מאת: שלומי כהן, מנהל לקוחות ומומחה סלולר בקבוצת הטלקומוניקציה, Keysight Technologies Israel
בשנים האחרונות אנחנו רואים שבכל 10 שנים נדרשת טכנולוגיית תקשורת חדשה כדי לתמוך בדרישות צריכת הנתונים הגוברת. כך קרה בשנות 2000 כשהוצגה טכנולוגית הדור השלישי (3G) וכך קרה בשנת 2010 כשהוצגה טכנולוגיית הדור הרביעי (LTE). בשני המקרים האלה הטכנולוגיות החדשות היו פיתוח של טכנולוגיה קיימת (אבולוציה), ולא חשיבה מחדש.
בשנים האחרונות אנחנו רואים שינוי דרמטי במידע העובר ברשתות התקשורת: טכנולוגיות תעופתיות נכנסות לכלי-רכב (מיחשוב, מכ"ם וסנסורים נוספים) כדי לאפשר נהיגה אוטונומית הדורשת קבלת החלטות בזמן אמת. שידורי הווידאו עוברים לאיכויות של אולטרא רזולוציה, איכות המצלמות עולה ועמה גודל הקבצים המשודרים וקצב השידור והקליטה.
חשיבה מחדש על כל בעיית התקשורת
בנוסף, הצמיחה בכמות המכשירים המחוברים לרשת באמצעות האינטרנט של הדברים (IoT) דורשת משאבי רשת מיוחדים, וכמובן כוחות ההצלה וביטחון המדינה מרחיבים את השימוש בתשתיות הרשת לפעילות שוטפת או אירועים חריגים. כדי לתמוך בכל המודלים הללו נדרשה חשיבה מחדש על מבנה הרשת ומבנה הערוצים הפיזיים. התעשייה זנחה את גישת האבולוציה לטובת חשיבה מחדש: 5G New Radio.
אז מה חדש בדור החמישי? בעצם הכל. לטובת הקצאת רוחב פס גדול הוקצו שני ערוצים מקסימליים, 100MHz לתחום התדרים הראשון של עד 6GHz (כיום הרשתות פועלות בתחום תדרים של עד 2.1GHz ברוחבי פס של 20MHz), והוקצה תחום נוסף ברוחב של 400MHz לתחום התדרים השני של גלים מילימטריים בתדר של 28GHz ומעלה. בנוסף, ניתן לצרף את פרוסות ה-400MHz כדי ליצור רוחבי פס עצומים של עד 1.2GHz – פי 50 יותר מהקיים היום, ולהעביר נתונים בקצב יעד של עד 100Gbps.
בנוסף, צומצם זמן ההשהייה או זמן השידור המינימלי צומצם פי עשרה: מ-10ms בדור הרביעי ל-1ms בדור החמישי, לטובת העברת נתונים ותיקוני הערוץ במהירות גבוהה יותר ועבור יישומים החלטות מהירות כגון מכונית, רחפנים ומערכות רובוטיות ותעשייתיות.
נומרולוגיה ללא מטאפיסיקה
מערך התמיכה במגוון מתארי תדר ואפליקציות בעזרת הפרדת תת-ערוצים נקרא נומרולוגיה. מרווח הפרדת התת-ערוצים בדור הרביעי הוא קבוע (15KHz) ורוחב הפס קבוע ועומד על 20MHz. בדור החמישי יחסית לתחום התדרים הפרדת התת-ערוצים משתנה בכפולות של 2*15KHz, כך שההפרדה בתחום תדר הראשון הינה 15KHz ו-30KHz, ובתחום התדרים השני היא 60KHz ו-120KHz בהתאמה. הדבר מאפשר לשנות את כמות הסימבולים המשודרים ואורכם, ולהתגבר על בעיות רעש פאזה בתחום התדרים השני.
דמיון למכ"ם Beam Forming
כדי לייעל את השידורים, הוחלט למקד את שידורי תחנות הבסיס וציוד קצה ולא לשדרם באונה קבועה של 120 מעלות (שלושה סקטורים). זאת בדומה למכ"ם מערכי פאזה שטוחים הסורקים את הזירה ללא צורך לסובב את האנטנה, בעזרת הסחת פאזה ויצירת אלומה צרה. ככל שתחום התדר גבוה יותר, כך האלמנטים קטנים ועמם רוחב האלומה וכמות האלומות המשודרות גדל.
הדבר דורש טכניקות מורכבות של שידור בלוקים של מידע בכל אלומה, החל מארבע אלומות בתדרים הנמוכים ועד 64 אלומות בתחום התדרים הגבוהים. בלוקים כוללים מסרים לגבי הרשת ומספר האלומה, כך שציוד הקצה יודע מתי להתפרץ ולשדר בקשת התחברות לאלומה ספציפית.
היות ובתחום התדרים השני גודל האנטנה קטן במיוחד ומספר האלמנטים שבה הוא גדול, ניתן להשתמש במספר רב של אלומות בו-זמנית למספר ציודי קצה, ולנצל את התכונה הזו לשיפור השידור והקליטה של תחנת הבסיס באמצעות טכניקת MIMO (ריבוי אנטנות כניסה וריבוי אנטנות יציאה). בדור החמישי משתמשים בתכונה הזו בצורה מאסיבית: מספר רב של ציודי קצה משדרים על אלומות שונות בו-זמנית, והדבר מסייע בשידורים שיש בהם קשר עין ובשידורים המגיעים ממקורות ללא קשר עין.
גם ברמת התשתית הוחלט להעניק חופש במימוש תחנות בסיס, במטרה להשיג גמישות מקסימלית והורדת עלויות. המודם והפרוטוקול הועברו למקום מרכזי. ראש הרדיו נשאר מרוחק על ראש התורן, הפרוטוקול עובר על תיקשורת ייעודית פתוחה לכלל יצרני הרשתות, הדבר מוביל לחיסכון עצום בהוצאות הקירור ותחזוקת חדרי תקשורת. השיטה הזו מאפשרת לספקי התקשורת לנהל את המשאבים בצורה חכמה ויעילה יותר, בהתאם לתנועת הלקוחות ברשת.
פריסה מדורגת
גירסת התקן (Standard) העדכנית הראשונה המוגדרת כדור החמישי הינה גירסה 15 של איגוד ה-3GPP שבה הוגדרו הערוצים הפיזיים, הפרוטוקולים וצורת העבודה בסביבת רשתות הדור הרביעי. שם גם מפורטות שבע תצורות שונות של פריסת רשתות הדור החמישי בצורה עצמאית או בתלות ברשת העוגן בדור הרביעי. השלב הראשון תהיה פריסה לא עצמאית (Non Stand Alone) שבה תעבור תעבורת האיתותים על רשת הדור הרביעי, כאשר הנתנונים יעברו כל-גבי רשת הדור החמישי. כלומר, בפועל תהיה הדדיות בין הרשתות שתאפשר פריסה הדרגתית ללא פגיעה ברמת השרות ללקוחות, ובכדי להקל על המפעילות לקיים מדיניות הוצאה מבוקרת. בגירסה ה-16 של התקן יתוארו מעברים בין טכנולוגיות ופריסת Stand Alone עצמאית לגמרי .
הדור הרביעי נשאר רלוונטי
ראוי לזכור שגם מההיבט הטכנולוגי יש עדיין הרבה סימני שאלה מסביב לדור החמישי. השימוש בגלים מילימטריים הוא חדש בתחום התיקשורת הניידת ומעולם לא נפרסה רשת מילימטרית בצורה מסחרית למיליוני לקוחות. גלים מילימטריים אינם חודרים קירות וכל שינוי במזג האויר (בעיקר במקומות גשומים) מגלם בתוכו תופעות שלא ניצפו או נוסו. הפריסה של תחנות הבסיס אמורה להיות מאסיבית בכדי לאפשר שימוש ברוחבי הפס הגבוהים. היות וקשר עין הינו אופטימלי, יש צורך להציב תחנות בסיס במרחקים קטנים, זאת בשעה שבתדרים הנמוכים גודל האנטנות יהיה גדול מאוד ובעייתי להתקנה.
במקביל, ראוי לזכור שטכנולוגיית הדור הרביעי משתפרת מאוד ומציעה פיתרונות בקצבי נתונים הקרובים ל-1Gbps ומתן מענה לאינטרנט של הדברים. רשתות הדור הרביעי ימשיכו להתקיים במקומות שבהם לא נדרשות תכונות הדור החמישי ושבהם אין מגבלה בזמינות הספקטרום: ניתן לצרף רצועות תדר במידה וישנן, ולקבל קצבים גבוהים. ניתן גם לחבר כמות גדולה של התקני IoT כגון CAT-M ו-NB-IoT. מכאן שיש לצפות להמשיך ולראות שידרוגים של רשתות הדור הרביעי גם בשנים הבאות.
אולם המעבר לרשתות הדור החמישי הוא בלתי נמנע: מאפייני השימוש החדשים דורשים יכולות שהדור הרביעי מתקשה לספק, עלויות ההפעלה של רשתות הדור החמישי נמוכות יותר בטווח ארוך: ותחנות הבסיס יהיו קטנות ולא יזדקקו קרון קשר,כלומר לא צריך לשכור אתרים יקרים, אין כמעט עלויות קירור וכמעט שאין צורך בביצוע תחזוקה ותיקון תקלות.
אתגרי הבדיקה של הדור החמישי
בתחום האלגוריתמיקה של המודם יש מורכבות עצומה בניהול הנומרולוגיות השונות ובזמני התשדורות הקצרים הדורשים מהירות עיבוד גבוהה תוך החלטות ב-125 מיקרו שניה בסלוטים קצרים. ניהול האונות מהווה נדבך מורכב בתצורות שונות ומורכבות הן במקלט והן במשדר. ניתן להדוק מורכבויות אלה בעזרת תוכנות סימולציה ADS ו-SystemVue, ברמת מערכת וברמת הרכיב.
תכנון המעגל מתמודד עם קוי תיקשורת מהירים המתחברים למצלמות ולמסכים ולרכיבי המעגל השונים בתקנים כגון DDR ו-MIPI, כדי לתמוך במהירויות הגבוהות של המודם והמעבד. כאן צריך לבדוק את איכות האותות החשמליים ואת תקינות הפרוטוקולים בעזרת אוסילוסקופים מהירים ומחוללי אותות המצויידים בתוכנות ייעודיות לבדיקת התקנים.
לפני שמטעינים את הפרוטוקול, יש לבדוק את כל התהליכים בשידור ובקליטה עוד לפני שמחברים את המודם לרכיב השידור/קליטה RFIC. עושים זאת בעזרת מדמה תחנת בסיס ומדמה רבוי ערוצים UXM ו-Channel Emulator F64, בשלב ראשון בחיבור דיגיטלי IQ ולאחר מכן דרך ערוצי ה-IF, כדי לבדוק שכל הערוצים מתנהגים על פי הנדרש בתקן.
לאחר הטענת תוכנת הפרוטוקול, בודקים את התהליכים השלמים בחיבור לשיכבה הפיזית ואת קצב העברת הנתונים. כאן יש צורך באופטימיזציה של הקוד ושל הערוצים הפיזיים למיצוי מקסימלי של המוצר. בשלב הבא מגיע אתגר שבו התעשיה עדיין לא נתקלה: עבודה בגלים מילימטרים ובדיקת ההתנהגיות בריבוי אלומות והפרעות. היות ואין אפשרות לבצע חיבור ישיר בין ציוד המדידה לציוד הנבדק (הרכיבים קטנים ורגישים לניחות) הבדיקות מבוצעות תוך שידור אנטנות לאנטנות בתאים מבודדי רעש.
מהי הנוסחה הנכונה?
בשלב הזה ניתן להשתמש במגוון פתרונות: למשל כיול האלומה בשדה רחוק על-ידי הכפלת המרחק עם מראה, וביצוע הבדיקות בתא מרובה זוגות אנטנות (VH) לטובת בדיקת כל תכונות הציוד, בדומה לעולם האמיתי שבו משתמשים בטכניקת Massive MIMO ו-BeamForming. השלב הבא הוא שלב הייצור, שבו גובר הלחץ למצוא את הנוסחה הנכונה בין מחיר הציוד וזמן הייצור,גם כאן קיסייט מנצלת ידע קיים שנרכש בייצור מוצרים בתחום ה-60 גיגה הרץ של רכיבי WiGig, שהוסב לייצור מוצרי 5G בעלויות נמוכות.
עבור שלבי פריסת הרשת מציעה קיסייט כלי תיכנון וכלי ניטור מסדרת NEMO, שבהקלטות המבוצעות בה ניתן גם לבצע נסיעות וירטואליות (VDT) ולשחזר במעבדה את העולם האמיתי, כדי לבצע אופטימיזציה גם לציוד הקצה וגם לנתוני הרשת. רשתות הדור החמישי חשופות לאותן בעיות עומס ובטיחות המאפיינות את כל רשתות האינטרנט. בכדי לבחון את כלל "חיות הרשת" ותוכנות ההגנה, חברת קיסייט מציעה בדיקות עומסים של מנויים רבים ותעבורת נתונים בעזרת הפתרונות של IXIA שבעזרתם ניתן לחזות ולשפר את תעבורת האיתותים והמידע בקווי התמסורת.
חברת Keysight Technologies מספקת פתרונות בדיקה ומדידה משלב הפיתוח ועד שלב הפריסה, מאותות DC ועד גלים מילימטריים, כולל ניתוח אותות דיגיטלים ובדיקות פרוטוקול לקבלת הסמכה.
