Comment les normes et les tests de conformité façonnent l’avenir de la 5G ?

keysight - Sheri DeTomasi
Par Sheri DeTomasi, 5G New Radio Solutions Lead, Keysight Technologies

L’élaboration des normes 5G et leur déploiement commercial semblent être en bonne voie. Les opérateurs de téléphonie mobile et les fabricants d’équipements ont mené des essais sur le terrain et les premiers téléphones intelligents sont attendus cette année. Selon l’étude “The State of 5G” de Keysight, « près de la moitié des entreprises d’envergure mondiale déploient déjà des réseaux 5G ou prévoient de le faire dans les 12 prochains mois ».

Avons-nous atteint le point de basculement ? Selon la définition du Merriam-Webster, un point de basculement est un point de non-retour, après lequel une transformation importante se produit. Le protocole 5G New Radio (NR) a déjà parcouru un long chemin avec la norme Release-15, arrêtée en juin 2018. Certains experts du marché diront que les normes sont complètes, mais le sont-elles vraiment ?

Les produits 5G NR répondront-ils aux attentes des consommateurs ? S’ils ne sont pas à la hauteur des attentes, quel est l’impact sur l’industrie et le développement des produits ?  Voyons maintenant où nous en sommes dans le déploiement de la 5G NR en ce qui concerne les tests requis, les défis et les risques.

 

Les essais requis en matière de 5G

Les produits et les composants 5G doivent être testés dans tout l’écosystème, y compris les modems, les antennes, les sous-systèmes et les appareils des utilisateurs finaux. L’ensemble de ces dispositifs et stations de base seront suivis d’un flux de test similaire : recherche et développement (R&D), validation de la conception, tests de conformité et d’acceptation des dispositifs.

Compte tenu des nombreuses règles et réglementations à respecter pour la commercialisation d’un produit de communications sans fil mobile, des tests continus sont requis pour s’assurer que les produits finaux répondent aux spécifications du Third Generation Partnership Project (3GPP) et offrent la qualité de service que les opérateurs mobiles souhaitent offrir à leurs clients.

Les tests de conformité sont obligatoires pour libérer un dispositif et impliquent la connexion d’un appareil à un système de test sans fil et la réalisation des tests 3GPP :

  • Performances d’émission et de réception des radiofréquences (RF) – niveau minimal de qualité du signal
  • Démodulation – performance du débit de données
  • Gestion des ressources radio (RRM) – accès initial, transfert et mobilité
  • Signalisation – procédures de signalisation de la couche supérieure.

Les normes 3GPP définissent un niveau minimal de performance pour les équipements utilisateur (UE) et les stations de base (gNB). Ces exigences sont définies dans les spécifications techniques (TS) RAN4 et RAN5 :

  • Le RAN4 définit les exigences minimales pour les stations de base et les UE. Il spécifie également les scénarios de test et les méthodes de test pour la conformité des stations de base.
  • Le RAN5 définit les spécifications de test de conformité UE et les méthodes de test.

Les produits 5G NR peuvent fonctionner dans deux gammes de fréquences – la gamme de fréquences 1 (FR1 : 450 MHz à 6 GHz) ou la gamme de fréquences 2 (FR2 : 24,25 à 52,6 GHz), ou les deux FR1 et FR2. Les tests en FR1 au-dessous de 6 GHz sont fermement établis avec des méthodes de test bien comprises et les incertitudes associées.

Étant donné que le FR1 au-dessous de 6 GHz fonctionne avec les mêmes caractéristiques, les tests en FR1 seront similaires à ceux du LTE, la plupart des tests de conformité étant effectués avec un câble connecté à l’appareil, ainsi que les caractéristiques de l’antenne et les performances des sorties multiples à entrées multiples (MIMO) réalisées sur les ondes (OTA).

FR2 à des fréquences d’ondes millimétriques (mmWave) ajoute une toute nouvelle torsion sur l’OTA puisque toutes les mesures en FR2 seront testées OTA.

Des tests de conformité sont effectués par des laboratoires de tests tiers pour déterminer si un produit est conforme. Ces tests sont coûteux et incitent la plupart des entreprises à effectuer leurs propres tests de pré-conformité afin de s’assurer que leurs produits passeront avec succès ces tests dans des laboratoires indépendants. Actuellement, ces tests sont encore en cours de développement et seront définis au cours de la prochaine année pour différents cas d’utilisation.

 

De nouvelles fonctionnalités engendrent de nouveaux défis

La 5G NR introduit beaucoup de nouvelles fonctionnalités qui augmentent la complexité des tests. Un fonctionnement à fréquence plus élevée, des largeurs de bande plus larges, une structure de forme d’onde flexible et le nombre croissant de cas de test qui doivent être validés lors de la conception des tests d’impact. Dans la plupart des cas, les conceptions de tests de moins de 6 GHz en FR1 sont similaires à celles du LTE. Les principaux défis résident dans les conceptions de tests fonctionnants entre 3,5 GHz et 6 GHz qui utilisent des largeurs de bande plus larges et des MIMO massifs, et dans les conceptions fonctionnant en FR2 parce qu’elles nécessitent des méthodes de test OTA. L’OTA présente de nombreux nouveaux défis que les concepteurs d’UE et de stations de base n’ont pas encore rencontrés, et a de grandes implications pour l’environnement de test.

Défis liés aux tests des équipements utilisateurs: la 5G NR doit s’adapter à de nombreux scénarios d’utilisation différents, du très haut débit à la faible taille des paquets, en passant par des temps de latence très faibles et une grande fiabilité. Pour prendre en charge une si grande variété de cas d’utilisation, la couche physique 5G NR a été définie avec une grande flexibilité, modifiant la façon dont les signaux sont créés et dont ils fonctionnent.

Défis liés aux tests des stations de base: La nature active de la direction et de la formation du faisceau 5G nécessite une validation dans un réglage OTA. Des aspects clés tels que le gain d’antenne, le lobe latéral et la profondeur nulle pour toute la gamme des fréquences et largeurs de bande 5G peuvent avoir un impact majeur sur les performances du système. En particulier, les mesures de faisceau d’antenne 3D introduisent de nombreuses complexités dans le test.

 

Risques et conséquences

Quel sera le rendement du RAN 5G NR RAN ? Les appareils se connecteront ils parfaitement d’une station de base à l’autre et assureront-ils une double connectivité avec la technologie 4G LTE ? Les appareils, les stations de base et l’ensemble de l’écosystème peuvent-ils fournir des indicateurs de performance clés (KPI) tels que 20 Go/s en liaison descendante (DL) pour le streaming vidéo UHD ? Vont-ils fournir la faible latence attendue pour les voitures autonomes ? Et offriront-ils la haute fiabilité requise pour les applications sans défaillance ? Ce ne sont là que quelques-unes des questions qui empêchent les ingénieurs concepteurs de dormir la nuit !

Des produits de mauvaise qualité peuvent entraîner des coûts de réparation et des taux de retour plus élevés et se traduire par des parts de marché plus faibles et donc des bénéfices en baisse pour une entreprise. Un produit introduit avec un modèle d’exploitation peu performant, un processus inefficace ou des tests coûteux peut également réduire la production ou entraîner une baisse de la qualité du produit et avoir des conséquences désastreuses sur la réputation et les ventes des équipementiers (OEM) dans tous les marchés.

Entre-temps, même si les tests de conformité 5G sont des étapes clés dans le cycle de vie du produit, ils restent incomplets. Les systèmes de base de conformité au protocole et les spécifications des cas d’essai pour les essais d’OTA n’ont pas encore été précisés. Cependant, les cas de test les plus pertinents pour le RAN5 sont attendus d’ici la mi-2019 et les autres tests devraient sortir l’année suivante. Cela permettra d’introduire progressivement de nouvelles capacités dans de nouveaux produits et de limiter les risques.

En plus des mises à jour de la version 15 du 5G NR, le 3GPP a déjà commencé à travailler sur la version 16 en se concentrant sur de nouveaux types de services, de dispositifs, de modèles de déploiement et de bandes de fréquences en mettant l’accent sur les améliorations des communications à faible latence (URLLC) ultra fiables pour l’Internet industriel des objets (IIOT), l’utilisation des bandes sans licence, les communications des véhicules à tout (V2X), le positionnement UE et la puissance efficace.

Cependant, des cibles incomplètes et évolutives exercent une pression considérable sur les développeurs qui doivent s’assurer que leurs conceptions et leurs essais sont suffisamment souples pour répondre aux besoins futurs. Les conceptions et les systèmes d’essai devront s’adapter à de nouvelles bandes de fréquences plus élevées et mettre en œuvre une latence et une coexistence plus faibles avec les bandes sans licence.

 

Le point de basculement à la 5G interviendra avec des applications critiques

Nous en sommes aujourd’hui à un point où les spécifications sont finalisées pour la version 15 de la 5G NR et l’introduction des conceptions est prévue pour le début de 2019. Mais est-ce un point de non-retour ? Non.

La plupart des fournisseurs travaillant sur la 5G NR prévoient d’introduire progressivement leurs capacités 5G. Les versions initiales, telles que les téléphones mobiles à double connectivité, s’appuieront fortement sur la 4G pour les applications critiques et utiliseront la 5G pour les téléchargements à haut débit supplémentaires. La version 15 du 5G NR se concentre sur la spécification de la base sous-jacente de l’interface aérienne flexible et permet l’utilisation du haut débit mobile amélioré (eMBB) pour un débit de données élevé. Ces capacités sont très ciblées, ce qui donne aux premiers produits 5G une plus grande marge de manœuvre pour résister à un démarrage difficile.

Le véritable test pour les produits 5G est plus loin dans le temps lorsque des applications critiques ayant des conséquences plus importantes sont introduites. Il sera important pour les entreprises développant des produits 5G de s’engager avec un partenaire de test qui a travaillé avec des leaders de l’écosystème du sans fil et qui a déjà fait face à la plupart des problèmes difficiles liés à la vérification de la conformité et des capacités.

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