5G mérések Over The Air

Bár hosszú évekbe telt, de a mobilipar végre elérte az 5G korszak hajnalát. A mobilhálózat-üzemeltetők előkészítik az 5G trial-eket, és a tesztfázis után elindítják a kereskedmi célú szolgáltatást.

Szerte a világon több szolgáltató is meghírdette az 5G indítását 2018 végére. Az Egyesült Államokban például a Verizon és az AT&T jelentett be 5G-alapú szolgáltatásokat. Koreában a kormány megköveteli a három legnagyobb szolgáltatótól - KT, LGU+ és SKT -, hogy 2019 elejére 5G mobil szolgáltatással rendelkezzenek.

Az 5G előkészítése 2019-ben tovább gyorsul. A spektrumpályázatok a legtöbb, - technológialag fejlett - országban lezárulnak, a frekvenciasávok allokációja kialakul, így a szolgáltatók számára elérhetővé válik a szükséges spektrum, amit az új hálózat megkíván.

Az Federal Communications Commission (FCC) lezárta a 24 GHz-es és 28 GHz-es frekvenciasávok árverését, ez utóbbiból több, mint 700 millió dollárra tett szert.
Az FCC az év második felére tervezi a maradék 5G mm-es hullámú sáv - 37 GHz, 39 GHz és 47 GHz - árverését.

A szolgáltatók számos országban tervezik a jelenleg LTE-hez elkülönített 3 GHz-nél alacsonyabb frekvenciaspektrum újraosztását, míg a 3.5 GHz-es spektrumot az 5G hálózat számára biztosítják.

A frekvenciaallokációs folyamatok révén szerzett szabad spektrum (amely 100 MHz-es is lehet az 6 GHz alatti sávokban, és 800 MHz a milliméteres sávokban), lehetővé teszi az üzemeltetők számára, hogy olyan hálózatokat telepítsenek, amelyek sokkal többre képesek, mint a jelenlegi hálózatok. Ez nagyobb sávszélességben és adatsebességben, valamint elhanyagolható mértékű késleltetésben merül ki.

Ezekkel az előnyökkel az önvezető autók, a valós idejű válasz-igényekkel rendelkező kritikus alkalmazások és az eljövendő Internet of Things technológiai robbanásának óriási igényeit kívánják kiszolgálni. Összeségében elérhetővé téve az okos házak/gyárak/épületek, azaz okos városok felépítését. A vízió a jövőbe mutat, de az alapokat most fektetik le.

Ahhoz, hogy ezeket az álmokat valóra válthassák, a szolgáltatók hatalmas befektetéseket tettek. Ez nem csak a spektrumra elköltött dollár milliókat jelenti, hanem egy teljesen megújult vezeték nélküli hálózat felépítésének elvállalását, mely a valaha volt legjobb felhasználói élményt adja majd.

Kezdetben a hálózatüzemeltetők az 5G indításához kihasználják a már meglévő 4G infrastruktúrát, ez az ún. non-standalone hálózati architektúra (NSA), ahol a signaling az LTE hálózaton történik. Hosszú távon a mobilszolgáltatók az új frekvenciaspektrum-elosztásaik alapján új 5G-hálózatokat építenek ki, melyek teljesen új antennatechnológiával érkeznek.

A magas frekvenciák természete új gondolkodásmódot igényel a hálózatépítés során. Mivel az 5G-szolgáltatások leggyakoribb spektrum-elosztása 3.5 GHz-en vagy mm-es hullámú sávokban van, a jel ezeken a magasabb frekvenciákon a fizika törvényei miatt nem utazik olyan messzire, mint alacsonyabb frekvenciák esetén.

Emiatt csökken az egy bázisállomás által lefedhető maximális terület nagysága, ami a bázisállomások számának növekedésével jár. Azonban nem csak az állomások mennyisége, azok technológiai felépítése is megváltozik.

A másik legnagyobb különbség a 4G és az 5G között hálózatépítési szempontból az, hogy amíg a 4G hálózatok minden irányba sugárzó antenna rendszerekkel rendelkeztek, addig az 5G aktív antenna rendszerű (AAS) bázisállomásokat használ a beamforming és masszív MIMO technológiákra építve. Ezek az antennarendszerek a jelet a lefedettségi területen belül tartozkódó eszközök irányába koncetrálják.

A masszív MIMO-val és beamforming-al rendelkező bázisállomás az IEEE videója „5G Technologies: Beamforming Explained” alapján úgy működik, mint egy forgalmi irányító lámpa. Figyelemmel kíséri az összes beérkező jel érkezési idejét és irányát, majd a jelfeldolgozó algoritmusokra bízza, hogy olyan jelutat számítson ki, mellyel a saját jele minden eszközhöz elérhet a lefedettségi területen belül. A legjobb eredmény érdekében ez a rendszer épületek falát is felhasználja, mint reflexiós felület.

1. ábra - AAS antenna rács és a beamforming technológia vázlata

Ezeket az újszerű technológiákat már korábban is felhasználták, különösen olyan helyzetekben, amikor a hálózatüzemeltetőknek egy eseményhez kapcsolódó időszakos forgalmi növekedést kellett kiszolgálniuk.
Ez történt a 2018-as FIFA labdarúgó világbajnokság versenyén, ahol az orosz MTS szolgáltató, olyan 5G-s beépülő modulokkal rendelkező Ericsson berendezéseket használt, amelyek MIMO technológiával segítették elő a minőségi szolgáltatást.

2. ábra - 5G antenna egy oroszországi labdarúgó stadionon (balról a harmadik)

Az új 5G hálózatok több külöböző féle állomást is tartalmaznak majd, nem csak makrocellákat, de javarészt mm-es hullámú kisméretű cellákat is. Az új antenna rendszerekkel rendelkező adók nem nagyobbak egy kézitáskánál, és általában 64 vagy 128 antenna elemből állnak, melyek minegyike külön összeköttetéssel rendelkezik az RF áramkörhöz.

A tradicionális bázisállomás oldali irányított antennák, melyek nagy területeket sugároztak be leváltásra kerülnek az új beamforming technológiát használó antennákra, melyek a teljesítményt a sugárnyalábba koncentrálják, ahelyett hogy "szerteszét" szórnák feleslegesen, mint az LTE hálózat esetén. Az antenna általában 64 elemből áll, azzal hogy minden elem fázisát külön vezérelni tudjuk, a sugárzást úgy befolyásolhatjuk, hogy a teljesítményt egyenesen a mobil készülék felé irányíthassuk.

Mivel immáron az adóoldali sugárzás is keskeny sugárszélességgel történik, a kisugárzott teljesítmény karakterisztikájára ügyelni kell, és a minimumon kell tartani az interferencia elkerülésének érdekében. Ez igaz a melléknyalábokra is, melyek a fősugárzási irány mellett, vagy mögött jöhetnek létre, és jelentős teljesítményt szállíthatnak, amivel zavart kelthetnek. Általában ez decibelben kifejezve elhanyagolható lehet, de egy sűrű hálózatban a melléknyalábokat folyamatosan monitorozni és kezelni kell.

Ilyen architektúrával - legyen bármennyi bonyolult - a szolgáltatók képesek lesznek kiaknázni az 5G-ben rejlő lehetőséget.

Ahhoz azonban, hogy az előfizetők befektessenek ebbe a vízióba, az üzemeltetőknek és a gyártóknak bizonyítaniuk kell, hogy az 5G bevált minden álmot, amit állítanak róla.
Amennyire új gondolkodásmódot jelent az 5G a magas frekvenciákon az antenna rendszerek esetén, legalább akkora kihívást jelent az új technológia a méréstechnika területén. Új módszerekre van szükség, hogy az új technológiát felkészítsük az indulásra.

A SPEKTRUMANALIZÁTOROK EVOLUCIÓS FEJLŐDÉSE

Az RF-technológiák életünk egyre több területén jelennek meg, és ezzel párhuzamosan az RF spektrum is egyre telítettebb lesz.

A 6 GHz alatti cellás rendszerek spektrumigényein túl, a leggyorsabb sebességek támogatása érdekében az 5G NR akár a 32 GHz-nél magasabb frekvenciasávban, a milliméteres hullámhosszúságú sávban kerül telepítésre.

Az interferencia elkerülése, és a felhasználói élmény garantálása érdekében egyre fontosabb az RF spektrum egybefüggő vizsgálata 9 kHz-től a 24 GHz-nél nagyobb mm-es sávokig, és az ezekben a sávokban működő rendszerek teljes vizsgálata.

Elengedhetetlen, hogy a tesztműszerek következő generációját úgy alakítsák ki, hogy megfeleljen az 5G támasztotta kihívásoknak, miközben visszafelé támogatják az összes korábbi vezeték nélküli technológiát. Az új spektrumanalizátoroknak, jelanalizátoroknak folyamatos frekvenciaátfogást kell biztosítaniuk a 3 GHz-es, a 6 GHz-es és a mmWave 5G NR-es mérésekhez.

5G spektrumanalizátorok funkciói

Interferencia vadászat és spektrumanalízis – a gyors pásztázási sebesség és a front-end alacsony torzítása alap követelmény az új hálózatok mérése során. Feltételezhetően az 5G technológiához allokált spektrumblokkok szabadok (üresek és "tiszták"), és minden korábbi felhasználó befejezi tevékenységét ezekben a frekvenciablokkokban, de erről csak méréssel győződhetünk meg.

Műsorszóró állomások analízise - a broadcast adó mérések széles skáláját biztosítja - beleértve a harmonikus jelek, elfoglalt sávszélesség, a csatorna teljesítmény és a szomszédos csatorna teljesítmény vizsgálatát - a szabályozási követelményeknek való megfelelés biztosítása érdekében.

Mikrohullámú linkek minősítése - a 24 GHz-nél magasabb frekvencia sávokban, a teljesítmény- és modulációs sávszélesség ellenőrzése a telepítés vagy karbantartás esetén.

Műholdas rendszer felügyelete - ideális a downlink összeköttetés megfigyeléséhez, interferencia kereséshez és a zaj ellenőrzéshez.

5G NR bázisállomás mérése – validálja a gNB bázisállomás teljesítő képességét olyan alapvető mérésekkel, amelyek megfelelnek a 3GPP TS 38.104 V15 szabványnak, mint például: frekvencia hiba, időeltolás, cella/szektor azonosító, modulációs minőség, nem kívánatos emisszió, elfoglalt sávszélesség, szomszédos csatorna szivárgási arány, 12/75 GHz, EIRP és szinkronizációs jelblokk (SSB).

5G lefedettség feltérképezés – 5G-s adók jelerősségének ellenőrzése az RF jelek folyamatos mérésével a tervezett földrajzi területen - beleértve az 5G csatorna teljesítményt, az EIRP-t vagy az RSRP-t is.

Anritsu 5G analizátor - a spektrumanalízis csúcsa

Az Anritsu Field Master Pro™ MS2090A nagyteljesítményű spektrumanalizátora, a világ első kézi, hordozható mérőműszere, mely a 6 GHz, 3 GHz alatti, továbbá a mm-es hullámú 5G NR méréseket is képes elvégezni. A készüléket a vezető 5G bázisállomás gyártókkal szoros együtt működésben fejlesztette az Anristu, ennek köszönhetően az első kereskedelmi 5G NR hálózatok telepítésénél is ezt a műszert használják.

Ma az új Field Master Pro MS2090A valós idejű, nagyteljesítményű spektrumanalizátor a legátfogóbb megoldás az RF iparág vezeték nélküli technológiáinak telepítését, üzembe helyezését és karbantartását támogató terepi mérnökök és technikusok számára.

5G Over the Air mérések

Az 5G-hálózatok tesztelése más lesz, mint a 4G-architektúrák tesztelése, vagy bármelyik korábbi vezeték nélküli hálózat tesztelése volt. Hagyományosan a technikusok a bázisállomások és antennák tesztelésekor a jeleket fizikai úton koaxiális kábellel továbbították a műszereikhez. Ehhez egy RF teszt portra volt szükségük, mely lehetővé tette, hogy a teszteszközzel kalibrált méréseket végezhessenek a csatorna teljesítményére és a moduláció minőségére vonatkozóan, továbbá néhány alapvető cellainformációt dekódolhassanak.

Egy tipikus cellás állomás esetén tornyon helyet kapó adóantennát egy földszinti helyiségben elzárva tartott adó egységtől, hosszú koaxiális kábelekkel táplálták. A kábelek hossza gyakran meghaladta a 10 métert, veszteségük és a reflexió rendszeresen gondot okozott, amit ellenőrizni kellett. Erre az új hálózatok esetén már nincs szükség. Az RF teszt porton végzett vezetett teszt eljárás már több okból kifolyólag is korszerűtlen. A bázisállomásokat külön bontották alapsávi egységre (BBU) és -toronyra szerelt- távvezérelt rádiófejre (RRH), melyeket optikai szállal kötnek össze. Mivel egyre több és több elem kap helyet a háztetőkön, vagy nehezen elérhető helyeken, közel az antennához, az RRH technológia megkönyítette az állomások telepítését.

Az 5G esetén a "bázisállomások" nem léteznek (pontosabban másképpen léteznek), a szó klasszikus értelmében. Az RRH-n nem kapott helyet RF tesztcsatlakozó, és nincs RF kimenete, ami a klasszikus antennához vezetne. Ellenben van egy atenna rácsa (antenna array), mely tipikus 64 elemből áll. Így, egyetlen RF csatlakozó nem lehet elég az összes elem ellenőrzésére. A vizsgálatot az AAS által formált sugárzáson a levegőn keresztül kell elvégezni. Ez a nyaláb az AAS-tól csak bizonyos távolságra formálodik ki, ez 3.5 GHz-en legalább 10 méterre van. Ha az AAS tetőre van szerelve, a teszteket sokkal távolabb kell elvégezni.

3. ábra - általános 5G NR 3.5 GHz-es antenna egy háztetőn 

Hogyan teszteljük háztetők oldalán helyet kapott antennákat RF teszt port hiányában?
Erre ad választ a levegőn keresztüli (OTA) tesztelés, lehetővé téve a technikusok számára, hogy a bázisállomástól nagyobb távolságot tartva, vezeték nélkül végezzék el a szükséges méréseket.

Az új tesztek közé tartozik az EIRP mérés (Ekvivalens Izotrópikus Kisugárzott Teljesítmény), mely annak a teljesítménynek a megadására szolgál, amit egy omni-irányú antennába kell csatolnunk ahhoz, hogy adott irányban és távolságban azonos térerősség szintet kapjunk, mint a mért aktív beamforming antenna esetén.

Hagyományos antennákkal a tér minden irányába sugárzunk. Mivel az 5G esetén a teljesítményt már irányított nyalábok szállítják, érdekessé vált, hogy mekkora lenne az adott 5G antenna ekvivalens teljesítménye egy omni antenna esetén.
Az EIRP megmutatja a beamforming technológia hatékonyságát. Az EIRP azt jelenti számunkra, hogy ahhoz hogy elérjük az adott aktív antenna esetén mért néhol egészen alacsonyszintű teljesítményt, egy omni antenna esetén a teljesítménynek kW-os nagyságrendbe kellene esnie.

Lényegében az EIRP-mérés ismerete segít a gyártóknak abban, hogy igazolják, hogy az adójuk az ígéret szerint működik.

Az OTA mérések további lehetőségeket is rejtenek az EIRP-n kívül. Fokozott figyelemmel kell eljárni a szomszédos frekvencia sávokban üzemelő többi szolgáltató zavarásának elkerülése végett.

A hamis és harmonikus jelek mellett, a beamformingal képzett jelek olyan melléknyalábokat is tartalmazhatnak, melyek bármely irányában jelen lehetnek az átvitel során. Az OTA teszteléssel ezeket a jeleket monitorozhatjuk. A jövőben a harmonikus és hamis jelek tesztelése rendkívül fontos lesz, mert biztosra kell mennünk, ha valamilyen nem kívánatos melléknyaláb létre is jön, az erőssége olyan szint alatt van, hogy nem okoz interferenciát.

4. ábra - Az 5G gNB és az omni-rendszerek közötti különbség az oka, hogy az 5G tesztek esetén az EIRP megértése, és az OTA mérések nélkülönözhetetlenek.

OTA-t használva lehetőségünk van továbbá az 5G-szinkronizációs jelblokk (5G SSB) minden egyes elsődleges szinkronizációs jelének teljesítmény mérésére is.

Az SSB jeleket folyamatosan továbbítjuk, így ezek legmegfelelőbbek az alapszintű RF mérések elvégzéséhez, ezek a jelek folyamatosan jelen vannak. Mérésükkel viszonylag kevés, de annál hasznosabb információt gyűjthetünk az 5G állomás adásáról.

Ellenben az adatcsatornákon végzett mérések sok információt nyújtanak, de ezek mérése nagy kihívást jelent, mivel ezek a beam-ek csak az után alakulnak ki, hogy egy UE létrehozott egy adatcsatornát a bázisállomással, és ezek a beam-ek a UE felé irányulnak. Tehát anélkül, hogy valamilyen signaling - vagy UE -képességgel rendelkeznénk a vizsgálóeszközökben ezeknek a beam-eknek a létrehozása és értékelése nem lehetséges. Az 5G-s analizátor egyik alapkövetelménye tehát, hogy UE-hoz hasonló funkciókkal is rendelkezzen.

A jövőben az OTA méréstechnika lecseréli a hagyományos, azaz a kábeles méréseket és új, innovatív mérési eljárásokat hozhat magával. Szakértők szerint OTA mérések végrehajtása egy repülő drónról a közeljövő bevett szokása lesz, hiszen a drónok olyan poziciókból is képesek méréseket végezni, a távoltérben, ahova technikusok és műszereik lábon nem érhetnek el. A drónos mérések tökéletesítésére már korábban is rengetek próbálkozást láttunk.


Új, jövőbe mutató teszt berendezések és méréstechnikai megoldások szükségesek, hogy a szolgáltatók tesztelhessék és ezáltal elérhessék az 5G-re vonatkozó piaci céljukat, megnyithassák az új alkalmazások és felhasználói élmények kapuit, és megváltoztassák a fogyasztók életét, valamint vállalkozások, sőt egész iparágak termelékenységét és teljesítőképességét növeljék.

5. ábra - két 5G antenna egy adótornyon. Az antennák a tápláláson kívül csak optikai bemenetettel rendelkeznek.

Az OTA mérést nem lehet más méréssel helyettesíteni. Az OTA tesztelés a hálózati felhasználók valós tapasztalatainak megfelelő mérési lehetőséget biztosít. Ez az 5G-s adó méréseinek legjelentőségteljessebb módja.