5G SA多重无线技术测试再添挑战

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所谓的”真 ”5G技术——5G独立组网(SA)规范Release 15早已冻结。由于5G SA可实现更好的服务体验,如更快的响应时间、更低的延迟、增强的频谱效率、更高的服务质量(QoS)和可靠性…等优势,更被预期会有更低的成本,以及将实现5G增强型移动宽带通信(eMBB)和超可靠低延迟通信(URLLC)两大应用场景的技术指标,因此全球电信运营商也开始在既有的5G非独立组网(NSA)构架上朝5G SA迈进。

5G SA是真正的 未来发展方向

根据规范,5G SA使用新的5G封包交换核心网构架,基站可同时用于信令和数据传输,不用像5G NSA需依赖4G核心网络,因此一时间业界才有5G SA才是真正的5G技术的说法。中国台湾罗德史瓦兹(R&S)市场行销部资深协理卢迦立说明5G SA与NSA的差异,他指出,NSA是在既有的4G核心网络(EPC)上建构5G无线电存取网络(RAN),亦即5G的控制信令仍通过4G EPC进行传输;而SA从RAN到5G核心网络(5GC)均是遵从5G NR标准,不牵涉任何4G EPC。此外,如前所述,5G NR(New Radio)的几个重要核心性能,如URLLC、大规模机器型通信(mMTC)、多连接边缘运算(MEC)、网络切片(slicing)等,只在5G SA上支持。

 

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图1:5G端到端系统架构图。(来源:工业技术研究院资讯与通讯研究所)

安立知(Anritsu)业务暨技术支持部协理薛伊良进一步解释5G NSA先出现的原因,他表示,由于5G部署之初,基站的部署密度尚不如现有4G的基站,因此电信运营商多半采用NSA的模式,也就是让手机的信令联机持续使用4G基站;而5G的基站则通过双联机(Dual connectivity,DC)的方式进行数据传输连接。这种方式的好处是,可以确保用户在没有5G基站覆盖的环境下,数据/语音传输…等业务不会中断,且电信运营商也不用急于扩大5G基站的建设,可以在顾及服务质量,以及成本的状况下提供5G服务。

事实上,3GPP提供了六种5G部署选项,供电信运营商采取不同的方式迁移到5G技术。是德科技(Keysight Technologies)行销处资深项目经理郭丁豪进一步说明,5G NSA模式的网络可利用现存4G网络加快部署,也就是说,在NSA模式下运作,可使用现有的4G LTE无线电,以及EPC和eNodeB(eNB)作为锚和控制平面。若使用5G NR则可直接连接到5G下一代核心(NGC),实现5G的重要功能之外,不同运营商间的互通性也比较容易实现。不仅如此,在终端方面,5G SA的设备设计比较简单,在功耗效率上也有机会比5G NSA有效。

 

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图2:3GPP为电信运营商提供5G NSA与SA模式部署选项。(来源:是德科技)

虽然对4G运营商而言,NSA模式可使其进入5G时,投资成本较低且部署较快,不过,此种模式下的4G及5G网络彼此间的互连互通较复杂,且传输效率易受4G制约,将导致日后营运成本反而变高。卢迦立强调,NSA无法充分发挥5G的完整性能,因此长远来看,NSA可谓从4G到5G的过渡方案;然而SA模式虽是全新的部署,且初期投资成本高,但若考察目前不断推陈出新的商业模式、各式垂直整合应用及大众对网络服务质量的需求,则唯5G SA模式才能满足。

全球电信运营商5G SA业务

鉴于5G SA可实现URLLC、mMTC、MEC、网络切片等满足各产业未来发展所需的功能,因此在标准底定之后,全球电信运营商也开始陆续利用5G SA技术扩增现有的5G基础设施,并提供相关服务。根据统计,现阶段全球52个国家中,已有111家电信商投入SA网络部署(包含试验网及规划中),其中至少有分布在18个国家中的29家电信运营商,已开始5G SA公众网络营运。

从市场发展观察,电信运营商为何快速从NSA过渡到SA模式的原因,郭丁豪认为,5G的应用面与网络渗透率,将影响运营商是否花更多资源投入SA部署,如果更多的专网服务需求、更多新兴网络业务提供商投入、新地区部署需要,以及5G毫米波服务高速应用,都会驱动电信运营商加速SA的部署。目前包括专网服务、新兴网络业务提供商、新地区部署与5G毫米波(mmWave)服务,都是可优先考察5G SA。其中,北美与中国的电信运营商部署速度相对更快。

卢迦立则指出,电信运营商从NSA跨入SA部署的主要影响因素在于,5G垂直应用、整合服务的多元化、产业链及配套的营运模式是否就位。值得注意的是,5G专网是SA一个很好的切入点,但这要看政府相关政策与规划是否能有效协同电信运营商的发展计划,并在一些重要场合的应用发挥领头羊的示范角色。

再从技术面来看,薛伊良指出,5G网络部署初期,美国电信运营商投入了相当多的资源来建设FR2,也支持毫米波技术的NSA基站。但由于3GPP Release 15对FR2的省电和切换技术尚未成熟,导致用户对5G的使用体验与稳定度存有疑虑,促使电信运营商业运营而积极建设FR1,以及支持5G SA的核心网络。

另一方面,在5G SA网络开始商业营运后,基站的部署也逐渐普及,电信运营商开始思考将原本LTE使用的频谱转给5G NR使用,最主要的原因是,5G在频谱的使用上比4G更有弹性和效率。薛伊良解释,5G导入部分带宽(BWP)的技术,可将频带动态切割成不同带宽,以及不同大小的子载波(Sub Carrier space),使电信运营商可以满足多种服务在不同时间点的使用需求与质量。

5G SA设备需求升温,测试反而相对简单

随着电信运营商启动5G SA商业运营,支持5G SA的相关设备自然也跟着陆续问世,才能进一步助力电信运营商推广相关业务。据了解,现阶段已发布的近1,500项5G终端设备中,已有超过1,071种产品支持SA,其中约有844款已是商品化的产品,并在市面上流通。薛伊良说明,估计TMO、AT&T将相继宣布SA网络正式营运,势必带动终端对支持5G SA网络功能的需求。

因此,终端生产厂商亦开始研发支持5G SA的产品。不过,为确保设备联机质量,以及提升用户体验,支持无线技术的终端设备都须经过符合性测试,才能进入市场。而5G SA测试是否为厂商开发产品时带来新挑战?答案是否定的。

测量仪器供应商在访谈时皆表示,因为没有牵涉到LTE,所以相较于NSA的测试,SA的测量反而相对单纯,且测试设备只需支持5G核心网络与无线电。郭丁豪指出,5G SA的测试单纯性也反映在支持5G SA的O-RAN(Open RAN)设备测试上。这是由于与LTE共享基站方面,SA模式和NSA不一样,网络构架简单,因此无论是否为O-RAN的设备,在测试上都较为易于进行。

不过,薛伊良提醒,在终端开始支持5G SA网络之后,需要执行的测试验证项目就得增加5G信令及相关应用面的验证;此外,由于5G在频谱的使用上有相当大的弹性,故设备需支持的频率和子载波组合都需一一验证。而在O-RAN设备测试方面,因硬件技术的进展及通讯协议的演进,促进了O-RAN技术与构架在5G中的蓬勃发展。除了电信运营商可以采用O-RAN构架节省成本外,Local 5G、工业物联网(IIoT)网络也可以通过O-RAN的技术部署。但由于无线电波是不可视的,所以实际部署上各个点的信号强度,以及被干扰的影响也常常无法被准确估算,这是测试O-RAN设备时需注意的地方。

即使进行5G SA测试较单纯,但业界的人都明白一个道理——在单一终端设备中能融入越多的通信技术,越能为用户提供更多的创新体验,也可进一步提升产品的价值。因此,除非特定应用需求,终端设备自然不可能仅支持5G SA技术。如此一来,测试工作还能如此单纯吗?

测试內建多重无线技术设备才是真正挑战

单是如今的移动设备,尤其是智能手机,几乎都内置了蜂窝(cellular)、无线局域网络(WLAN)、蓝牙(Bluetooth)、GPS…等无线技术。安立知业务暨技术支持部协理江宗缙表示,支持多种无线通信技术的移动设备,若以传统的测试方法进行,厂商需要针对各种不同的通信协议,购买不同的测试设备来进行测试,往往会在测试设备上花费许多成本,才能部署完整的测试系统。

但花大钱部署测试系统后,并不代表实际进行产品测试时能够一帆风顺。每种无线技术各有其特性与其优缺点,要逐一将所有的测试项目都做完,且还得正确无误。故要通过测试,必须花费更多时间成本。有鉴于此,为协助终端产品制造商节省测试时间与成本,加速产品问世,测量仪器厂商纷纷认为综合型测试仪器,将是一大利器。

卢迦立认为,RF DE-SENSE测试始终是各式无线技术汇集时需要考察的重点。因此目前各家仪器公司均推出综合型测试仪器,即单机支持各式无线通信技术,再搭配宽带的屏蔽箱,为客户提供方便的完整性测试方案。R&S的CMX500 OBT单机便可支持LTE及5G FR1及FR2、SA和NSA的信令测试;另外,CMP 180/200无线设备研发和生产测试平台,则是针对Wi-Fi及5G FR1/FR2的非信令测试,这些综合型仪器均可为客户节省研发或产线的投资成本。除此之外,R&S也推出对应的自动化软件测试方案,进一步满足客户产品加快上市时间的要求。

 

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图3:R&S单机信令测试仪CMX500。(来源:R&S)

“单机或单系统确实可加速测试速度,”郭丁豪强调。他并以是德科技E7515B 5G无线测试平台说明,该平台在单一设备中同时支持多种无线技术,可大幅缩小系统体积和占用空间,还可在NSA和SA模式下支持5G NR,并可作为5G NSA模式的锚点,或独立支持LTE,或是进行Inter-RAT测试,也可支持3G Inter-RAT测试。

 

 

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图4:是德科技E7515B 5G无线测试平台。(来源:是德科技)

江宗缙则提到,安立知早在10年前就发布了多功能无线通信测试产品MT8870A,当时该公司还在中国台湾地区成立全球软件中心,期望通过完整的测试方案,协助客户进行产品开发、最佳化测试时间,进而缩短研发周期,减少研发成本。

 

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图5:安立知多功能无线通讯测试产品MT8870A。(来源:安立知)

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