Czemu pomiary 5G są trudne?

Nie trzeba inżyniera, żeby kliknąć START na przyrządzie z Internetu i przeczytać co mamy w okienku RESULTS, prawda? Po co zatem te laboratoria, instytuty, akredytacje, kosmicznie drogi sprzęt i wszystkie te konferencje poświęcone technikom pomiarowym w telekomunikacji? Wgryźmy się nieco w temat, żeby zrozumieć w jaki sposób na przykład beamforming wymusił zmianę technik pomiarowych.

Rysunek 1. Autor z Nardą. https://youtu.be/jSDgQuHWOiM

Szybkie wprowadzenie

Zanim dojdziemy do samego 5G, zróbmy szybkie przypomnienie podstaw. Jak z samej nazwy pola elektromagnetycznego wynika, mamy do czynienia z polem elektrycznym oraz polem magnetycznym. Pole elektryczne oddziałuje na znajdujące się w nim ładunki, rozpędzając je, a pole magnetyczne zmienia tor ruchu poruszających się ładunków, za sprawą siły Lorentza. Aby opisać dane pole, można zatem przedstawić jego składową elektryczną – natężenie pola elektrycznego w woltach na metr [V/m] – lub magnetyczną – natężenie pola magnetycznego w amperach na metr [A/m]. Ponieważ wartość natężenia pola elektrycznego i magnetycznego w fali elektromagnetycznej są ze sobą powiązane, wystarczyć zmierzyć jedną z tych wielkości i można obliczyć drugą – przy założeniu, że znamy „impedancję falową otwartej przestrzeni”, czyli wielkość opisującą, jak łatwo fali rozchodzić się w danym ośrodku (próżni, powietrzu, itd.). Pozostaje jeszcze pomnożyć przez siebie E i H, żeby otrzymać gęstość mocy – wielkość wyrażaną w watach na metr kwadrat [W/m²].

Tyle na szybko o definicjach – ale jak jesteśmy w terenie z miernikiem, to nie wystarcza. Trzeba jeszcze rozejrzeć się po tym terenie! Mamy w okolicy różne ośrodki i granice między nimi, jak powietrze/woda, powietrze/beton, powietrze/grunt, woda/grunt, powietrze/drzewa? No to na tych granicach ośrodków dojdzie do typowych zjawisk falowych, takich jak: odbicia, załamania, ugięcia, rozproszenia fali (a do tego do jej tłumienia przy przejściu przez dowolny z tych ośrodków). Te fale będą się na siebie nakładać. Skąd więc wiemy, że pomiar w danym miejscu jest reprezentatywny? Może właśnie jesteśmy za przeszkodą lub w miejscu znoszenia się fal (interferencja destruktywna) i nasze pomiary są zaniżone? A może przeszacowujemy wyniki, bo tylko tu, gdzie stoimy, mamy wzmocnienie nakładających się fal (interferencja konstruktywna) i jeszcze zza rogu bloku dodatkowa fala ulegająca dyfrakcji nam wpada? Dodajmy do tego, że zmiana częstotliwości fali zmienia jej długość, a zatem również wszystkie wspomniane współczynniki załamania czy tłumienia. Jeszcze do tego sama antena ma swoje fizyczne rozmiary – a emisja fal wykorzystywanych w telekomunikacji wymaga całego skomplikowanego układu wielu anten wewnątrz stacji bazowej – dlatego wprowadza się rozróżnienie na pole bliskie i pole dalekie. Dopiero w polu dalekim robi się względnie prosto, czyli mamy jednorodną falę zanikającą z kwadratem odległości od źródła. My jako przechodnie i użytkownicy sieci, praktycznie zawsze jesteśmy w polu dalekim.

Rysunek 2. Wartości stref pola dalekiego i rozmiarów anten przy różnych systemach telekomunikacyjnych. Źródło: [1]

Mam nadzieję, że już widzicie, że samo kliknięcie START dużo nie daje – trzeba mieć sporo wiedzy i wyobraźni, wspieranej symulacjami, żeby wiedzieć, gdzie ten przyrząd postawić, żeby otrzymany wynik miał sens. Ale teraz dopiero zaczynają się prawdziwe schody.

Pomiar wpływa na układ

Wprowadzenie 5G to wprowadzenie między innymi dynamicznego formowania wiązki, czyli wspomniany w tytule beamforming. Oznacza to, że stacja bazowa nie działa jak na prostych schematach, gdzie mamy maszt, dookoła którego rozchodzą się kółeczka symbolizujące front falowy. Teraz na grafice zobaczymy sterczące z masztu cygara, wycelowane precyzyjnie w urządzenie, z którym stacja bazowa aktualnie się łączy. Cały system wymaga, aby „antena” składała się tak naprawdę z kilkudziesięciu mniejszych anten, w których nie tylko zmieniamy parametry przepływającego przez nie prądu, ale także ich fizyczne pochylenie (tilt). Nie dość, że to „cygaro” jest precyzyjnie wycelowane i podąża za obiektem, to jeszcze liczba takich cygar będzie się dynamicznie zmieniać w trakcie pojawiania się w zasięgu kolejnych urządzeń. W końcu to anteny mMIMO, czyli massive Multiple Input Multiple Output – a natężenie pola w pojedynczej wiązce będzie zależało też od aktualnego transferu danych. Do tego wszystko dzieje się cyfrowo, a nie analogowo. Czy zaczyna być jasne, dlaczego przyrząd Narda SRM-3006 kosztuje ponad dwanaście tysięcy euro? [5]

Rysunek 3. Różnica między "klasycznym" rozkładem PEM wokół anteny, a w przypadku formowania wiązki. [3,4] — Rysunek 3. Różnica między „klasycznym” rozkładem PEM wokół anteny, a w przypadku formowania wiązki. [3,4]

SRM to skrót od Selective Radiation Meter, czyli urządzenie może dokonywać pomiaru selektywnego na wybranej częstotliwości, w przeciwieństwie do pomiaru szerokopasmowego, czyli mierzenia wszystkiego co jest w okolicy na raz. Pomiary szerokopasmowe są prostsze, ale mniej miarodajne, bo ich wynik zależy od aktualnego obciążenia sieci – i to wszystkich sieci, tzn., jeśli mamy w okolicy pięć anten, to nie wiemy która, ile emituje (i przez którego operatora). Pomiar selektywny pozwala nam na identyfikacje sygnału – i od razu widać, który operator w danym momencie pracuje na jakiej mocy. Co zrobić z kwestią zmiennego obciążenia sieci? Wymusić maksymalne – czyli odpalić obok stacji pomiarowej terminal (telefon, komputer), z aplikacją do testowania połączenia, pobierając i wysyłając testowe dane z maksymalną możliwą szybkością danej stacji bazowej. Czy taka sytuacja odzwierciedla codzienną rzeczywistość użytkowania stacji? Nie, bo mamy wielu użytkowników w różnych miejscach i nikt nie jest w stanie obciążyć całkowicie stacji (zająć jej tylko dla siebie!) – więc mówimy tu o pesymistycznym scenariuszu, czyli szacowaniu górnego, maksymalnego progu ekspozycji.

Jeśli nadal uważacie, że pomiar 5G to tylko kliknięcie start, to na koniec macie jeszcze jedną wrzutę. Jesteśmy w momencie przejściowym przebudowy architektury sieci, czyli równolegle funkcjonują różne systemy. Jak zawsze pomiędzy kolejnymi generacjami sieci, nową wprowadza się stopniowo, a starą sieć wyłącza (ma ktoś analogowe 1G? :p). Obecnie, aby 5G już zaczynało działać przy niepełnej infrastrukturze, stosuje się DSS (Dynamic Spectrum Sharing), czyli dynamiczne współdzielenie kanałów pomiędzy 4G i 5G. Czyli w danym momencie dana stacja obsługująca użytkowników korzystających z 5G, tak naprawdę częściowo obsługuje ich poprzez LTE.

Bez wprowadzenia stacji bazowej w tryb testowy (a to, uwaga, wymaga kontaktu z operatorem!) i stosowania profesjonalnej aparatury przez wykwalifikowany personel, naprawdę ciężko powiedzieć coś więcej niż „oo, w moim zabawkowym przyrządzie miga lampka”. Ci inżynierowie potrafią i takie sztuczki jak pomiar z pól wytwarzanych przez sygnały synchronizacyjne (PSS lub SSS, Primary/Secondary Synchronisation Signal) w trakcie downlinku z nadawczego kanału fizycznego (PBCH – Physical Broadcast Channel). Co nie wymaga kontaktu z operatorem, więc odpada argument o dogadywaniu się przy pomiarach.

Jeśli, pół żartem pół serio, chcecie zobaczyć jak mierniki PEM wykorzystuje się do znajdywania duchów, polecam film, w którym demaskujemy ludzi którzy korzystają ze sprzętu, którego działania nie rozumieją [6]. Ale lampka mryga na czerwono, czyli jest źle?