программного обеспечения. Перенос плоскости управления сети 5G в облако снижает затраты на развертывание сети.
Консорциум 3GPP разрабатывает стандарт на новый радиоинтерфейс 5G NR (New Radio). Процесс стандартизации должен быть завершен к 2020 году. Помимо 5G NR, существуют фирменные технологии 5G TF и 5G-SIG. В будущем в глобальном масштабе победит стандарт 5G NR.
По состоянию дел на декабрь 2018 года коммерческие сети 5G запущены в эксплуатацию в Катаре, Саудовской Аравии, США, Южной Корее. В ряде стран, включая Россию, тестируются демосети 5G. По данным компании Juniper Research, в мире в области развития сетей 5G лидируют операторы Южной Кореи и Японии — в 2019 году на долю этих двух стран придется 43% от общего числа соединений в сетях 5G во всем мире. В России массовое строительство сетей 5G должно начаться в конце 2021 года. Существующие сети мобильной связи будут длительное время продолжать свою работу одновременно с сетями нового поколения. Сети 5G не смогут быстро вытеснить сети 3G и 4G/LTE.
Для успешной реализации новых сетевых решений необходимо полностью испытывать их отдельные компоненты и проводить сквозное (end-to-end) тестирование решений в целом на всех уровнях модели OSI. Надлежит измерять нормированные в технических требованиях основные характеристики сетей 5G, включая скорость передачи, задержку, плотность соединений, надежность (коэффициент ошибок). Тестирование позволяет определить, реализованы ли сетевые устройства и сети согласно спецификациям и обеспечивает ли сеть требуемые уровни качества обслуживания. Внедрение сетей 5G окажет сильное влияние не только на рынок услуг мобильной связи, но и на рынок тестовых решений, поскольку нужно разработать и выпустить новые средства тестирования, соответствующие требуемым техническим характеристикам решений для сетей 5G. Многие участники рынка тестовых решений для телекоммуникаций активно занимаются вопросами тестирования сетей 5G.
Тестирование сетей 5G представляет собой непростую задачу, поскольку в этих сетях объединено множество разных сетевых технологий и решений, среди которых есть ряд новых (для рынка сотовых систем) решений, включая связь в миллиметровом диапазоне длин волн с формированием узких лучей, massive MIMO, виртуализированную инфраструктуру. Эти решения придется испытывать как по отдельности, так и во множестве различных комбинаций для гарантии их совместимости.
В миллиметровом диапазоне длин волн потери передачи в свободном пространстве значительно больше, чем в сантиметровом диапазоне. Так, на частоте 28 ГГц (полосы частот около 28 ГГц используются для развития сетей 5G) эти потери почти в 125 раз больше затухания сигналов сетей 3G и 4G на частоте 2,5 ГГц. Для компенсации повышенных потерь оборудование сетей 5G, работающее в миллиметровом диапазоне длин волн, предполагается оснащать многоэлементными антенными решетками с высоким коэффициентом усиления, формирующими узкие лучи. Тестирование этого оборудования предполагает измерение определенного набора параметров при передаче радиосигналов по эфиру. Тестирование выполняется в безэховой камере.
Согласно спецификации 3GPP TS 38.141, при аттестационных испытаниях базовых станций 5G NR (называемых gNB) надо проверять следующие характеристики их передатчиков: ЭИИМ, выходную мощность и ее динамику, качество передаваемого сигнала, параметры нежелательных излучений, уровень интермодуляции и др. Для тестирования передатчика в составе gNB потребуется анализатор сигналов, оснащенный программным обеспечением для измерения РЧ-характеристик сигналов 5G NR, поддерживающий рабочие частоты сетей 5G NR и функционирующий в полосе частот шириной до 1 ГГц. В соответствии с этой же спецификаций, надлежит измерять чувствительность, динамический диапазон, избирательность по соседнему каналу и другие параметры приемников в составе gNB. Спецификация 3GPP TS 38.141 определяет измеряемые параметры, тестовые процедуры и модели. Предельно допустимые значения этих параметров указаны в спецификации 3GPP TS 38.104.
Также в безэховой камере выполняют следующие тесты:
измеряют двумерную и трехмерную диаграммы направленности антенной системы, по которым определяют ширину луча, уровень боковых лепестков и глубину нулей;
определяют уровень кросс-поляризационной развязки в антенной системе;
проверяют управление лучом или нулем диаграммы направленности.
При работе сетей 5G на частотах до 6 ГГц предпочтительнее использовать технологию massive MIMO, которая повышает скорость передачи данных за счет одновременной трансляции множества разных потоков данных с использованием множества антенн. Антенная система massive MIMO для базовой станции имеет 64 или больше приемных и передающих антенных элементов с двойной поляризацией. Эти антенные системы нуждаются в тщательном проектировании и тестировании для обеспечения амплитудной и фазовой когеренции в многочисленных каналах, уменьшения искажений AM-PM в усилителе и сохранения целостности сигнала. Для тестирования massive MIMO нужен многоканальный измерительный комплекс с имитатором фединга и измерителем искажений AM-PM.
По сравнению с оборудованием сотовой связи предыдущих поколений, оборудование для сетей 5G обладает расширенной функциональностью на физическом уровне, включая возможность осуществлять радиопередачу в узких лучах в определенных направлениях. Новые функции физического уровня в радиоустройствах управляются новыми канальными и сетевыми протоколами радионтерфейса. Чтобы гарантировать правильность работы радиооборудования на физическом уровне, ее надо тестировать. В тестирование управления радиоресурсами (Radio Resource Management, RRM) входит контроль реакции протоколов на команды и проверка, изменяется ли работа радиоустройства при получении команд. Тестирование протоколов сигнализации предполагает эмуляцию канала и сети с выполнением полного набора РЧ- и RRM-измерений.
Для полного тестирования gNB одних измерений радиотехнических характеристик недостаточно — необходимо также функциональное и нагрузочное тестирование, осуществляемое с помощью имитатора UE, который реализует весь протокольный стек радиоинтерфейса и поддерживает потоки тестовых данных, соответствующие широкому диапазону сетевых услуг. Чтобы полностью загрузить и даже перегрузить gNB, этот имитатор должен обеспечивать высокоскоростную передачу данных по достаточно большому числу соединений с UE. Также для тестирования одного gNB или фрагмента сети радиодоступа (RAN) с множеством gNB нужен эмулятор ядра сети 5G, к которому должны быть подключены тестируемые gNB. На рисунке ниже показано подключение эмулятора ядра сети 5G к тестируемым gNB и серверу приложений.
Представленный на рисунке эмулятор ядра сети 5G реализует функции AMF (Access & Mobility Function), UPF (User Plane Function), SMF (Session Management Function), AUSF (Authentication Server Function), UDM (User Data Management), PCF (Policy Control Function). Данный эмулятор имеет следующие внешние интерфейсы: N1/N2 (интерфейс плоскости управления между UE+gNB и AMF), N3 (интерфейс плоскости пользователя между UE+gNB и UPF) и N6 (интерфейс передачи пакетных данных между UPF и сервером приложений); имитирует IMS и поддерживает голосовые вызовы через IMS.
Виртуализация сетевых функций усложняет тестирование сетей 5G, поскольку в результате виртуализации отсутствуют специализированные аппаратные устройства, средства и методы тестирования которых хорошо освоены специалистами по сетям связи. Кроме того, виртуальные функции могут перемещаться и перераспределяться по узлам сети. Виртуализация сети и ее функций требует использования виртуализированных средств тестирования. Такие средства доступны для заказа.
Виртуальные функции ядра сети 5G NR, например функция UPF, должны быть тщательно протестированы перед вводом в эксплуатацию. Тестирование предполагает изоляцию виртуальной функции от остальной сети путем подключения этой функции к соседним сымитированным сетевым функциям и подачу на изолированную функцию тестового сетевого трафика. Рекомендуется проводить нагрузочное тестирование ядра сети в целом и его отдельных изолированных компонентов реалистично сымитированным пользовательским трафиком различных типов (VoIP, данные, потоковое видео).
Рост пропускной способности радиоинтерфейса означает повышение требований к техническим характеристикам транспортных подсистем fronthaul и backhaul в инфраструктуре сети мобильной связи. В перспективе в сетях 5G для организации подсистем fronthaul будет широко использоваться технология 25 GbE, а в подсистемах backhaul получат применение технологии 100 GbE и 400 GbE. Подсистема fronthaul связывает радиомодули на сотовых вышках с блоками baseband в региональных узлах связи, а подсистема backhaul соединяет эти узлы с ЦОДами и Интернетом. В подсистемах fronthaul сетей 5G вместо ныне распространенного протокола CPRI будут использоваться более эффективные протоколы eCPRI и RoE (Radio over Ethernet), работающие поверх сети Ethernet.
Перед запуском в эксплуатацию и в процессе технического обслуживания оптических транспортных подсистем сетей 5G их нужно тестировать. Для тестирования ВОЛС в составе этих подсистем используйте оптические тестеры, рефлектометры (OTDR), анализаторы спектра (OSA) и анализаторы дисперсии, а для проверки работы подсистем в целом (на физическом и более высоких уровнях) — анализаторы сетей, поддерживающие Ethernet и eCPRI/RoE. Также потребуется тестер синхронизации для проверки точности синхронизации оборудования сети 5G с использованием протокола PTP и технологии SyncE.
Некоторые новые приложения для сетей 5G, включая приложения виртуальной и дополненной реальности, очень чувствительны к временной задержке. Задержка представляет собой сумму времени передачи пакета от клиента на сервер и обратно (roundtrip time), зависящего от расстояния между клиентом и сервером, и времени выполнения запроса сервером. Чувствительные к задержкам приложения не могут работать с центральными серверами из-за большого времени передачи пакетов. В сети 5G NR предусмотрены осведомленные о приложениях (application-aware) функции управления трафиком, обеспечивающие передачу чувствительного к задержкам трафика на расположенные рядом с границей сети серверы MEC, а менее чувствительного к задержкам трафика на центральные серверы. Для проверки работы этих функций нужно проводить функциональное и нагрузочное тестирование сети радиодоступа и ядра сети 5G с использованием реалистичного тестового трафика, имитирующего действия множества пользователей таких популярных приложений, как YouTube, Facebook, Instagram и др.
