המפתח לפיתוחי 5G מוקדמים – כלי בדיקה לפרדיגמות רשת חדשות

הזינוק החד בדרישת נתונים אלחוטיים ממשיך, עם ניתוחים החוזים 20 עד 50 מיליארד מכשירים עד לשנת 2020, הנעים ממכשירי M2M שמשדרים ביטים ספורים ביום ועד ליישומים שמשדרים מספר ערוצי וידאו ב‑HD. מחקרים לגבי דרישות משתמשים עתידיות מציבים למפעילי רשתות יעד של יצירת תשתית המספקת את הרושם של קיבולת אינסופית בכל מצב, לרבות אתרים כגון אצטדיוני ספורט ומופעים שבהם יש צפיפות משתמשים גבוהה. איור 1 מראה מה יכולה להיות המשמעות של כל זה בפיתוח רשתות.

איור 1. תרגום דרישות משתמשים לרשתות העתיד.

עד היום, הגורמים המשמעותיים ביותר שקבעו את חווית המשתמש (ולפיכך את הקליטה) של הרשת הם הכיסוי, הצפיפות ומספר הערוצים הזמינים במיקום כלשהו.

הדרישות של רשת מהדור הבא שונות בהתאם למכשיר ולשירות. לדוגמא, דרישות משתמשים בנפחי נתונים גבוהים מתרכזים בקישוריות וזמן האחזור, תוך התחשבות מועטה ביעילות ובניידות (במופעים רבים). בניגוד לכך, הצרכים של IoT מתמקדים במהימנות, עלות ויעילות, ואילו צרכים של בטיחות ציבורית מתרכזים במידיות ובזמינות כמעט ללא התחשבות בעלות. בהתחשב בכך שחלק מדרישות אלה הן כמעט הפכים מושלמים, נראה שרשת אחת שמתאימה לכולם אינה סבירה.

מנקודת ההשקפה של מפעיל הטלקומוניקציה, היעד חייב לספק שירותים במחיר שבו הערך ללקוח עולה על עלות אספקתם – במילים אחרות, יצירת תשואה על ההשקעה בהתקנת הרשת ובעלויות ההפעלה. למטרה זו, מפעילים רבים מתרחקים מהעסק ההיסטורי של אספקת שירותים קוליים, טקסט ונתונים סלולריים ונעים לקראת (באמצעות צמיחה אורגנית, רכישה או שותפויות תעשייתיות) מודל “משחק מרובע”, ומספקים טלפוניה קבועה, שירותים קוליים ונתונים סלולריים, רוחב פס ביתי ושידור וידאו, מתוך כוונה להיות ספק תקשורת משולב של הלקוח.

כדי לתמוך במודל זה, המחקרים האחרונים יוצאים מתוך הנחה שאלה תכונות הרשת העיקריות שתדרשנה: רשת קווית/אלחוטית משולבת, שבה החלק האלחוטי כולל רשת צפופה של תאים קטנים עם קיבולת המשופרת דרך ריבוב מרחבי בסדר גבוה (MIMO),קבצי נתונים סלולריים בגודל 10GB/s והשהייה הלוך-חזור של אלפית השנייה אחת. רוב המחקרים מניחים כעת שיש ממשקי אוויר מרובים, שכוללים התפתחות תקנים סלולריים כיום ובעתיד, אינטגרציית Wi-Fi מורחבת והפעלה בתדרי גלי מיקרו או גלי מילימטר.

אף שהרשת חייבת לתמוך ביורשים של הסמרטפונים והטאבלטים של היום והיישומים שלהם צורכים נתונים רבים, יש חוקרים שחוששים גם מהקצה השני של ספקטרום המכשירים – חיישנים המופעלים בסוללה ורכיבים מפעילים ל-IoT; התקנים פשוטים שמשדרים מעט מאוד נתונים, שתוכננו להיות בעלי חיי תפעול ארוכי טווח. תכנון ופיתוח של מכשיר מסוג זה דורש כלים ספציפיים שיכולים למדוד את פריקת הסוללה בשלושה תנאים עיקריים: “מצב שינה”, שבו המכשיר לא פעיל כלל, “מצב המתנה”, שבו המכשיר פעיל אך לא משדר, ו”מצב שידור”, שבו הוא שולח נתונים. הצריכה הנוכחית של מכשירים אלה היא אקראית באופיה, ונעה מננו-אמפרים במצב שינה ועד למילי אמפרים במצב המתנה ואמפרים במצב שידור, במהלך זמן קצר מאוד עם זמני עלייה וירידה חדים ביותר (איור 2).

איור 2. תצוגת פריקת זרם מננו אמפרים לאמפרים במעבר אחד ותמונה אחת באמצעות הפטנט של Keysight ל”מדידת זרם חלקה” המאפשרת גילוי חריגות בחיי הסוללה.

בעולם הסלולרי, רווחים בקיבולת מגיעים בעקרון משלושה משתנים: יותר ספקטרום, יעילות ספקטרום טובה יותר ושימוש חוזר טוב יותר בתדרים באמצעות גודל תאים שהולך וקטן (איור 3). רשתות מהדור הרביעי הנבנות כעת משתמשות ברצועות תדרים רבות יותר לעומת דורות קודמים, ויכולות להשתמש ברוחבי פס רחבים יותר של ערוצים ובספקים מצטברים – השילוב של שני ערוצים או יותר בתדרים שונים כדי להגדיל עוד יותר את הקיבולת, אך מפעילי רשתות סלולריות היום משוכנעים שספקטרום קיים אינו מספיק כדי לעמוד בתחזיות הקיבולת.

איור 3. התוצר של ספקטרום, יעילות ומספרי תאים מייצגים את קיבולת הרשת.

לפיכך, במקביל לפיתוחים ברשתות סלולריות, גרסאות חדשות של תקן LAN אלחוטי של IEEE 802.11 מביא יכולת חדשה לתקשורת בטווח קצר יותר.802.11ac הוא הרחבה של 802.11n, ומספק קישור יחיד במינימום  500Mb/s ותפוקה כוללת של  1Gb/s, בהפעלה בפס של  5GHz. 802.11ad מספק תפוקה של עד    7Gbs באמצעות  GHz בקירוב של ספקטרום ב- 60GHzבטווח קצר. היעד הוא שלכל הגרסאות של תקן 802.11 תאימות לאחור, וש-802.11ac ו-ad יהיו תואמים בשכבת ה-Medium Access Control – MAC  או בשכבת קישור הנתונים, ויהיו שונים רק במאפייני השכבה הפיזית. למכשירים יוכלו להיות אז שלושה  מכשירי רדיו: 2.4GHz לשימוש כללי, שעלול לסבול מהפרעות, 5GHz ליישומים חזקים יותר ובמהירות גבוהה יותר ו-60GHz למהירות גבוהה במיוחד בתוך חדר – ותמיכה במעבר ביניהם. 802.11ac תומך ברוחבי פס של ערוצים עד 160MHz, מודולוציית 256QAM  צפופה ועד  8×8  MIMO  למקסום הקיבולת, וגם 802.11ac וגם 802.11ad תומכים ביצירת אלומות (beamforming) כדי לאפשר מיקוד של משאבי מערכת במכשירים בודדים כדי לשפר את מהימנות השידור. מפעילי רשתות סלולריות בעולם כולו יוצרים שותפויות עם ספקי Wi-Fi ציבוריים כדי להציע הפחתה בעומס הנתונים ותקשורות Wi-Fi. כאשר ההפחתה היא אמצעי להגדלת קיבולת הרשת וההתקשרות מהווה אמצעי להרחבת כיסוי הרשת הקולית ל”נקודות מתות” שבהן אין שירות סלולרי.

רבות מהחקירות של טכנולוגיה סלולרית מהדור הבא מתמקדות בהוספת כיסוי לרשתות הסלולריות של היום עם רשת צפופה של תאים קטנים בספקטרום חדש בתדרים של גל מילימטרי, בהם רוחבי פס במודולציות של ג’יגה-הרץ רבים, אפשריים. רשת משולבת כזאת תתנהג באופן אחר לעומת תדרי RF “מסורתיים” של 1 עד 6 GHz ורוחבי פס של 10 עד 20MHz במערכות הסלולריות ומערכות ה-Wi-Fi של ימינו. מספר אוניברסיטאות ומחלקות מחקר ופיתוח של יצרני ציוד רשת חקרו טופולוגיות רשת אפשריות ומאפיינים תואמים של שידור אותות. מחקרים שונים בחנו את התדרים מ- 28GHz לקצה הנמוך של פס E (שמכסה את 60 עד 90 GHz). הם חקרו גם את ההשפעות של זרמי מרחביים מרובים (MIMO) ויצירת אלומות (beamforming), ששניהם דורשים מערכים של אנטנות שידור וקליטה. בנוסף לכך, מספר ארגונים ממשלתיים וממשלתיים-למחצה ברחבי העולם מממנים מחקרים, מתוך כוונה לנוע קדימה בגישה גלובלית לתשתית רשת של הדור הבא. התוצאות של כל החקירות הללו תוזנה לתהליך הגדרת התקנים של רשתות מהדור החמישי – 5G– שיתחילו באופן רשמי בעתיד הקרוב.

חקירות אלה פורצות גבולות חדשים למערכות תקשורת, ותדרושנה פתרונות בדיקה חדשים. לדוגמה, רכיב במערך אנטנות ב- 60 GHz ומעלה הוא קטן, וניתן לאגוד אותו ישירות לפלט מגבר הכוח של המשדר או לקלט המקלט שאותו הוא משרת, כך שאין אפשרות לחיבור מתכתי אליו. יצירת אמצעי בר-חזרה לכיול חיבור של מערכת בדיקה לרכיב וקביעת הביצועים שלו בפועל היא אתגר חדש לספקים של ציוד בדיקה. נדרש network analyzer שפועל בתדרי גל מילימטרי ופתרונות חדשניים שיספקו תקנים ידועים שניתן להשתמש בכיול שלהם.

חקירה כיצד שידורים ברוחב פס בתדרים חדשים אלה מתנהגים “במציאות” דורשת כלים חדשים ליצירתם וניתוחם. חלק מהחוויה של פיתוח רכיבים ל-LAN אלחוטי של 802.11ad הוא חיבור לפיתוח זה.  ראה באיור 4 דוגמה למצע בדיקת 60GHz לניתוח אותות BW ב- 2GHz.

איור 4 תרשים מלבנים של מצע בדיקת  60 GHz test בגל מילימטר לניתוח אותות BW ב- 2GHz

 

לפני שתוכל להיות הסכמה על תקן חדש של ממשקי אוויר, חקירה מקדימה של ביצועי שידור באמצעות סוגי מודולציה שונים וצפיפויות שונות, ניתנת לביצוע באמצעות יישום תוכנה ליצירת תצורת גל, סינתיסייזר אקראי של תצורת גל ברוחב פס ומחולל גל מילימטרי כממיר. ליישום של יצירת תצורות גל צריך להיות ממשק משתמש ברור ומקיף שמאפשר יצירת טווח רחב של אותות בדיקה מורכבים במהירות ובקלות, וטעינתם במחולל תואם. ניתן להשתמש בתוכנה ליצירת תצורות גל כגון Signal Studio של Keysight, יחד עם סינתיסייזר של תצורות גל אקראיות ברוחב פס, כדי ליצור את תצורת הגל בפס הבסיס הנדרש, ולאחר מכן ניתן להמיר מעלה את האות שהתקבל לתדר גל המילימטרי הנדרש. בהמשך הפיתוח יהיה צורך לשדר אותות בקידוד מלא שבהם ניתן יהיה לבצע מודולציה לפי מקלטי אב-טיפוס. שוב, יהיה צורך באותות רבים כדי לבדוק תרחישים של זרמים מרובים. בדיקה מקצה לקצה באמצעות כלי הדמיית מערכת כגון Keysight SystemVue מספקת את האפשרות ליצור מערכת אידיאלית שכוללת נתיבי שידור מרובים, ולאחר מכן להחליף את האלמנטים בתרשים המלבנים ברכיבים אמיתיים ומדידות מתאימות מהעולם האמיתי כאשר רכיבים הופכים לזמינים.יהיה צורך במקורות מרובים, המחקים רשתות חופפות בעולם האמיתי והפרעות ממשתמשי ספקטרום אחרים, כדי לאפיין באופן מלא את הביצועים בסביבת ספקטרום עוינת.

כלי הבדיקה של Keysight ה- N6705B עם N6781A לניתוח פריקת סוללה

סימולציה, יצירה וניתוח של אותות של גלי מיקרו אינם חדשים ל- Keysight – החברה היתה מעורבת ביצירת ציוד בדיקה לרכיבי גל מילימטרי למכ”מים ומערכות תקשורת עם טווח מעל 100GHz במשך שנים רבות. כדי להבטיח של-Keysight יהיו כלי סימולציה ובדיקה לפיתוח מוצרים חדשניים, יש לחברה נציגים בגופי תקינה ופורומי תעשייה רלוונטיים, שבהם הם מעורבים בפיתוח מדע המדידה ומתודולוגיות בדיקה כדי לתת את התובנות הרבות ביותר לגבי ביצועי מכשירים ומערכות.