Требования к системе тестирования сетей 5G

Технология 5G предполагает многократное увеличение пропускной способности, спектральной и энергетической эффективности сотовых сетей при уменьшении задержки передачи до 1 мс. Продукция компании Ixia хорошо подходит для тестирования сетевых решений LTE Advanced Pro (LTE-A Pro), в которых имеются элементы технологии 5G, включая использование нелицензируемых диапазонов частот, повышение скорости передачи данных с помощью агрегации несущих, MIMO (Multiple Input Multiple Output) и высокоуровневой квадратурной амплитудной модуляции (QAM). Планы развития продукции Ixia предусматривают поддержку устройств 5G-NR, когда они появятся.

В связи с развитием сетей 5G в течение ближайших пяти лет, производители сетевого оборудования и операторы связи столкнутся с новыми проблемами тестирования своих аппаратных и программных средств, а также полных (end-to-end) инсталляций сетей. Технология 5G, как она сейчас представляется, довольно сильно отличается от технологии 4G/Long Term Evolution (LTE) и сочетает в себе некоторые сложнейшие аспекты существующих подходов к построению сетей. Технология 5G будет использоваться для обеспечения работы множества потенциально революционных приложений, указанных на голубом фоне (рис. 1).

Рис. 1. Потенциально революционные приложения, работа которых будет обеспечена на базе разрабатываемых стандартов 5G

Компания Ixia лидирует в области тестовых решений, предложив первую на рынке архитектуру системы тестирования Advanced Pro (prе-5G). Доступные сегодня аппаратные и программные средства позволяют реализовать поистине новою архитектуру системы тестирования сетей 5G, с помощью которой операторы связи и поставщики оборудования смогут аттестовывать свои сетевые конфигурации и проверять работоспособность их аппаратных и программных компонентов.

см. также

Варианты использования

Архитектура системы тестирования должна эволюционировать вместе с технологией 5G и адаптироваться к ней, эффективно обеспечивая три основных варианта использования сетей 5G, предусмотренных консорциумом Third-Generation Partnership Project (3GPP). Для справки: 3GPP занимается развитием технологий сетей мобильной связи, работая совместно с более широко известной ассоциацией GSM Association (GSMA), представляющей операторов.

Три основных варианта использования сетей 5G (см. также рис. 2):

Улучшенный мобильный широкополосный доступ (enhanced Mobile Broadband, eMBB). Это результат эволюции сегодняшних сетей 4G/LTE. Подобно LTE-доступу, предназначен для трансляции потокового видео, проведения конференций и обеспечения базовой широкополосной связи, но с большим акцентом на емкость восходящего канала (uplink). Скорость передачи в направлении пользователей (downlink) возрастет на порядок — до 10–20 Гбит/с на соту. По мнению аналитиков, в ряде случаев сети 5G будут заменять собою фиксированные широкополосные соединения. Вариант eMBB будет основным для самых первых сетей 5G.
Массовая межмашинная связь (massive Machine Type Communications, mMTC). Это результат эволюции сегодняшних решений типа «Интернет вещей» (IoT). В новых решениях будет на несколько порядков больше оконечных узлов. Эти решения будут ориентированы на обеспечение эффективности энергопотребления и поддержку очень высокой плотности размещения узлов.
Сверхнадежная связь с низкой задержкой (Ultra-Reliable and Low Latency Communications, URLLC). На данном виде связи основан абсолютно новый набор приложений, которые нуждаются в низкой задержке, высокой надежности и (во многих случаях) большой пропускной способности решений для сетей 5G. К этим приложениям относятся приложения с виртуальной и дополненной реальностью, удаленная хирургия в реальном масштабе времени (тактильный Интернет) и программное обеспечение для автономных транспортных средств. Для работы названных приложений должны использоваться надежные высокоскоростные соединения.

Рис. 2. Системные требования IMT-2020, соотнесенные с вариантами использования сетей 5G

Не все эти варианты использования станут возможными в одно и то же время, что позволит по мере развития сетей 5G постепенно совершенствовать архитектуры систем тестирования, поставляемых производителям сетевого оборудования и операторам связи.

Технологическая дорожная карта 3GPP

Анализ технических требований к сетям 5G, описанных ассоциацией GSMA и одобренных операторами, показывает, что базовым требованием является поддержка скоростей передачи данных 10–20 Гбит/с на соту с передачей данных одному пользователю на реальной (воспринимаемой) скорости 1 Гбит/с при задержке менее 1 мс. В этом есть большое отличие от технологии LTE, которая рекламируется с указанием высоких максимальных скоростей передачи данных, но пользователи редко достигают таких скоростей (если вообще когда-либо получают их). Такие скорости непросто обеспечить даже с помощью фиксированных широкополосных сетей. Для этого потребуется изменить архитектуру последних.

Столь высокие технические требования подразумевают сеть, которая:

способна поддерживать передачу значительно больших объемов данных;
безопасна;
является достаточно гибкой для поддержки (в перспективе) триллионов устройств (в рамках решений IoT);
адаптируема к приложениям.

Эффективным способом понять пути развития сетей 5G является соотнесение данных требований с двумя фазами разработки будущего стандарта IMT-2020. Фаза 1 ориентирована на быструю доступность сетей 5G и эволюцию существующих инфраструктур LTE. Спецификации, разработанные в рамках этой фазы, войдут в набор спецификаций 3GPP Release 15. Это будет неавтономная (non-standalone) версия сети 5G, где инфраструктура 5G присоединена к опорной сети 4G LTE. По оценкам аналитиков, такая сеть будет стандартизована консорциумом 3GGP к концу 2017 года. Автономная версия сети (Фаза 2) будет определена в 2019 году или раньше. Коммерческие автономные сети 5G появятся в 2020 году или позднее. Спецификации этих сетей войдут в 3GPP Release 16.

Чтобы разработать архитектуру системы тестирования при таком прогрессе в развитии технологий мобильной связи, рекомендуется проанализировать варианты использования сетей 5G, а не саму технологию 5G. Например, можно смоделировать 10 основных сценариев работы пользователей и определить подходящую архитектуру. Для проверки сенсора IoT, автономного транспортного средства, потоковой передачи фильма в формате HD или возможности удаленной хирургии требуется различный функционал системы тестирования.

Возможности сетей 5G

Ассоциация GSMA сформулировала перечень целевых показателей для сетей 5G. Все они не будут достигнуты одновременно из-за технологических или (что более вероятно) коммерческих ограничений. Как уже говорилось выше, базовым техническим требованием является стабильная скорость передачи 1 Гбит/с при задержке 1 мс. Но это далеко не все.

К желаемым целевым показателям также относятся: воспринимаемый пользователем коэффициент готовности сети 99,999%, 100%-ный охват обслуживаемой территории, 10-кратное снижение потребления электроэнергии сетью и 10-летнее время работы маломощных устройств от батареи. И все это при 1000-кратном увеличении эффективной пропускной способности на единицу площади, то есть речь идет о будущих базовых станциях, пропускная способность которых в 1000 раз выше, чем у нынешних базовых станций. Это будет достигнуто за счет использования более высоких несущих частот. При таких частотах предполагается более высокая плотность размещения сот (то есть использование микросот), что в свою очередь потребует гораздо более высокой плотности соединений в транспортных сетях. На воспринимаемый пользователем коэффициент готовности сети влияет роуминг, реализовать который значительно сложнее при вышеописанных требованиях к сети 5G. Однако, проанализировав все три варианта использования сетей 5G, становится ясно, что роуминг реально применим только в случае eMBB, при котором пользователи также могут переключаться на сети 4G/LTE.

Одной из самых больших трудностей при построении сетей 5G будет обеспечение требуемой задержки передачи. Для достижения нужных значений пропускной способности и коэффициента готовности известны инженерные решения, включая установку дополнительного оборудования и выделение дополнительных полос частот. Но мы не можем изменить скорость света, тогда как некоторые приложения для сетей 5G, включая приложения с виртуальной реальностью и системы распределенного управления, требуют реагирования (на команды) в масштабе реального времени. В настоящее время задержка в сетях LTE может быть около 40 мс или более, что негативно влияет на производительность приложений и восприятие качества обслуживания пользователями.

Применительно к сетям 5G уменьшение задержки на порядок предполагает размещение некоторых серверов и информационных хранилищ вблизи базовых станций. Стимулом к реализации такого рода решений станет снижение стоимости предоставления услуг, а не обеспечиваемый ими доход. Выполнению технических требований к сетям 5G будут способствовать проводимые сотовыми операторами работы, включая развертывание периферийных ЦОДов и развитие волоконно-оптических инфраструктур, по реализации распределенных облаков. Возможны различные подходы к построению периферии сети. Их выбор зависит о того, кто строит сеть и предоставляет контент.

Сети 5G будут работать на гораздо более высоких частотах, чем рабочие частоты сетей, основанных на более старых технологиях. В настоящее время рассматриваются возможности использования частот до 70 ГГц (рис. 3). Предполагается применение ряда технологий беспроводных сетей, включая формирование луча (beamforming) и MIMO. Возможно, что различные сервисы, предъявляющие различные требования к характеристикам радиосвязи, будут использовать различные частоты. Базовым документом, определяющим функционирование радиоинтерфейса 5G, является разрабатываемый стандарт 5G New Radio (NR), первая часть которого войдет в набор спецификаций 3GPP Release 15. Любое тестовое оборудование должно поддерживать рабочие частоты сетей 5G и обеспечивать их тестирование на помехоустойчивость.

Рис. 3. Полосы частот, рассматриваемые для утверждения на конференции WRC-19

Значительно возросшее число оконечных узлов может быть обслужено за счет использования более высокой пропускной способности радиоканалов, конструкций антенн, позволяющих эффективно задействовать эту пропускную способность и обслуживать огромное число пользователей, и адресного пространства протокола IPv6.

Более интересной является концепция деления мобильной сети на логические сети (network slicing), которая позволяет динамически и автоматически увеличивать и уменьшать емкость сети для поддержки определенных случаев ее использования, а также адаптировать и координировать работу сетевых сегментов для доставки определенных потоков определенным оконечным узлам в заданное время.

Будь то сеть одного оператора или разделяемая инфраструктура, любая архитектура системы тестирования должна правильно характеризовать разделение сети на логические сети и информировать об услугах, предоставляемых по каждой логической сети с указанием задержки, скорости передачи и коэффициента доступности. Учитывая большую роль, которую играют программное обеспечение и сервисы в этой архитектуре, можно использовать термин Software-Defined Test (SD-Test). Архитектура системы тестирования должна соответствовать архитектуре самой сети 5G, поддерживать инфраструктуры SDN/NFV и сетевые функции, обеспечивающие максимальную гибкость сети на базе архитектуры микросервисов.

Улучшенный мобильный широкополосный доступ

При этом варианте использования сети 5G пользовательский опыт основан на воспринимаемой скорости передачи данных по восходящему и нисходящему каналам. Это означает, что сеть должна иметь достаточно большую емкость, которая зависит от ширины полосы рабочих частот и энергоэффективности сети. Система тестирования должна масштабироваться для соответствия предполагаемому 100-кратному увеличению емкости сети и эффективной скорости передачи данных, моделировать работу радиотехнических средств в новых полосах частот, например около 6 ГГц. Кроме того, система тестирования должна моделировать макросоты и малые соты, имитировать работу различных приложений, включая передачу видео в формате HD и видео-конференц-связь.

Решение компании Ixia, основанное на ПО IxLoad и нагрузочном модуле XAir2, дает возможность сервис-провайдерам, промышленным предприятиям, производителям сетевого оборудования и наборов микросхем, разрабатывающим продукты и сервисы, тестировать аппаратуру LTE-A Pro и даже эмулировать сети в целом для выполнения требуемых сценариев тестирования. Данное тестирование обеспечит полезный опыт, который поможет разрабатывать системы для испытаний сетей 5G.

Основные возможности технологии LTE-A Pro, поддерживаемые данным тестовым решением Ixia:
Агрегация несущих. В технологии LTE-A Pro предусмотрена агрегация до 32 несущих для формирования каналов с повышенной пропускной способностью. Для увеличения числа используемых несущих потребуется задействовать нелицензируемые полосы частот.
Антенны. Технология LTE-A Pro поддерживает конфигурации SISO (Single-Input Single-Output) и MIMO. Конфигурация MIMO используется в сетях LTE и Wi-Fi для повышения их пропускной способности. В технологии 5G эта конфигурация получит развитие в виде massive MIMO (многоэлементных MIMO-антенн).
Скорость передачи данных. Ее можно повысить за счет увеличения числа битов, передаваемых в одном символе. В технологии LTE-A Pro предусмотрена модуляция 256-QAM (8 бит на символ), а в технологии 5G — модуляция 1024-QAM (10 бит на символ) и более эффективные способы передачи.
Частоты. Технология LTE-A Pro допускает работу сетей в нелицензируемом спектре 5G и на новых частотах около 400 МГц. Опыт тестирования оборудования в широких полосах частот поможет тестировать оборудование миллиметрового диапазона длин волн.

Решение компании Ixia на базе ПО IxLoad обеспечивает функциональное и нагрузочное тестирование (с измерением показателей QoE) как отдельных элементов сети LTE (включая узел eNodeB, шлюз SGW и др.), так и сетевого тракта в целом (от радиоинтерфейса до серверов приложений). При тестировании инфраструктурного устройства сети LTE (например, узла eNodeB) решение Ixia имитирует другие сетевые элементы, с которыми испытуемое устройство взаимодействует в реальной сети (в случае тестирования eNodeB имитируются пользовательские устройства, другие eNodeB, MME и SGW). Для испытаний всего сетевого тракта и элементов ядра сотовой сети могут быть сымитированы подсистема IMS и внешние IP-сервисы. Возможно тестирование не только физических, но и виртуальных компонентов сотовой сети, реализованных по технологии NFV. Также продукция Ixia позволяет испытывать основанные на технологии Wi-Fi решения для разгрузки сотовых сетей (Wi-Fi Offload).

Нагрузочный модуль XAir2, предназначенный для тестирования eNodeB на всех уровнях модели OSI, способен имитировать до 4 тыс. пользовательских устройств LTE с реалистичным трафиком. При подготовке испытаний можно задавать различные типы виртуальных пользователей сотовой сети (например, это может быть геймер, участвующий в многопользовательских играх, или корпоративный абонент, использующий видео-конференц-связь и IPsec VPN) и их действия в сети. Модуль XAir2 передает тестовые сигналы по кабелю (через интерфейс CPRI) и по радио (посредством внешнего блока RadioHead). В составе тестовых решений компании Ixia могут быть аппаратные интерфейсы и распространяемые по подписке экономически эффективные виртуальные тестовые порты.

При использовании в паре с тестовым комплексом Ixia PerfectStorm нагрузочный модуль XAir2 помогает операторам и производителям сетевого оборудования подготовится к внедрению решений 5G, благодаря поддержке многих усовершенствований технологии LTE (pre-5G), включая LTE in unlicensed spectrum (LTE-U), Licensed Assisted Access (LAA), Narrow Band IoT (NB-IoT), агрегацию многочисленных несущих в нисходящих и восходящих каналах, 4×4 MIMO, 256-QAM, LTE Dual Connectivity и др.

Массовая межмашинная связь

При реализации массовой межмашинной связи (mMTC) усиленный акцент будет делаться на обеспечении высокой плотности соединений (до 1000 раз выше, чем у ныне существующих сетей), снижении потребления электроэнергии оборудованием (в перспективе до 1% от нынешнего энергопотребления) и глубине охвата обслуживаемой местности. В этом варианте использования сети 5G широкая полоса пропускания и малая задержка не столь важны, но поддержка IPv6 необходима. В значительной мере системы mMTC являются расширением сегодняшних сетей 2G/3G IoT. Будет проведена большая работа по проектированию оптимизированных, недорогих и долговечных сенсоров с низким энергопотреблением.

Использование нагрузочного модуля XAir2 компании Ixia, поддерживающего большое число сеансов, станет для операторов первым шагом в реализации различных типов тестирования IoT-решений.

Сверхнадежная связь с низкой задержкой

Этот непростой вариант использования дает возможность задействовать такие приложения, как средства виртуальной реальности и системы автономного контроля. Возможность функционирования этих приложений будут зависеть не только от внедрения вышеописанного New Radio, но и от реализации новой программно определяемой архитектуры без состояния (stateless), содержащей распределенные контент и приложения. Этой архитектуре соответствует подход SD-Test.

Для данного вида связи, возможно, не потребуются столь же высокие скорости передачи данных, как при улучшенном мобильном широкополосном доступе, зато надо будет обеспечивать мобильную связь на высоких скоростях движения транспортных средств — до 500 км/ч (с такой быстротой ходят высокоскоростные поезда), малую задержку (до 1 мс) и высокую надежность работы с уровнем потерь пакетов 1 из 100 миллионов. Кроме того, для систем URLLC должен быть реализован высочайший уровень информационной безопасности. URLLC будет определен после eMBB.

Компания Ixia разрабатывает тестовое оборудование и ПО для эффективного моделирования URLCC с учетом требований по скорости, надежности и задержке. Кроме того, архитектура создаваемой системы тестирования должна правильно моделировать программно определимую сетевую архитектуру и представлять собой SD-Test. Что касается радиоинтерфейса системы тестирования, то он еще полностью не определен, но известно, что будет основан на технологии OFDM и поддерживать сверхширокополосные каналы для реализации случаев тестирования eMBB. Для достижения низкой задержки потребуется оптимизировать несколько baseband-компонентов и интерфейс, ближайший к беспроводному интерфейсу.