A fejlesztők már az 5G útjait keresik

A Keysight szakmai szemináriuma

A mai okostelefonok egy része még 3G-technológiával „botorkál” az interneten. A szolgáltatóknak még sokat kell dolgozniuk, hogy az előfizetők túlnyomó része élvezhesse a 4G nagyobb letöltési sebességét és kisebb latenciaidejét. A fejlesztők azonban már előbbre néznek: az ötödik generáció lehetőségeit kutatják. Ez az útkeresés nem lenne lehetséges olyan műszerkínálat nélkül, amellyel a különféle megvalósítási elgondolások gyakorlati használhatósága tesztelhető.

A H TEST Hungary Kft. mint a Keysight Technologies termékeinek kizárólagos magyarországi forgalmazója szeptember 21-én a BME egyik előadótermében szemináriumot tartott a vezetékmentes kommunikációs szolgáltatások iránt érdeklődő szakembereknek. A rendezvény tárgya egy ma még nem is létező technológia, a mobilkommunikáció ötödik generációja, az 5G fejlesztésének állapota, valamint azok a műszerek, amelyekkel az új generációs átviteli módszerek kísérletei elvégezhetők, az egyes feltevések „életrevalósága” igazolható vagy cáfolható. Azt állítottuk: az 5G még nem létezik – de ezt azzal kell kiegészítenünk, hogy ugyanakkor nem is a mobilkommunikáció „ködös távlatokba vesző” elképzelése, hanem nagyon is kiszámíthatóan belépő új technológia, amely a ma aktív generáció számára néhány év múlva mindennapi eszközként lesz elérhető. Érdemes tehát áttekinteni az 5G-vel kapcsolatos igényeket, ismereteket és elképzeléseket Hervé Oudin, a Keysight Technologies meghívott szakemberének előadása nyomán.

Az 5G víziója és követelményei

Az 5G képességei teljesen „felforgatják” mindazokat az elképzeléseinket, amelyekkel eddig a mobilkommunikációval kapcsolatban rendelkeztünk. Ez a technológia minden eddiginél jobban beleszövődik majd a gazdaság reálfolyamataiba, számos új szereplőt von be a kommunikációba a cégek egymással és a fogyasztóikkal tartott kapcsolatainak hatékonyabbá tételével. Az 5G új architektúrája és hálózati hozzáférést biztosító technikái egy sokkal gazdagabb mobil ökoszisztémát jeleznek előre az IoT-alkalmazásokon, a személyi és háztartási, nyilvános és biztonsági szolgáltatásokon, a közlekedésen és nem utolsósorban az ipari termeléssel közvetlenül összefüggő területeken. Az 5G specifikációját fontos társadalmi igények figyelembevételével kell megfogalmazni: 1000-szeres növekedést a területegységre vonatkoztatott mobil adatforgalomban (10 Tbit/s/km² nagyságrendben) és a csatlakoztatott végkészülékek számában (106 darab végpont/km²). Százszoros növekedést a végpontok kívánt adat-csúcssebességében (10 Gb/s), a 2010-es szintű energiafogyasztás tizedére csökkenését, 5 ms latenciaidőt a hagyományosabb internethasználatban, és 1 ms-os latenciát a járművek közötti kommunikációban.
Az 5G fejlesztését olyan nemzetközi támogatás kíséri, mint az EU Horizon 2020 programjának részeként működő 5G Public-Private-Partnership (5G PPP). Az NGMN-projekt elsősorban a szolgáltatók iránti követelményeket fogalmazza meg – jelentős szerepe volt a mára „mainstream” globális mobiltechnológia, az LTE sikerében is. Néhány új fogalom rövidítésének elterjedésére is számíthatunk a jövőben:

• eMBB – Enhanced Mobile Broadband (kiterjesztett mobil sávszélesség): 10…20 Gb/s csúcsteljesítmény, 50 Mb/s akármikor, hacsak szükséges, 10 000-szeres forgalom, akár 500 km/h-val mozgó járműveken is működjön, egyszázadnyi energiafelhasználással.

• mMTC – Massive Machine Type Communication (tömeges gépi kommunikáció): 2×10⁵ km² eszközsűrűség, nagy hatótávolság, alacsony adatsebesség (1…100 kb/s), rendkívül olcsó gép–gép kommunikáció, 10 év elemélettartam, aszinkron hozzáférés.

• UR/LL – Ultra Reliability, Low Latency (rendkívüli megbízhatóság, kis latenciaidő): 1…5 ms latenciaidő, 99,9999% rendelkezésre állás, kicsi/közepes adatsebesség (50 kb/s…10 Mb/s).

 
Az 5G kétféle megvalósítási stratégiát egyesít:

• Evolúció: a létező technológiák (<6 GHz) továbbfejlesztése (új hullámformák és rádióhozzáférési technikák (Radio Access Technology – RAT) használatba vétele, új <6 GHz-es sávok bevonása, nagy sűrűségű (kiscellás) hálózatok és WLAN-hozzáférési pontok alkalmazása, az LTE továbbfejlesztése (LTE Advanced Pro). 

• Revolúció: a cm-es és mm-es hullámhossztartomány használatba vétele, tömeges párhuzamosítás, új hullámformák és új RAT, sávon belüli teljes duplex átvitel, központosított és szoftvervezérelt hálózati architektúrák (visszafelé kompatibilisen a létező technológiákkal).

Az 5G új és rugalmas frekvenciasáv-hasznosítás nélkül megvalósíthatatlan. Engedélyköteles és szabad felhasználású sávokat egyaránt használatba kell venni, akár a 100 GHz-es frekvenciákig is, de a 2020-ra tervezett kereskedelmi bevezetés főként a 6 GHz-nél kisebb hordozófrekvenciákon történik majd. A frekvenciatartományok alkalmazási lehetőségeit mutatja az 1. ábra.

1. ábra Az 5G-ben felhasználásra tervezett frekvenciasávok sajátosságai (nem méretarányos, tájékoztató kép)

A nagy mobileszközgyártók gyakorlatilag függetlenül dolgoznak az 5G-technológia megvalósításain, és saját menetrendet készítenek a lehetséges használatbavételről. A hullámformák területén a nagyobb spektrális hatásfok, a kis latenciaidő, a gép–gép (M2M) kapcsolatok sajátos igényét helyezik előtérbe, csökkenteni kívánják a csúcs- és az átlagos teljesítményfelvétel arányát, kisebb zavarójel-emisszióra törekednek, és kevésbé bonyolult megoldásokat keresnek. A többszörös hozzáférési sémát a spektrum dinamikus kiosztása, az egyszerűbb jelzésátviteli és vezérlési „háttérműveletek”, a kis latencia és a hatékony multiplexelés érdekében kívánják alkalmazni. Eltér a nagy fejlesztési erőforrásokat mozgósító cégek stratégiája a frekvenciahasználat előrejelzésében: a Samsung például a 4G-ről az 5G-re egy közbenső, „4.5G-fázis” közbeiktatásával lépne, az 5G-t 2020-ban látja bevezethetőnek a <6GHz-sávban, és 2025-re jelzik a milliméter-hullámú (mm-W) sávok használatbavételét. A Huawei viszont egyes részfunkciókat már korábban demonstrál: 73 GHz-es MIMO (Multiple In-Multiple Out) technikát mutat be az idén. A körsugárzó antennák helyett energiatakarékosságból a fázisvezérelt antennarácsokkal megvalósított, irányított sugárzás alkalmazását fontolgatják (2. ábra). Előnye, hogy az energia oda megy, ahova szükséges, a nagyobb antennanyereség kisebb interferenciával jár, a nagyobb frekvenciával pedig nő a sávszélesség. Hátránya a több antennaelem esetén növekvő bonyolultság, valamint a mobileszköz felkutatása és követése (gyakorlatilag radartechnikai feladat). 

2. ábra Kísérleti fázisvezérelt antennarács (IBM) 94 GHz-es hordozófrekvenciára

A Keysight hozzájárulása az 5G „célba juttatásához”

Ha egy mobilkommunikációs technológia szabványa végleges és elfogadott, akkor egy műszergyártónak az a fő feladata, hogy műszereket, mérőautomatákat állítson elő arra a feladatra, hogy egy kommunikációs eszköz megfelel-e a szabványos specifikációnak, illetve gyártás közben ellenőrizze a részegységek megfelelőségét, és végül műszereket kínáljon arra a célra is, hogy az adott kommunikációs szabványnak fenntartott frekvenciasávokban a technológia működését zavaró jelforrásokat derítsen fel. Amint azonban az 5G-technológia eddigi – korántsem teljes – áttekintéséből is látható, az még nem végleges. Mit tehet a műszergyártó egy ilyen „útkeresési” fázis elősegítéséért? 

A Keysight felmérte azokat a lehetséges technológiai megközelítéseket, amelyekkel az 5G iránti követelmények teljesíthetők, és olyan műszereket, műszer-összeállításokat kínál a felhasználóknak, amelyekkel e technológiákkal kísérletek végezhetők, illetve az eredmények összevetésével a potenciális „jelölt” technológiák képességei értékelhetők. Ezek a műszerek legnagyobbrészt a Keysight már gyártásban levő termékei – tehát mondhatnánk, hogy nincs semmi teendő, a műszerek rendelkezére állnak, lehet dolgozni. A Keysight Technologies azonban ennél tovább lépett: olyan flexibilis eszköz-összeállításokat („mérőpadokat”) hozott létre, amelyekkel az 5G-vel kapcsolatos kutatások nagy részéhez potenciálisan szükséges mérések elvégezhetők. Azért említünk „eszközöket” a „műszerek” helyett, mert a Keysight hatékony szoftvereszközökkel is támogatja a vizsgálójelek előállítását és a mérési eredmények értékelését a tervezésszimuláció (SystemVue), a jelgenerálás (SignalStudio) és a jelanalízis (89600VSA) eszközeivel. A jelalak és a vivő „fizikai” előállítására hullámforma-generátorok (pl. M8190A) és szignálgenerátorok (E8267D), a vizsgált jel elemzésére pedig oszcilloszkópok (DSO-Z634A), jelanalizátorok (pl. N9040B vagy N9030A) használhatók. A tudósító – hajdani oktatóként – érdeklődéssel figyelt olyan, a Keysight által kidolgozott esettanulmányokat (pl. valamely 5G „technológiajelölt” együttélését, kölcsönös kompatibilitását a létező LTE-technológiával), amelyek szinte változtatás nélkül mérnök hallgatók laboratóriumi gyakorlataként is felhasználható lenne.
Mint a H TEST ügyvezetőjétől megtudtuk, az eseményt nem véletlenül rendezték a BME területén: az oktatás fokozottan érdeklődik az 5G „felépítésének” folyamatába való mielőbbi „becsatlakozás” iránt.
A tudósítás szűk kereteiben az elhangzottak töredékét sem sikerülhetett visszaadni. A részletek iránt érdeklődők a Keysight-termékek hazai hivatalos forgalmazója, a H TEST Hungary Kft. ad bővebb felvilágosítást.

Tóth Ferenc

Még több H TEST