Lo sviluppo degli standard 5G e il loro lancio commerciale sembrano essere in dirittura d’arrivo. Gli operatori di telefonia mobile e i produttori di apparecchiature di rete hanno condotto test sul campo e i primi telefoni intelligenti dovrebbero uscire all'inizio di quest'anno. Secondo lo studio di mercato "The state of 5G", "quasi la metà delle aziende globali sta già implementando reti 5G o prevede di implementarle entro i prossimi 12 mesi".
Introduzione
Siamo al punto di non ritorno? Che cos'è esattamente? La definizione di Merriam-Webster afferma che è un punto di non ritorno quello dopo il quale avviene una trasformazione significativa. La 5G New Radio (NR) ha fatto molta strada con la Release-15 dello standard congelato nel giugno 2018. Potremmo sentire alcuni esperti del settore dire che gli standard sono completi, ma lo sono davvero?
Test richiesti per il 5G
I prodotti e i componenti 5G richiedono di essere testati attraverso l’intero ecosistema, inclusi modem, antenne, sottosistemi e dispositivi completamente assemblati per l'utente finale. Tutti questi dispositivi e le stazioni radio base seguiranno un flusso di lavoro di test analogo: ricerca e sviluppo, convalida del progetto, conformità e test di accettazione del dispositivo.
Con molte regole e regolamenti da seguire per portare sul mercato un prodotto per comunicazioni wireless mobili, i test vengono eseguiti durante il ciclo di vita di un prodotto per garantire che il prodotto finale soddisfi le specifiche del terzo progetto di partnership 3GPP (Third Generation Partnership Project) e offra la qualità del servizio che gli operatori mobili intendono offrire ai propri clienti.
I test di conformità sono test obbligatori che devono essere completati per rilasciare un dispositivo sul mercato. I test di conformità sono un requisito fondamentale e comportano il collegamento di un dispositivo a un sistema di test wireless e l'esecuzione dei test 3GPP richiesti:
- Prestazioni di trasmissione e ricezione a radiofrequenza (RF) - livello minimo di qualità del segnale
- Demodulazione: prestazioni di throughput dei dati
- Gestione delle risorse radio (RRM - Radio resource management): accesso iniziale, handover e mobilità
- Segnalazione - procedure di segnalazione dello strato superiore.
Gli standard 3GPP identificano un livello minimo di prestazioni per i terminali delle apparecchiature utente (UE - User Equipment) e le base station (gNB). Questi requisiti sono definiti nelle specifiche tecniche RAN4 e RAN5 (TS):
- RAN4 definisce i requisiti minimi per stazioni base e dispositivi utente. Specifica anche i casi e i metodi per i test di conformità della base station.
- RAN5 definisce le specifiche della prova di conformità per UE e i metodi di test.
I prodotti 5G NR possono operare in due gamme di frequenza - gamma di frequenza 1 (FR1: da 450 MHz a 6 GHz) o gamma di frequenza 2 (FR2: 24.25 - 52.6 GHz) o entrambe FR1 e FR2. I test in FR1 al di sotto dei 6 GHz sono fermamente stabiliti con metodi di test ben compresi e incertezze associate.
Dato che la FR1 al di sotto dei 6 GHz funziona con le stesse caratteristiche, i test in FR1 saranno simili a quelli dell'LTE con la maggior parte dei test di conformità eseguiti con un cavo collegato al dispositivo, e le caratteristiche dell'antenna, e le prestazioni MIMO (Multiple Input Multiple Output) completate over the air (OTA).
Le frequenze FR2 a onde millimetriche (mmWave) aggiungono una svolta completamente nuova all'OTA poiché tutte le misurazioni in FR2 saranno testate OTA.
È possibile trovare i requisiti minimi e le specifiche del test di conformità e i metodi di prova per tutte le gamme di frequenza nei seguenti documenti 3GPP (tabella 1).
Tabella 1: requisiti minimi e le specifiche del test di conformità
I test di conformità vengono eseguiti da laboratori di test di terze parti per determinare se un prodotto è conforme. Questi test sono costosi, spingendo la maggior parte delle aziende a condurre i propri test di pre-conformità, per assicurarsi che il loro prodotto possa superare con successo questi test presso laboratori indipendenti. Attualmente questi test sono ancora in fase di sviluppo e verranno definiti nel prossimo anno per diversi casi d'uso.
Nuove Funzionalità Significano Nuove Sfide per i Test
5G NR introduce molte nuove funzionalità che aumentano la complessità del test. Funzionamento a frequenza più elevata, larghezze di banda del canale più ampie, struttura flessibile della forma d'onda e il numero crescente di casi di test che devono essere convalidati per tutti i progetti di test di impatto. Per la maggior parte, i progetti di test inferiori a 6 GHz in FR1 sono simili a quelli di LTE. Le sfide principali consistono nel testare progetti che operano tra 3,5 GHz e 6 GHz che utilizzano larghezze di banda più ampie e massive MIMO, e progetti che operano in FR2 perché richiedono metodi di test OTA. OTA introduce molte nuove sfide non ancora sperimentate dai progettisti di dispositivi utente e delle base station e ha grandi implicazioni per l'ambiente di test.
Sfide del collaudo delle apparecchiature utente: 5G NR deve soddisfare molti diversi scenari di utilizzo, dal throughput molto elevato alle dimensioni ridotte del pacchetto, a latenze molto basse con elevata affidabilità. Per supportare una così ampia varietà di casi d'uso, lo strato fisico 5G NR è stato definito con elevata flessibilità, cambiando il modo in cui i segnali sono creati e funzionanti. Inoltre, saranno implementate sette diverse opzioni di architettura di sistema e doppia connettività con 4G LTE. I test devono essere eseguiti per i diversi casi d'uso. Inoltre, include test di segnalazione e RF, compresi test per prestazioni end-to-end completi con problemi reali come perdita eccessiva di percorso (path loss), dissolvenza multi-path e diffusione di ritardo. Il test di queste funzioni richiede una soluzione di test OTA in grado di emulare i protocolli della stazione di base e le condizioni del canale per comprendere le prestazioni reali delle dispositivo.
Figura 1. Soluzione OTA semplificata con emulatore di rete ed emulatore di canale
Il drastico aumento del numero di casi di test che devono essere convalidati durante lo sviluppo, la conformità e i test di accettazione del dispositivo, aumentano direttamente la complessità del test e i tempi. Garantire che si stiano testando le specifiche più recenti e ottenere regolari aggiornamenti del software di test NR 5G sono fondamentali per ridurre al minimo il rischio di sviluppo parallelo, ridurre costose rilavorazioni e garantire che i progetti soddisfino i requisiti NR 5G in evoluzione.
Sfide del test delle base station: la natura attiva del beam steering 5G e del beamforming richiede la convalida in un'impostazione OTA. Aspetti chiave come il guadagno dell'antenna, il lobo laterale e la profondità dei punti di irraggiamento nulli per l'intera gamma di frequenze e larghezze di banda 5G possono avere un impatto significativo sulle prestazioni del sistema. In particolare, le misure del raggio di antenna 3D introducono molte complessità nel test.
Mentre l'aumento della perdita di percorso (path loss) e dei disturbi del segnale non erano un problema a 6 GHz o meno, tali fenomeni sono problematici alle frequenze millimetriche. Pertanto, le soluzioni di test per le frequenze mmWave non devono solo ospitare frequenze più alte con larghezze di banda del canale più ampie, ma anche affrontare una perdita di percorso più elevata alle frequenze millimetriche. A tal fine, una soluzione di test deve avere un rapporto segnale-rumore adeguato (SNR - signal-to-noise ratio) per rilevare e demodulare con precisione i segnali 5G.
Quando si testano i trasmettitori, l'SNR è fondamentale nell'analizzatore di test per effettuare misure accurate del vettore di errore (EVM - error vector magnitude) e del rapporto di dispersione del canale adiacente (ACLR - adjacent channel leakage ratio), e ancora di più per quelle che eseguono le frequenze millimetriche. Per migliorare l'SNR in una soluzione di prova utilizzata per testare i ricevitori, diventa importante l'uso di generatori di segnali con una maggiore potenza di uscita per EVM e ACLR. Inoltre, la calibrazione a livello di sistema è anche fondamentale per correggere la fase del sistema e gli spostamenti di ampiezza sulla larghezza di banda della misura. Guarda come una forma d'onda corretta correggerà la risposta del canale sul piano del dispositivo sotto test (DUT - device under test) sottostante.
Figura 2. La correzione della risposta del canale fornisce una maggiore precisione di misura
Rischi e Conseguenze
Quanto funzionerà bene il 5R NR RAN? I dispositivi si connetteranno in modo impeccabile da una stazione di base a un'altra e forniranno una doppia connettività con 4G LTE? I dispositivi, le stazioni di base e l'ecosistema completo forniranno indicatori di prestazioni chiave (KPI) come 20 GBps nel downlink (DL) per lo streaming video UHD? Forniranno la bassa latenza prevista per le automobili senza conducente? E offriranno l'alta affidabilità necessaria per le applicazioni no-fail? Queste sono solo alcune delle domande che tengono svegli gli ingeneri che si occupano di design elettronico.
Prodotti di bassa qualità possono causare costi di riparazione più elevati, tassi di resa e ridurre la quota di mercato e i profitti della tua azienda. Un prodotto introdotto con un modello operativo poco performante, un processo inefficiente o test costosi, può anche ridurre la produzione o portare a una bassa qualità del prodotto e avere gravi conseguenze sulla reputazione e sulle vendite dei produttori di apparecchiature originali (OEM) in tutti i settori: semiconduttori, comunicazioni, automobilistico o medico.
Nel frattempo, anche se i test di conformità 5G sono pietre miliari fondamentali nel ciclo di vita del prodotto, questi test rimangono incompleti. I sistemi baseline di conformità del protocollo e le specifiche dei test case per il test OTA devono ancora essere specificati. Tuttavia, i casi di test più rilevanti per RAN5 sono attesi per la metà del 2019 e i restanti test probabilmente usciranno l'anno successivo. Ciò contribuirà ad introdurre nuove funzionalità nei nuovi prodotti e limitare i rischi.
Oltre agli aggiornamenti 5G NR release-15, il 3GPP ha già iniziato a lavorare sulla release-16 focalizzandosi su nuovi tipi di servizi, dispositivi, modelli di implementazione e bande di frequenze con enfasi su miglioramenti delle comunicazioni a bassa latenza ultra-affidabili (URLLC) per Internet of Things Industriale (IIOT), utilizzo di bande senza licenza, comunicazioni veicolo-a-tutto (V2X), posizionamento UE (dispositivo utente) ed efficienza energetica.
Tuttavia, gli obiettivi incompleti e in evoluzione stanno esercitando una pressione significativa sugli sviluppatori che devono garantire che i loro progetti e test siano sufficientemente flessibili per gestire i requisiti futuri. I progetti e i sistemi di test dovranno adattarsi a nuove bande di frequenza più elevate, potenzialmente con ampiezze di banda del canale più elevate, e implementare una minore latenza e coesistenza con bande senza licenza.
Il Punto di Non Ritorno 5G arriverà con Applicazioni Critiche
Quindi, dato che il 5G NR Release-15 è congelato, siamo al punto di svolta del 5G? Siamo sul precipizio: siamo a un punto in cui le specifiche sono finalizzate per il rilascio NG 5R NR-15 e i progetti sono previsti per l'introduzione all'inizio del 2019.
Ma è un punto di non ritorno? No.
La maggior parte dei produttori che lavorano su 5G NR stanno pianificando di mettere in fase le loro funzionalità 5G. Le versioni iniziali, come i telefoni mobili con doppia connettività, si basano molto sul 4G per le applicazioni critiche e utilizzano il 5G per download supplementari ad alta velocità. 5G NR Release-15 si concentra sulla specificazione delle fondamenta sottostanti per l'interfaccia flessibile dell'aria e consente l'utilizzo dello use case mobile a banda larga (eMBB - enhanced mobile broadband) per un elevato throughput dei dati. Queste funzionalità sono molto focalizzate, offrendo ai primi prodotti 5G un maggiore margine di manovra per resistere a un inizio pieno di incertezze.
Il vero test per i prodotti 5G avverrà quando saranno si allontana quando vengono introdotte applicazioni critiche che hanno conseguenze importanti sul funzionamento della infrastruttura di rete. Sarà importante per le aziende che sviluppano prodotti 5G impegnarsi con un partner di test che ha lavorato con i leader attraverso l'ecosistema wireless e che ha già affrontato la maggior parte dei difficili problemi coinvolti nella verifica della conformità e delle capacità.
A cura di Sheri DeTomasi, 5G New Radio Solutions Lead @ Keysight Technologies, Inc.
Il 5G si prospetta come la vera svolta della connettività. Pensiamo all’impatto che può avere sulle tecnologie basate su IA, realtà aumentata e connessioni interveicolari.
Articolo che davvero fa sognare se guardiamo ai due principali vantaggi del 5G: bassissime latenze ed elevate velocità. Sembra davvero di essere di fronte ad una rivoluzione, se pensiamo che con un semplice 3G abbiamo assistito ad una diffusione ormai capillare di smartphone e apps, forse anche oltre le più rosee attese,