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5G

关键业务无线电测试系统设计过程中需要考虑的五件事

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现代5G商用蜂窝技术的主要目的是为消费者和企业提供非常高的数据速率、大规模机器型的通信,以及时延超低/可靠性超高的通信。

现代5G商用蜂窝技术的主要目的是为消费者和企业提供非常高的数据速率、大规模机器型的通信,以及时延超低/可靠性超高的通信。

在公共安全或国防网络等关键业务通信中,通信的目的则略有不同。虽然有些5G目标与关键业务网络非常一致,但仍然存在以下的区别化因素:

网络架构

尽管蜂窝架构在5G中占主导地位,但关键业务网络依赖更多的是一种特殊的网络设施。这就强制性地要求网格架构可以随需创建,而通信的绝大部分内容仍然通过“常规”网络架构来执行

JP Fig1 MC radiotest 600

Figure 1. (right) Targets of modern 5G communications

无线电接入技术

在5G中,一个关键的关注点就是在现已十分拥塞的波段中添加新的带宽,为新型消费者服务不断增长的需求提供支持。在关键业务系统中,关键的关注点则是传输干净且可读的消息。例如,虽然两者都可以使用波束塑型作为无线电接入技术,但两者的用例场景却是完全不同的。在5G中,人们只关心数据速率,而在关键业务通信中,类似的无线电接入技术将被用于压制故意干扰等关键方面。在关键任务通信中的信号设计中,其指导原则降低信号被拦截的可能性,并且让干净命令信号的解码变得更加简便。

用例的多样性

5G呈现的是定义明确的使用场景,例如一个包含地面蜂窝网络的城市环境。在关键业务通信中,为了保障消息的顺利通过,可以使用任何必要的手段,包括卫星、飞机或手持设备。这意味着其传播环境,以及收发器架构,都会因高多普勒和延迟而大相径庭。此外,蜂窝设备的生命期可长达数年,而在关键业务系统中,设备的寿命往往要长达数十年,因此会对维护和关键器件的供应提出更高的需求。

关键业务通信系统设计中需考虑的五件大事

虽然标准的蜂窝传播测试系统并不直接适用于关键业务测试例,但如果使用和配置得当,它们可以创造出一种成本效率非常高的可扩展小足迹传播测试解决方案。在选择传播测试系统时,测试设计师应当对下列方面加以考虑。

1. 无外部器件

网格无线电系统的网络架构与传统蜂窝网络存在很大的区别。因此,蜂窝网络的测试系统并不能直接适用于网格无线电测试,除非使用诸多外部器件(合成器)在不同无线电之间对信号执行正确的路由。 

当测试系统中的无线数量增加时,外部路由器件的数量也会增加,这就使测试系统中很容易出现人为错误或布线错误。因此,为了保持测试系统的可控性和可维护性,必须将其尽可能地简化。

传播测试仪中的信号路由必须支持网格架构的完整连接,包括完整网格的各个子集,例如环型、组队型或星形。

图2描绘的是多种16路无线电双向网格拓扑结构(全网格、星形、组队形和环形)。如我们所见,无线电链路的数量在全网格中很容易变得非常大
[N*(N-1),其中N=无线电数]。使用任何外部器件执行的信号路由都将变得极为困难,因此传播测试需要使用内部的信号路由,从而只让无线电能够连接至测试系统。

JP Fig2 MC radiotest 600

Figure 2. (right) Typical ad hoc mesh radio topologies (full mesh, star, convoy, and loop) with 16 radios.

2. 场景创建的便利性

当测试系统中的无线电数量增加时,相对运动、信噪比和任何其它参数的建模都会变得困难异常,有时只有技能高超的专家才能计算仿真所需的所有参数。测试系统的用户界面必须支持关键业务场景的创建,其中包含真实环境中的多路无线电,因为只有这样,我们才能够创建出所需的场景。

软件工具必须具备扩展能力,也就是说,它们必须提供开放接口,使相同的场景可以自由地用于任何其它测试系统中。同样,测试系统也必须具备开放接口,能够从外部来源导入数据,进而模仿出任何需要的测试要求。

用户友好场景创建过程的实例如图3所示。

JP Fig3 MC radiotest 600

Figure 3. (right) user-friendly GUI to create scenarios

利用这种界面,用户可以将无线电安置在网络布局中,由软件来自动计算出各项动态无线电信道参数(延迟、角行为、路径损失),并将该环境以流的形式传输给硬件在环系统。在需要针对高动态传播条件和动态变化的网络架构对可靠性进行测试的场景中,传统的链路级模拟早已是不堪重负,不足为用。

3. 实时受控系统

现代关键任务网格无线电具备自适应能力,并可部署LPI(低拦截概率)信令。这意味着无线电可以在运行过程中更改任何物理层信令的参数。因此,测试系统也必须能够反映这一特性,正确地应对无线电的这些关键功能。在修改测试系统参数时,环境必须可以实时创建,而且无需重新汇编或其它耗时的数学计算过程。

例如,测试设备必须具备一个能够使用神经网络的开放接口,并且能够适配任何已知的干扰器或干涉源。在修改环境时如何采用封闭式的接口或耗时的流程,则可能拖慢某些现代战术无线电的测试过程。

4. 广阔的带宽

尽管无线电本身可能会使用窄带技术,但测试系统必须利用单一的硬件资源来支持非常宽的波段。跳频就属于关键的LPI技术之一,其中用到的连续频率槽是相互隔开的。然而,由于传播环境具有时间和频率选择性,而传播在各跳之间是无关联的。因此, CSI(信道状态信息)的估计值无法用于连续的跳转,因为它会过度简化传播环境,因而不可能反映实际世界中发生的情况。

第二项LPI技术是使用DSSS(直接序列扩频)技术,其中的信号会被编码到非常高的带宽上,以便在噪音水平之下传输信息。使用单一硬件资源来支持宽频带对于两种技术都是非常有益的。如果测试系统无法做到这一点,就可能导致带宽级联,也就是说,由于测试硬件内部的极限而需要采用更昂贵的测试系统。

宽广的带宽还可以实现精确的传播建模。信道模型是由过滤器阶数来定义的,而阶数间隔的分辨率与带宽呈反比关系。

5. MIMO技术的扩充

MIMO无线电可以为关键业务部署提供一些极具吸引力的特性。它们可以在相同的频带上提供可靠性和更高的数据速率,而且其复杂性也控制在合理的较小范围内。然而,我们必须理解的是,MIMO无线电会部署传播的空间域,因此其传播建模需要包含动态空间域行为,否则MIMO的优势将无法得到测试。 

MIMO涵盖从发送或接收多样性到NxM空间复用技术的多种配置,因此测试系统必须支持无任何外部器件的MIMO无线电测试,也就是说,MIMO是测试平台的一种内部特性。

在传播建模方面,所有的测试设备必须同时支持多种独立的传播环境(即所谓的信道)。为了高效支持全面的网格测试,单台机箱也需要支持足够的不同频率、独立信道和内部MIMO无线电连接。

如欲更深入地了解全面测试网格网络方面的内容,欢迎参考思博伦的白皮书《保障关键业务网格网络的无线电系统性能》右箭头图标

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Jukka-Pekka Nuutinen

Senior Solutions Architect

JP Nuutinen is an industry-renowned subject matter expert in radio channel emulation with over 20 years of experience in engineering and research. He is currently focused on cellular base station (gNodeB) and device test methodology for 5G technologies. Born in Valkeakoski, Finland, JP holds both Masters and Licentiate Technology degrees from Tampere University of Technology. He has more than 20 granted patents in addition to over 30 authored or co-authored publications.