Pomiary 5G

Bardzo duży wzrost zapotrzebowania na transmisję danych na początku XXI wieku był przyczyną rozpoczęcia prac nad nowym standardem telefonii komórkowej. Pierwsze komercyjne sieci 5G pojawiły się w 2019 r. (w Polsce w maju 2020 r.). Wykorzystują one interfejs radiowy 5G NR (New Radio). Sieci 5G będą łączyć w sobie trzy segmenty:

• mMTC (Massive Machine Type Communication, IoT), będący ewolucją istniejących technologii NB-IoT, LTE-M, WiFi, GSM, Bluetooth, Lora; wyzwaniem będzie ogromna liczba urządzeń (średnio milion na km²) wymagająca nowej technologii dostępu radiowego (wykorzystywane będą te same pasma częstotliwości);
• eMBB (Enhanced Mobile Broadband), zapewniający bardzo szybki transfer danych i wykorzystujący pasma częstotliwości milimetrowych mmWave (f > 24 GHz);
• URLLC (Ultra Reliable and Low Latency Communications), nakierowany na zastosowania wymagające bardzo dużej niezawodności i małego opóźnienia (poniżej 1 ms), do których można zaliczyć pojazdy autonomiczne, telemedycynę, procesy sterowania produkcją; ważne tu będzie zapewnienie czystego widma i maksymalne zredukowanie zakłóceń radioelektrycznych.

System 5G będzie oparty o następujące filary:

• nowy zakres częstotliwości mmWave, który wymusi bardzo duże zagęszczenie komórek ze względu na niekorzystne własności propagacyjne (wzrost tłumienia wolnej przestrzeni, wpływ silny wpływ deszczu, mgły i gazów atmosferycznych);
• układy antenowe mMIMO pozwalające na tworzenie statycznych i dynamicznych (umożliwiających śledzenie terminali) wiązek, posiadające duży zysk energetyczny pozwalający poprawić niekorzystny bilans energetyczny łącza szczególnie w zakresie mmWave;
• jednoczesna łączność terminala z systemem LTE i 5G (w trybie pracy niesamodzielnej non stand-alone), wymuszające rozwiązania umożliwiające bezkolizyjną pracę obu systemów.

Interfejs radiowy 5G NR stanowi rozwinięcie interfejsu wykorzystywanego w systemie LTE.

Stacje bazowe dotychczasowych systemów komórkowych posiadały anteny o znanej charakterystyce promieniowania, która nie zmieniała się w czasie. Cały sektor był stale oświetlany jedną wiązką z anteny. Jej charakterystyka promieniowania była dokładnie zmierzona przez producenta. Zasięgi symulowane przez komputer dość dobrze zgadzały się z zasięgami rzeczywistymi (zarówno użyteczne, jak i zakłóceniowe). Można było precyzyjnie obliczyć strefy ochronne BHP i ochrony środowiska wokół anteny. Stacje bazowe dotychczasowych systemów pracują z dupleksem częstotliwościowym FDD – sygnał do terminala jest nadawany zawsze na tej samej częstotliwości. Kanał kontrolny nadaje z najwyższą mocą, zaś sygnały kanałów roboczych zmieniają moc w zależności od tłumienia trasy do terminala ruchomego.

W systemie 5G wykorzystywane będą układy antenowe mMIMO. Antena mMIMO będzie wytwarzać kilka – kilkadziesiąt niezależnych, statycznych wiązek (do 4, 8 lub nawet 64 w pasmie mmWave) o orientacji wynikającej z planowania radiowego. W przyszłości wiązki będą dynamicznie śledzić terminal ruchomy. Zasięg w systemie 5G określają wiązki, a nie sektory. Telefon przełącza się między wiązkami pochodzącymi z tej samej lub z różnych stacji bazowych. Charakterystyka promieniowania anten stacji bazowych nie jest zmierzona dla każdej możliwej orientacji wiązki – może się zdarzyć, że dla jakiegoś kierunku zysk energetyczny będzie wyższy niż zakładany w planowaniu radiowym. W efekcie zasięgi obliczone mogą się różnić od zasięgów rzeczywistych – wzrasta poziom zakłóceń (może też zmaleć, podobnie jak zasięg użyteczny). Podobna sytuacja występuje dla stref ochronnych wokół anteny. Sygnał 5G wykorzystuje dupleks czasowy TDD – na tej samej częstotliwości nadaje raz stacja bazowa, a raz terminal. Nie da się zatem zmierzyć prawidłowo natężenia pola elektrycznego ze stacji bazowej, ani zakłóceń w tym samym pasmie, jeśli nie dysponujemy miernikiem z analizą bramkowaną (odbiera tylko w chwili nadawania sygnału ze stacji bazowej  – pomiar natężenia pola elektrycznego lub w chwili nadawania terminala – pomiar zakłóceń radioelektrycznych). Maksymalna moc jest wysyłana przez stację bazową w ściśle określonych chwilach, gdy nadawany jest tzw. blok SSB.

Utrzymanie dobrej jakości transmisji w sieci 5G wymagać będzie pomiarów sygnałów 5G w terenie. Pomiary będą wykonywane przez operatorów telefonii komórkowej w celu kontroli działania stacji bazowych (uruchamianie i eksploatacja sieci), potwierdzenia założeń planowania radiowego, kontroli czystości widma przed zagospodarowaniem nowych pasm częstotliwości i w trakcie ich eksploatacji, weryfikacji rzeczywistych zasięgów użytecznych i zakłóceniowych oraz weryfikacji stref ochronnych BHP i stref ochrony środowiska. Pomiary takie będą wykonywane przez regulatorów rynku (UKE) w celu kontroli widma elektromagnetycznego, weryfikacji zgodności rzeczywistej mocy EIRP z mocą przyznaną w pozwoleniu na emisję i lokalizacji nadajników bądź innych urządzeń będących źródłem nadmiernych zakłóceń w pasmie zajmowanym przez system 5G. Pomiary sygnałów 5G mogą być wykonywane przez akredytowane laboratoria badawcze zajmujące się pomiarami pól elektromagnetycznych dla potrzeb BHP i ochrony środowiska.

Do pomiarów sygnałów 5G potrzebny jest specjalizowany miernik na bazie analizatora widma czasu rzeczywistego (RTSA). KABELKOM oferuje wszystkim zainteresowanym przyrząd CellAdvisor 5G, będący niezbędnym narzędziem do kontroli sygnałów i urządzeń 5G. Jest to przenośny miernik o dużym kolorowym ekranie i intuicyjnym menu użytkownika. Perfekcyjną synchronizację czasu z mierzonymi sygnałami 5G zapewnia podłączony odbiornik GPS. CellAdvisor 5G umożliwia pomiar wielkości takich jak:

• moc odbieranego sygnału w kanale;
• widmowa gęstość mocy;
• stosunek mocy szczytowej do średniej (PAR, PAPR);
• widmo (tradycyjne, poświatogram, spektrogram);
• szerokość zajmowanego pasma;
• zgodność z maską widmową;
• moc w kanale sąsiednim (ACP);
• natężenie pola elektrycznego w połączeniu z wzorcowaną anteną pomiarową;
• moc EIRP w połączeniu z wzorcowaną anteną pomiarową;
• parametry nośnej 5G (jednocześnie do 8 nośnych na ekranie);
• PCI/ indeks wiązki;
• częstotliwość nośnej 5G;
• błąd częstotliwości;
• konstelacja;
• EVM;
• PSS-RSSI;
• SS/PS-RSRP;
• PS/RS-SINR;
• SS-RSRQ;
• analiza CA (carrier aggregation).

Miernik umożliwia zarówno pomiary stacjonarne, jak i mobilne oraz piesze. Akumulator o dużej pojemności zapewnia co najmniej 8 godzin nieprzerwanej pracy. CellAdvisor pokrywa pasma FR1 i FR2 (do 40 GHz). Parametry techniczne miernika oraz noty aplikacyjne można pobrać TUTAJ. Wszystkich zainteresowanych pomiarami nowym miernikiem oraz szkoleniami z zakresu pomiarów sygnałów 5G i warstwy radiowej 5G NR prosimy o kontakt.