המפרט הראשוני של “הרדיו החדש”, הלוא הוא הדור החמישי של הסלולר, NR פורסם בדצמבר האחרון על-ידי ועדת התקנים 3GPP (פרויקט השותפות של הדור השלישי( תחת השם 5G NR. מערכי השבבים של הדור החמישי התחילו להופיע בשטח והמרוץ לתשתיות וההתקנים הניסיוניים יילך ויצבור תאוצה. מהן ההשלכות של זה עבור המתכננים של התקני הדור החמישי? ה-5G NR יתמוך בתחילה רק במקרים של שימוש מוגבל. מאמר זה יתמקד בגרסה 15 של תקן ה-5G NR, יחשוף כמה תפיסות שגויות לגבי התקן, ויתאר את המגבלות וההשלכות של התקן על תכנונים של התקנים חדשים.
ה-5G NR טומן בחובו הבטחות עבור הצרכנים – קצבי הורדה מהירים במיוחד לצפיה בוידאו ברזולוציות גבוהות מאוד, יישומים עם השהיות נמוכות כמו רחפנים למשימות קריטיות, ומכשירים שמדברים עם מכשירים אחרים ללא צורך לעבור דרך הרשת. כל אלה מתוארים היטב בחזון שפרסם הארגון הבינלאומי לטלקומוניקה לגבי מערכות תקשורת סלולריות אחרי 2020 (IMT for 2020 and beyond vision). על פי דוח הסלולר של חברת אריקסון מנובמבר 2017, סך כל תנועת הנתונים הסלולריים צפויה לעלות בקצב צמיחה שנתי מורכב של 42%. צמיחה כזו תציב דרישות עצומות מרשת האלחוט וסביר להניח שיידרשו טכנולוגיות חדשות שיעזרו להתמודד עם האתגרים ולהשיג את המטרות הללו.
איור Data Traffic – Smartphone :
בדומה לבניית בית, הצעד הראשון יהיה הכנת יסודות יציבים שיתמכו במבנה. היכולות החדשות בגרסה הראשונית יתמכו במקרים של רוחב פס סלולר משופר (eMBB) ותצורת URLLC. תמיכה עבור מקרי שימוש אחרים של תקשורת מסיבית בין מכונות (mMTC), המיועדת בעיקר עבור יישומי IoT (האינטרנט של הדברים), תוגדר בשלב מאוחר יותר בשנת 2019. תקני ה-5G NR עדיין מצויים בשלבי פיתוח וייצאו לשוק במהלך השנים הקרובות. עד כמה החזון של הדור החמישי יוכל לקרום עור וגידים תוך הסתמכות מה שיצא לשוק עד כה? במאמר זה נבדוק מה ניתן לממש עם ה-R15 הראשונית ומה יהיו ההשלכות של זה עבור התכנונים שלכם.
אמת או בדיה?
ה-5G NR הוא תחליף לרשתות הדור הרביעי?
טענת שווא: ה-4G LTE ממשיך להתפתח ולמעשה ימלא תפקיד מרכזי בהצלחתו של הדור החמישי. בחיבור של התקנים לרשת, הדור הרביעי והדור החמישי יתקיימו זה לצד זה על מנת לספק כיסוי נרחב יותר ולאפשר את השימוש בטכנולוגיות חדשות על הרשת. ההתפתחויות ב-4G LTE-Advanced Pro כבר מממשות קצבי תפוקה של גיגהביט באמצעות השימוש באפנון מסדר גודל גבוה, יותר הזרמה במודל מרובה אנטנות (MIMO) וצבירה של ספקטרום עם רישיון ובלי רישיון תוך שימוש בטכניקות כדוגמת LTE-LAA (גישה נעזרת הרשאה). בין הדור הרביעי לדור החמישי תהיה אינטגרציה והגרסה הראשונית של ה-5G NR תהיה במוד NSA (לא נפרד) – אופן פעולה שבו רשת הדור החמישי תסתמך על רשת הדור הרביעי לצורך קביעת תזמון ובקרת אותות. הניסוח הסופי של ה-R15 יתמוך ברשת נפרדת (SA), אבל הציפיה היא שהדור הרביעי, הדור החמישי ואפילו המיזוג של Wi-Fi ימשיכו לעבוד ביחד כדי לספק מערך רבגוני של שירותים. השורה התחתונה היא שהדור הרביעי לא הולך להיעלם בזמן הקרוב. מתכנני התקנים יצטרכו לקחת בחשבון קיום בו-זמני של ה-5G NR, 4G LTE ו-Wi-Fi על אותו גל נושא, עם האפשרות של הפרעות RF, כמו התנגשות רשתות כתוצאה מתזמון של שלושה פרוטוקולים שונים.
הדור החמישי ישתמש בנומרולוגיה גמישה כדי להתמודד עם הרבגוניות של הספקטרום והשירותים
אמת: ה-
5G NR מציג נומרולוגיה גמישה כדי לאפשר טווח רחב של תדרים ותזמון של שירותים מגוונים שיכולים להיות יישומים בתפוקה גבוהה, בהשהיה נמוכה או אפילו בהשהיה גבוהה עבור שירותי IoT. ריווח תדרי התת-כבר לא יהיה קבוע על 15 קילוהרץ. תחת זאת, ריווח הנושא יתרחב בשיעור של by 2µ x 15 kHz עם העלייה בתדר. הגמישות הזו תאפשר מדרגיות של זמן הפילוח (slot) כך שחלק מזמני הפילוח יוכלו לרוץ בפחות זמן. כדי לתמוך ביישומים קריטיים עתידיים בעלי השהיה נמוכה, mini-slot הוא בעל משך קצר יותר מזמן הפילוח הסטנדרטי וניתן להתחילו בכל עת מבלי להמתין להתחלה של גבול זמן הפילוח.
עם ההצגה של הנומרולוגיה הגמישה ב-5G NR, מספר מקרי הבדיקה גדל באופן קיצוני, וכל מי שמתכננים התקנים יצטרכו ליצור ולנתח צורות גל בתחומי התדר, הזמן והאפנון, ואף לאמת את הביצועים של ההתקן החדש על הרשת עם נומרולוגיות שונות.
בנוסף, עם הריבוב של הנומרולוגיות השונות, רק תדרי תתי-נושא המצויים בתוך אותה הנומורולוגיה הם אורתוגולניים זה לזה. ערבוב של כמה נומרולגיות על נושא עלול לגרום להפרעות בין תתי-נושא של נומרולוגיות שונות. יהיה צורך בבדיקות של הדו-קיום של ה-RF כדי להבטיח שאף פליטה בתוך הפס או מחוץ לפס אינה גורמת להפרעות לאותות האחרים על הנושא.
כל העניין ב-5G NR הוא ספקטרום הגלים המילימטריים (גמ”מ, mmWave)
טענת שווא: השימוש בספקטרום גמ”מ אמנם יהיה קריטי כדי לעמוד בתפוקת הנתונים הגבוהה במיוחד שלה מצפים מרוחב הפס של רשתות הדור החמישי, אולם פסי תדר מתחת ל-6 גיגהרץ ישמשו עבור כל שלושת מקרי השימוש: eMBB, ULLRC ו-mMTC. ספקטרום של פחות מ-6 גיגהרץ מוכר היטב ומדינות רבות משחררות ספקטרום עבור גרסאות ראשוניות של פחות משישה גיגהרץ. הטווח של 3.4 עד 3.8 גיגהרץ נבדק לשימוש בכעשרים מדינות שבהן אפשר למצוא ספקטרום רציף יותר. התדר של פחות משישה גיגהרץ מביא עמו כמה אתגרים, אך השימוש ברוחבי פס נושא רחבים יותר בתדרים של גלים מילימטריים הוא המקום שבו נפגוש מערך חדש של בעיות שלא חווינו בעבר בתקשורת סלולרית מסחרית. ה-5G NR הגדיר שימוש בתדרים של עד 52.6 גיגהרץ, וישנן כמה מדינות שעורכות ניסויים בפסים של 26, 28 ו-39 גיגהרץ.
טבלה: 3GPP technical specification for radio transmission and
« reception lists the following tests
בין האתגרים החדשים שיביאו עמם הגלים המילימטריים ישנם הקשיים הנובעים מעלייה ב”אובדן מסלולים” (path loss), מחסימה ומבעיות אחרות של התפשטות שיגבילו את הכיסוי הסלולרי. כדי לעזור להתגבר על בעיות של התפשטות אותות ייעשה שימוש בעיצוב אלומה, אך גם עיצוב אלומה כשלעצמו מביא עמו אתגרים שבהם נעסוק בהמשך המאמר. בנוסף צפויים קשיים של יצירה וקליטה יעילות של אותות באיכות גבוהה ברוחבי פס הרבה יותר גבוהים. חשיבות גבוהה במיוחד תהיה ליכולת לבדוק ולמדוד את ביצועי ה-RF של האות בעזרת בדיקות כמו EVM, ACPR ו-SEM.
בדיקות של גלים מילימטריים בדור החמישי יצטרכו להתבצע דרך האוויר (OTA)
זה תלוי: רוב הבדיקות מתחת לשישה גיגהרץ מתבצעות על-ידי חיבור פיסי של כבל קואקסיאלי מההתקן הנבדק אל מערכת הבדיקה. בתדירויות של גלים מילימטריים הרכיבים קטנים יותר ויש להם רמות גבוהות יותר של אינטגרציה שעלולות להגביל את נקודות החיבור ולהפוך את החיבור בכבלים לקשה, אם לא בלתי אפשרי. ללא חיבור כבלים יהיה על המתכננים להסתמך על בדיקות דרך האוויר (OTA). בדיקות אוויריות של גלים מילימטריים יולידו עוד מצבים של אי-ודאות בגלל החיבור דרך “ממשק אווירי”. בדיקות המבוצעות על ציוד המשתמש (UE) שונות מאלו המבוצעות על תחנת בסיס, ובנוסף הן גם מתבצעות בשלבים אחרים לאורך מחזור חייו של המוצר.
אחד האתגרים הגדולים ביותר בתכנון הוא מיקום האנטנה והחסימה, או אותות “פנטום”. כדי להבין את הביצועים יצטרכו המדידות האוויריות (OTA) בשלבי המו”פ לכלול מדידות של דפוסי אלומות, מדידות קיטוב צולב והכוונת אלומה לכיוון האות הרצוי (beam steering) או מזעור עצמת החסימה הנקלטת (null steering). עדיין יהיה צורך להגדיר בדיקות תאימות. לאחרונה הוסיפה ה-3GPP שיטת בדיקה של CATR (טווח בדיקות של אנטנה קומפקטית) שמשתמשת במערכת עם רפלקטור פרבולי כדי לגרום לצורת הגל להיראות כאילו הוא מגיע ממרחק גדול יותר. שיטה זו יכולה לספק חלופה מדויקת, זולה וקומפקטית לחדרי בדיקה מרוחקים.
עיצוב אלומות ו-MIMO מסיבי בתקן 5G NR יצריכו מערכי אנטנות עם מאות רכיבי אנטנה
טענת שווא: בעוד ש-MIMO מסיבי מרמז על צורך במאות אנטנות בתחנת הבסיס, ה-5G NR R15 תומכת בכמות אנטנות של עד 8×8 בלבד, כלומר 64 רכיבי אנטנה, בדיוק מה שנתמך היום ב-4G LTE. ריבוי אנטנות MIMO)) מסיבי מוגדר בצורה לא מדויקת ובלתי מחייבת ככמות הרבה יותר גדולה של אנטנות בתחנת הבסיס מאשר על ההתקן, ומיושם בפועל כ-MIMO מרובה משתמשים (MU-MIMO). עבור הגרסה הראשונית, MIMO של עד 8×8 מותקן על תחנת הבסיס ושל 2×2 על ההתקן עצמו. גרסאות עתידיות של המפרט מין הסתם יוסיפו תמיכה ליישומי MIMO בסדרי גודל גבוהים יותר. MIMO מסיבי ייושם בספקטרום של פחות משישה גיגהרץ וגלים מילימטריים עם הפריסות המסחריות הראשוות מתחת לשישה גיגהרץ. ניתן ליישם MIMO במספר דרכים, ועיצוב אלומה הוא מקרה מיוחד המשמש כדי לשלב כמה רכיבי אנטנה על מנת למקד את ההספק בכיוון ספציפי. טכניקה זו תעזור לשפר את יחס האות לרעש בנוסף ליחס ההפרעה (SNIR) עבור משתמש ספציפי. ה-5G NR מגדיר טכניקות גישה ראשוניות חדשות לעיצוב אלומה שישתמשו בסריקת אלומה (sweeping) כך שתחנת הבסיס תוכל לזהות את האלומה החזקה ביותר וליצור חיבור כדוגמת מה שניתן לראות באיור מטה:
ה-MIMO ועיצוב האלומה מביאים עמם אתגרים רבים הן בתדירויות של פחות משש גיגהרץ והן בגלים מילימטריים. בנוסף לאתגר של מציאת אלומה באמצעות גישה ראשונית יהיה צורך לבצע בדיקה ואימות של ניהול האלומות הכולל, של נצילות ההעברה ושל התפוקה.
איור Synchronization and broadcast signals (beam sweeping( :3
סיכום
חברות רבות לוקחות חלק במרוץ הסוער מי תהיה הראשונה לצאת לשוק עם מוצרי הדור החמישי. עם כל הניסויים הנערכים ועם מערכי השבבים של מודמים מהדור החמישי המצויים בשוק, התשתיות וההתקנים מין הסתם לא יאחרו להגיע. אתגרים חדשים הכרוכים בקיום הבו-זמני של תקן ה-5G NR, הדור הרביעי ו-Wi-Fi, בנומרולוגיה גמישה, באיכות אותות בספקטרום של גלים מילימטריים, בבדיקות דרך האוויר (OTA) ובניהול אלומות ידרשו מכם לפתח חשיבה שונה לגבי האופן שבו אתם עורכים בדיקות. יהיה עליכם לשקול את ביצועי צורת הגל עם נומרולוגיות שונות ובתדירויות גבוהות יותר של גלים מילימטריים. בנוסף, כיוון שהרשתות ותחנות הבסיס עדיין אינן בנויות, אמולטורי רשת, אמולטורי ערוץ ופתרונות בדיקה דרך האוויר יעזרו לאמת ולתקף את הביצועים של ההתקן בעולם האמיתי.
