Тестирование спутниковой связи для сетей 5G NTN

Подходы к эмуляции радиоканалов систем 5G NTN (non-terrestrial network) на этапе разработки

Недавние разработки 3GPP привели к необходимости тестирования спутников в условиях замираний, поскольку 5G NTN (non-terrestrial network – “не наземная сеть”) вводит спутниковый компонент в традиционные наземные мобильные сотовые системы 5G. В спецификации 3GPP TR 38.811, озаглавленной “Исследование нового радио (NR) для поддержки внеземных сетей”, подробно описаны модели каналов, используемые для таких крупномасштабных параметров, как затенение, потери на открытом воздухе, потери в беспорядке, потери в пути, а также мелкомасштабные параметры, характерные для спутниковых приложений. Несмотря на то, что эти модели представляют собой наилучшее понимание распространения радиоволн, возникает новый набор проблем для производительности спутниковых приемопередатчиков, которые должны быть методично изучены в соответствии с параметрами, имеющими наибольшее значение для каждого приложения.

Для достижения наилучших результатов, вместо того чтобы просто эмулировать модели каналов из новых спецификаций 3GPP, лучше рассмотреть, что может привести к отказу спутникового приемопередатчика, и найти модели, которые подчеркивают эти параметры в лабораторных условиях.

Мы предлагаем основу для рекомендуемой матрицы испытаний для систематического тестирования спутниковой связи, которая может быть доработана в соответствии с целевым приложением NTN.

Матрица тестирования для спутниковых систем

Целью тестирования является обнаружение неисправностей, ошибок или любых других нежелательных характеристик рассматриваемой радиосистемы. Спутниковая связь ничем не отличается. Если тестовая система не может выявить недостатки конструкции, какой бы реалистичной она ни была, это напрасные инвестиции. Вместо того, чтобы просто эмулировать модели каналов из новых спецификаций 3GPP, лучше рассмотреть, что может привести к сбою спутникового трансивера, и найти модели, которые нагружают эти параметры в лаборатории. Как только эти нагруженные параметры найдены, модели каналов просматриваются одна за другой, оставляя остальные фиксированными, чтобы исследовать один параметр за раз и посмотреть, как он влияет на производительность приемопередатчика. В результате создается систематическая последовательность тестирования, которую можно автоматизировать и запускать круглосуточно и без выходных.
Спутниковая связь бывает разных видов и форм. Среда распространения спутников на ГСО (геостационарная орбита) значительно отличается от среды распространения спутников на НОО (низкая околоземная орбита). Таким образом, очень важно понять, какая категория 5G NTN будет тестироваться, а затем определить вышеупомянутые систематические последовательности тестирования. Тем не менее, мы можем изложить идею, лежащую в основе теории, а затем пользователь может выбрать, какие параметры будут варьироваться при тестировании в зависимости от рассматриваемой спутниковой системы.

Предположим, что нам нужно протестировать реализацию 5G NTN НОО. По умолчанию характеристики замираний и крупномасштабных замираний взяты из TR 38.811. Однако, чтобы в полной мере использовать работу по моделированию канала, включенную в эту спецификацию, модели нуждаются в изменчивости наиболее важных параметров. Давайте рассмотрим это. Во-первых, скорость спутника очень высока, что вызывает большой доплеровский сдвиг. Во-вторых, спутниковый передатчик находится очень далеко (по сравнению с наземными линиями связи), поэтому объемная задержка становится большой. Кроме того, известно, что затухание при распространении также велико, поэтому отношение сигнал/шум мало. Эти три параметра определяют тестовый куб, пространство параметров, которое необходимо варьировать с помощью соответствующих моделей каналов. Таким образом, мы сэмплируем параметры один за другим в этом тестовом кубе. Рисунок 1 представляет пространство параметров и выборку.

Рис. 1. Тестовый куб (синий) в системе координат 3D (доплеровский сдвиг, задержка, отношение С/Ш – SNR) и дискретизация (зеленый)

Размеры тестового куба выбираются из а) окружающей среды или б) рассматриваемой спутниковой системы, в зависимости от того, что больше. Это приведет к систематической таблице испытаний, которая эффективно нагружает спутниковый приемопередатчик, чтобы предотвратить выход из поля.
Пример такой тестовой последовательности приведен в таблице ниже. Пользователь может добавить больше ключевых показателей эффективности (KPI) в зависимости от потребностей, но, поскольку оборудование для затухания является программируемым, мы можем создавать сценарии, которые выполняют большое количество тестов за короткий промежуток времени. На оси Y перечислены то, что мы измеряем, а на оси X перечислены условия окружающей среды, относительно которых измеряются ключевые показатели эффективности.

Таблица 1: Пример тестовой матрицы для применения спутника на низкой околоземной орбите

Измеряем величиныОкружающая среда
Большое допплеровское смещениеБольшая задержка сигнала
РадиосистемаKPICDL-ACDL-BCDL-CCDL-DSNRCDL-ACDL-BCDL-CCDL-DSNR
НОО спутниковая связьПропускная способность    -5    -5
    0    0
    5    5
    10    10
    15    15
    20    20
*SNR - Signal-to-Noise Ratio - Отношение сигнал/шум

Подготовка к будущим сложностям

Будущие сети станут сложной смесью различных радиосистем. Помимо горизонтального расширения (например, охвата моря, пустынь и т. д.), у нас также есть вертикальное расширение сети, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2: Вертикальное расширение сети

Сеть станет очень сложной, а количество взаимодействий между элементами сети и пользователями будет расти в геометрической прогрессии. Соответственно, тестирование такой сети также очень сложно и приводит к чрезвычайно дорогостоящим тестовым решениям, если используется только грубая сила.
Вместо этого мы всегда должны искать способы упростить тестирование, чтобы иметь а) прослеживаемость и б) экономически эффективные методы тестирования. Spirent верит в «тестирование того, что имеет значение», а не в попытки имитировать все возможные соединения и радио. Однако мы должны поддерживать топологию сети даже в тестовом подмножестве. Рисунок 2 показывает, что сетевые топологии не обязательно относятся к сотовому типу, а скорее к топологиям типа MESH между всеми узлами в сети. Топологии MESH требуют высокой пропускной способности радиоканала; таким образом, необходимо учитывать большую задержку и большие эффекты Доплера. При рассмотрении спутниковых испытаний одним из ключевых вопросов является определение количества радиоканалов, поддерживаемых испытательным прибором в данных условиях.
Как было сказано ранее, более эффективно сосредоточить внимание на правильных атрибутах радиосистемы. Одной из задач рабочей группы 3GPP было изучение проблемы сосуществования FDD/TDD, которая является серьезной проблемой в NTN. То есть у нас две разные дуплексные системы. Таким образом, в простейшей форме это тестируется с использованием одного наземного канала и одного спутникового канала и выполнения переключения между ними, как показано на рисунке 3.

Применение эмулятора радиоканалов Spirent Vertex для разных сценариев тестирования

Рисунок 3. Применение эмулятора радиоканалов Spirent Vertex для разных сценариев и типов сетей

Таким образом, вместо того, чтобы пытаться инкапсулировать всю сеть в тестовую систему, лучше рассмотреть, что имеет решающее значение для производительности системы, и выполнить тесты таким образом, чтобы подчеркнуть критический атрибут.

Эта упрощенная тестовая система ответит на вопрос, почему радио не работает, и даст более простой ответ, вместо того, чтобы пытаться охватить все пространство сигнала в плане тестирования. Сценарии передачи обслуживания могут быть созданы с использованием оборудования для затухания, например, с помощью профиля мощности пилообразной формы, рис. 4.

Рисунок 4. Создание хендовера между наземным и спутниковым каналами с изменением мощности (пила).

Идея рисунка 4 очень проста. Мы контролируем принимаемую мощность от спутниковых и наземных каналов с затухающим оборудованием таким образом, что когда мощность приемника наземного канала находится на пике, мощность спутникового канала минимальна, и наоборот. Это инициирует процесс передачи обслуживания, и приемник останавливается либо на спутниковой, либо на наземной линии связи. Это позволяет нам измерять, например, показатель успешности передачи обслуживания и, следовательно, исследовать сосуществование в упрощенной тестовой системе.
Это дополнит таблицу тестирования, чтобы также рассмотреть а) совместную задержку и доплеровский сдвиг, б) сравнение с наземной линией связи (т. е. опыт пользователя) и в) сосуществование в следующей тестовой матрице:

Измеряем величиныОкружающая среда
Большое допплеровское смещение Большая задержка сигнала Большой допплер и задержка 
РадиосистемаKPICDL-ACDL-BCDL-CCDL-DSNRCDL-ACDL-BCDL-CCDL-DSNRCDL-ACDL-BCDL-CCDL-DSNR
НОО спутниковая связьПропускная способность    -5    -5    -5
    0    0    0
    5    5    5
    10    10    10
    15    15    15
    20    20    20
Наземный канал 5GПропускная способность    -5    -5    -5
    0    0    0
    5    5    5
    10    10    10
    15    15    15
    20    20    20
Совместнопоказатель успешности хендовера    пила         пила

Эффективность тестирования — ключ к успеху

В заключение мы предлагаем тестирование в условиях окружающей среды, которые можно проследить до конкретных параметров радиоканала, начиная с конструкции приемопередатчика. Мы также предлагаем упростить план тестирования, чтобы «проверить, что имеет значение» для конкретной категории спутников и приложений, вместо того, чтобы пытаться инкапсулировать всю сеть. Таким образом, основное внимание уделяется ключевым параметрам периферийных устройств, а весь спектр испытаний может быть сведен к минимуму для получения более экономичного решения.
Современные решения для эмуляции радиоканалов Spirent могут воспроизвести всесторонние искажения и пространственные условия даже самых сложных беспроводных каналов. Это позволяет проводить повторяемые лабораторные тесты, которые имеют практическое значение, снижают затраты и улучшают результаты программы тестирования при минимизации риска.
Эмулятор канала Spirent Vertex обеспечивает модульность, гибкость и высокую плотность, необходимые для множества сложных тестовых конфигураций, а графический пользовательский интерфейс программного обеспечения Advanced Channel Modeling упрощает проектирование ваших сценариев распространения и позволяет создавать загружаемые 3D-модели каналов. Vertex предлагает непревзойденную пропускную способность по количеству радиоканалов, необходимых для поддержки спутниковых топологий MESH и тестирования на уровне сети. Это связано с уникальной обработкой инструмента в реальном времени; то есть сигнал не буферизуется во внутреннюю память для создания длительных задержек.
Являясь надежным поставщиком на протяжении более 25 лет, компания Spirent лидирует в области лабораторной эмуляции распространения радиосигналов, охватывающих несколько поколений мобильных технологий. Наша команда всемирно известных экспертов готова помочь. Чтобы узнать больше об эмуляции каналов для наземных и спутниковых приложений, свяжитесь с нами: