5G из космоса: роль испытаний и измерений неназемных сетей

Испытания и измерения базовых станций NTN

В настоящее время мы переживаем смену парадигмы — понятие «базовая станция» больше не применим к неназемным сетям (NTN). Вместо этого узлы сети встраиваются в спутникии перемещаются относительно поверхности Земли. В долгосрочной перспективе, т. е. в 6G, многоорбитальные сетистанут реальностью с трехмерными узлами сетина всех высотах геостационарной, низкой и средней околоземной орбиты.

Существуют несколько концепций таких сетей, которые в настоящее время проходят стандартизацию:

• В исходной концепции, которая описывается в выпуске 17, используется прозрачный режим. Другими словами, спутник работает в качестве ретранслятора, при этом радиосигнал 5G NR генерируется и принимается на наземном узле (gNB). Связь между наземным узлом и спутником осуществляется по фидерной линиимежду спутником и наземным шлюзом. Прямое соединение между спутником и устройством называется абонентская линия.
• Будущий регенеративный режим, который на данный момент является рабочим пунктом в выпуске 19, будет вносить комплексные или отдельные функции gNBв спутниковый узел доступа (SAN). Это необходимо для более быстрого принятия решений по распределению ресурсов, а также для увеличения производительности и вычислительной мощности спутникового узла. Однако ценой этого становится повышение сложности.

В настоящее время предлагаемые требования к стандартизации, которые будут играть важную роль в будущих испытаниях SAN, описываются в двух документах:

• TS38.108содержит требования к приемникам и передатчикам NTN.
• TS38.181содержит действующие требования к испытаниям.
• TS 38.101-5содержит технические условия для испытаний абонентского оборудования NTN.

Далее на рисунке 1 представлен краткий обзор тестовых сценариев и общая схема узла SAN, работающего в прозрачном режиме полезной нагрузки NTN. Испытуемое устройство состоит из следующих трех функциональных блоков: спутник (обозначается как полезная ВЧ-нагрузка NTN), шлюз и функции неназемной сети (gNB).

Испытания ВЧ-интерфейса можно условно разделить на:

• Испытания передатчика (TX)
• Чувствительность приемника (RX)
• Рабочие характеристики приемника (RX)

Испытания на передатчике проводятся по аналогии с испытаниями в наземной сети, при этом измеряются такие параметры, как мощность передачи, качество модуляции (модуль вектора ошибок) и спектральные характеристики передачи (коэффициент утечки мощности в соседний канал, паразитные излучения, спектральная маска излучения). Анализатор сигналовявляется идеальным контрольно-измерительным прибором для этих целей. В зависимости от категории спутникового узла, соединение с контрольно-измерительным прибором устанавливается через кабель или по воздуху. Эфирные испытания позволяют проводить проверку направленных антенн, которые применяются для формирования луча. Для данного типа испытаний требуются полностью безэховые камеры (FAC), а также системы позиционирования.

Для испытаний приемников имеются две концепции:

• Для измерения таких показателей, как чувствительность приемника, на испытуемое устройство с помощью генератора сигналов подается эталонный сигнал. Результатом испытания является коэффициент блоковых ошибок (BLER)на приемнике или пропускная способность передачи данных. Согласно спецификациям 3GPP пропускная способность должна достигать пороговое значение 95% в заданном эталонном канале на минимальном входном уровне. Только в этом случае испытание на чувствительность считается пройденным. Ввиду дезагрегации компонентов точкой подачи ВЧ-сигнала является вход спутника, тогда как коэффициент блоковых ошибок может быть определен только в стеке протоколов gNB.
• Вторая концепция основана на измерениях рабочих характеристик приемника, при этом по аналогии с измерением чувствительности применяется пороговое значение 95% для пропускной способности. Однако испытания рабочих характеристик моделируют высокую нагрузкуна приемник, например, путем применения профиля замирания к тестовому сигналу или путем добавления помеховых сигналов.

Оборудование для испытаний абонентского оборудования NTN

В целом, для абонентского оборудования в сетях спутниковой связи 5Gдействуют такие же требования к передатчикам и приемникам, как в наземных сетях. Однако истина кроется в мелочах: в целях испытаний применяются различные схемы и методики в зависимости от возможностей абонентского оборудования NTN и конкретного сценария использования. Например, для категории устройств NTN-IoTиспользуется архитектура малой степени сложности.

Кроме того, для таких сценариев использования, как передача текстовых сообщений или малых наборов данных, как правило, не требуется определенный профиль качества обслуживания и задержка не играет особой роли. Будущее абонентское оборудование NTN, например, терминалы с очень малой апертурой (VSAT), будут включать в себя более сложные технологии, такие как формирование луча, повышенные частоты и расширенная полоса пропускания. Для них потребуются более сложные испытания. Частотный спектримеет решающее значение в неназемных сетях ввиду множества разнообразных конфигураций: диапазоны частот NTN могут накладываться на диапазоны частот наземных сетей, располагаться рядом друг с другом или на достаточном безопасном расстоянии. Испытательная кампания также должна принимать во внимание возможные сценарии сосуществования.

Консорциум 3GPP работает над расширением требований к абонентскому оборудованию в сетях спутниковой связи в спецификации TS 38.101-5. Этот документ дополняет серию требований к абонентскому оборудованию TS 38.101-x , включая в себя аспекты неназемных сетей и соответствующие показатели:

• Мощность передачи
• Ширина спектра
• Качество модуляции
• Чувствительность приемника
• Спектральные излучения (спектральная маска излучения, коэффициент утечки мощности в соседний канал, паразитные излучения)

Для надлежащего проведения испытаний абонентского оборудования требуется имитатор системы с поддержкой соединения, которое содержит полный стек протоколови позволяет проводить ВЧ-испытанияа также испытания протоколов. На рисунке 2 представлена соответствующая испытательная установка. Абонентское оборудование в качестве испытуемого устройства подключается к имитатору системы через кабель или камеру для эфирных испытаний. Имитатор системы выполняет ВЧ-испытания и испытания протоколов, при этом испытания протоколов особенно важны для проверки сценариев установления соединения и перемещения устройства.

В число требований, предъявляемых к терминалам NTN, входит определение наземной позиции. Поэтому позиционирование на основе сигналов ГНССявляется обязательной функцией абонентского оборудования NTN. Спутниковая станция передает собственные параметры орбиты вместе с системной информацией и помогает абонентскому оборудованию корректировать сдвиг по времени и доплеровский сдвиг.

В системе испытаний неназемных сетей на соответствие стандартам генератор сигналов может имитировать сигнал ГНСС в целях определения позиции абонентского оборудования. Кроме того, в рамках испытаний для утверждения типового образца и нормативных испытаний требуются расширенные измерения спектра, такие как измерения паразитных излучений и испытания ВЧ-характеристик. Имитатор системы 5Gможет содержать дополнительное контрольно-измерительное оборудование (например, генераторы и анализаторы сигналов) для реализации дополнительных сценариев с источниками помехили расширенного анализа спектра.

Мобильный тестер радиосвязи R&S®CMX500поддерживает полностью независимые опции передачи и измерений ВЧ-сигналов LTE/FR1 и FR2, а также все текущие и будущие комбинации диапазонов частот 3GPP с пропускной способностью передачи данных до 20 Гбит/с на уровне IP. Он следует одноплатформенной стратегииRohde & Schwarz, охватывая в общей сложности диапазоны частот до 10 ГГц и подготавливая пользователей к текущим и будущим измерительным задачам. Благодаря своему интуитивно понятному графическому пользовательскому веб-интерфейсу R&S®CMsquares этот универсальный тестерзадает новые масштабы в области испытаний 5G из космоса.