A késleltetés és a szolgáltatásminőség paramétereinek mérése az 5G hálózaton keresztül

Mivel a kritikus alkalmazások, mint például a robotvezérlés, az önvezető járművek és a távoli orvosi eljárások egyre inkább a mobilkommunikációra támaszkodnak a csatlakozáshoz, a mobilhálózat-üzemeltetőknek és a rendszertervezőknek garantálniuk kell, hogy az elektronikus döntéseket gyorsan és megbízhatóan kommunikálják. Az Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC – Ultra megbízható, alacsony késleltetésű kommunikáció) elérésének elmulasztása katasztrofális eseményeket és sérülést vagy még rosszabbat okozhat.

Az 5G-n alapuló mobilkommunikációs hálózatoknak támogatniuk kell az időkritikus alkalmazásokat, ahol a gépek információkat küldenek más gépeknek, amelyekre azonnal reagálni kell. Az olyan feltörekvő technológiák, amelyek a dolgok internete (IoT) mobilkapcsolatát használják a létfontosságú döntések kommunikálására, gyorsan fejlődnek. Az autóipar az automatizált vezetés felé halad, ahol az elektronikus rendszerek teljes felelősséget vállalnak a biztonságos utazásért. Ez megköveteli, hogy a jármű körül 360°-os ívben működő fedélzeti érzékelőkből részletes információkat gyűjtsenek, és hogy az út menti videóból és más forrásokból a külső körülményekről, például az útelrendezésekről, az útépítésekről, a forgalmi szűk keresztmetszetekről és a gyalogosokról szóló információkat közöljék és cselekedjenek azonnal. Ezért kritikus jelentőségű az adatátvitel sebessége a járműbe és a járműből.
Ez azt jelenti, hogy a kommunikációs hálózatoknak robusztusnak, megbízhatónak és képesnek kell lenniük az alkalmazások fontossági sorrendjének meghatározására – a hálózatüzemeltetőknek biztosítaniuk kell az URLLC-t a telepítés során.
Annak megfelelően, hogy biztosítjuk az adatok sikeres továbbítását a hálózaton keresztül, biztosak lehetünk benne, hogy azok időben megérkeznek. Kiemelten figyelembe kell venni a szolgáltatásminőség (QoS) méréseit, mint például az átviteli sebességet, a kihasználtságot, a késleltetést, a jittert és a csomagvesztést.
A késleltetés mérése minden esetben különös kihívást jelent. A késleltetési idő mérése két tesztműszer használatával történik, mindkettőnek nagy pontossággal ugyanarra az időre kell vonatkoznia, még akkor is, ha több kilométeres távolságban vannak egymástól. Mozgó jármű esetén a késleltetést akkor kell mérni, amikor a vizsgálóműszer nagy sebességgel halad.

A késleltetés meghatározása

A késleltetés a távközlésben azt az időt jelenti, amely alatt egy adatcsomag a forrástól a célig eljut. Ez csupán egyirányú késleltetés, nem pedig a teljes Round-Trip Delay (RTD – Oda-vissza út késleltetés), és mivel a hálózatban a késleltetések ritkán azonosak az előre és visszatérő útvonalakon, nem feltételezhető, hogy az egyirányú késleltetés megegyezik az RTD osztva kettővel.
Az RTD-t gyakran a késleltetés alternatív mértékeként használják. Az RTD azonban arra utal, hogy mennyi időbe telik, amíg egy adatcsomag áthalad a hálózaton, majd a távoli végéről valamilyen visszacsatolási mechanizmuson keresztül visszakerül a forráshoz.
A Ping-tesztet is használják néha alternatívaként az RTD mérésre, mivel könnyen és olcsón elvégezhető. A Ping-et azonban általában tesztminőségű műszerek használata nélkül hajtják végre. Amellett, hogy a mobiltelefon-alkalmazások és a PC-alapú Ping eredmények durva becslést adhatnak az RTD-ről, megbízhatatlanok, és nem veszik figyelembe azt a kritikus pontot, hogy az adatok továbbítása minden irányban jelentősen eltérő időt vehet igénybe. (1. ábra)

1. ábra

 
Ha az átviteli utak tökéletes szimmetriája minden irányban garantálható úgy, hogy a késleltetések azonosak legyenek, akkor a késleltetés az RTD felének tekinthető. Ez azonban több okból is ritkán fordul elő, mivel az útvonalak hossza változhat, ha minden egyirányú adatforgalom másként van irányítva. Azt is figyelembe kell vennünk, hogy az elektronikus feldolgozás a hálózatban és a rendszerberendezésekben időt vesz igénybe, és a hálózatok túlterheltté válhatnak, pufferelést okozva. Mindez és számos más ok hálózati késedelmeket okozhat, amelyek mindegyike hatással lehet a késleltetési idő költségvetésére.

A késleltetési idő mérése

Két, egymástól esetleg távol eső helyszín között áthaladó jel késleltetési idejének méréséhez két mérőműszerre van szükség, amelyeknek az időmérő óráit globális navigációs műholdrendszer (GNSS), például GPS segítségével összehangolják és szinkronizálják. A pontos időt minden egyes vizsgálati adatcsomagban rögzítik, amikor az adatacsomag elhagyja a küldő mérőműszert. A fogadó műszer összehasonlítja ezt a pontos érkezési idővel, és kiszámítja, hogy mennyi időbe telt, amíg a csomag megérkezett a célállomásra – ez a jel késleltetése.
Az 5G-hez hasonló mobil kommunikációs hálózatoknak támogatniuk kell az időkritikus alkalmazásokat. A 3GPP meghatározása szerint az 5G egy mobil vezeték nélküli hozzáférési technológia. A mobil eszközök, amelyeket néha felhasználói berendezéseknek (UE) is neveznek, vezeték nélküli kapcsolatot létesítenek az 5G bázisállomásokkal, amelyek viszont kapcsolatot biztosítanak a szélesebb távközlési hálózatokkal. Ha az UE utazik, akkor a bázisállomás hatótávolságán belülre és kívülre kerül, és a kapcsolat átkerül egy szomszédos bázisállomásra. Mivel az egyes 5G-cellák mérete meglehetősen kicsi lehet, ez az átadási folyamat gyakran előfordulhat.
Ez felveti azt a kérdést, hogy hogyan mérhető a két helyszín közötti késleltetés, különösen akkor, ha legalább az egyik mozog. Először is biztosítani kell, hogy a mérés mindkét végén a referenciaórák szinkronizálva legyenek. Az átviteli protokollnak támogatnia kell a pontos időbélyegeket tartalmazó Ethernet tesztkeretek mindkét irányba történő továbbítását. Ezután a tesztberendezésnek képesnek kell lennie arra, hogy a földrajzi hely mellett az eredményt is rögzítse, hogy teljes mértékben megértsük, milyen késleltetési teljesítményt értünk el. (2. ábra)

2. ábra Network Master egyidejű fel- és lekapcsolási késleltetés mérése egy meghajtási teszt során – Anritsu MT1000A

 
A mobilhálózat-üzemeltetőknek (Mobile Network Operator – MNO) megbízható földrajzi lefedettséget kell garantálniuk. Ennek egyik módja az, hogy egy vagy két másik mobilhálózat-üzemeltetővel társul. Ezután, ha a hálózati lefedettség nem érhető el az elsődleges mobilszolgáltatótól, lehetőség nyílik az alternatív hálózatra való átállásra, a szolgáltatás minőségének fenntartása mellett. Ezért fontos, hogy ne csak az elsődleges MNO, hanem a támogató MNO szolgáltatásminőségét is egyidejűleg mérjük. Ebben a példában egyszerre két MNO szolgáltatásait teszteljük (4. ábra).
Az Anritsu tesztberendezéssel sikeres egyidejű Up-Link és Down-Link késleltetésmérés érhető el, GPS-helyekre vonatkoztatva.
A 3. ábrában a két vizsgálóeszköz a késleltetést, a jittert és minden más szolgáltatásminőségi paramétert mér egy közlekedő jármű és a hálózat egy rögzített helye között. A mobil útválasztók dedikált teszt SIM-kártyákkal rendelkeznek, amelyek APN-jei fix IP-címeket támogatnak.

3. ábra

4. ábra

 
Mindkét vizsgálóeszköz órája GPS-szinkronizálva van. A műszer a GPS-pozíciót is naplózza, így a QoS-mérések rögzítésekor az utazó jármű pontos helyzete ismert. A műszer folyamatosan mér, és minden paraméter esetében egy másodperces időközönként rögzítésre kerülnek a maximális, a minimális és a számított átlagértékek. Az eredményfájlok a tesztelő visszajátszásához tárolhatók, és .csv formátumban exportálhatók.
A QoS-paraméterek értékeinek a megfelelő GPS-helyzettel való korrelációja lehetővé teszi .kml fájlok létrehozását, amelyek a szabványos térképező szoftverekkel megtekinthetők, és az értékek színkódolással társíthatók, így hőtérképet lehet készíteni, amely könnyen azonosítja a problémák előfordulási helyét.
Ebben a példában a tesztkészüléket 2023 januárjában a barcelonai FIRA kiállítási központban tett séta közben kézben vitték. Az 5. ábra képein látható eredménytérkép a down-link (lefelé irányuló) kapcsolat késleltetésére vonatkozó eredményeket mutatja.

5. ábra

 
Ezenkívül a hálózatok statisztikai elemzése felhasználható például kumulatív eloszlásfüggvények (CDF) és eloszlási görbék létrehozására, az e vizsgálatok során szerzett igen pontos és kiterjedt adatsorok alapján.
Összefoglalva, a küldetéskritikus alkalmazások jellegéből adódóan, amelyek gyors és pontos információközlésre támaszkodnak, és az ebből eredő döntések alapján kell cselekedni, a késleltetés gyorsan az adatkommunikációs hálózatok egyik legfontosabb minőségi mérőszámává válik.
Az olyan alkalmazások, mint az automatizált vezetés és a gép-gép közötti kommunikáció az automatizált folyamatokban egyre gyakoribbá válnak. Az URLLC fenntartásának biztosítása érdekében az 5G hálózatokban a késleltetés talán a legfontosabb döntő paraméter, amelyet teljes mértékben meg kell érteni és kezelni kell. Nem elegendő az alapvető Ping-eszközökkel végzett minősítetlen RTD-mérésekre támaszkodni, nem egyszerűen a Ping-hez kapcsolódó kétséges pontosság és bizonytalanság miatt, hanem azért is, mert a hálózatok és más eszközök minden irányban változó időkésleltetésekkel járnak. A késleltetés és a jitter mérése csak megfelelő tesztminőségű eszközökkel biztosítható a hálózaton keresztül.

www.anritsu.com