El punto de inflexión de 5G New Radio: cómo los estándares y las pruebas de conformidad le dan forma al futuro de la tecnología 5G #Tecnologia

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Por: Sheri DeTomasi

El desarrollo de estándares de 5G y su implementación comercial parecen ir por la vía rápida. Los operadores de telefonía móvil y los fabricantes de equipos de red han estado realizando pruebas de campo y se espera que los primeros teléfonos inteligentes estén disponibles a principios de este año. De acuerdo con el estudio de mercado The State of 5G, “casi la mitad de las empresas internacionales ya están implementando redes 5G, o planean implementarlas dentro de los próximos 12 meses”.   

¿Nos encontramos en el punto de inflexión? ¿Qué es exactamente un punto de inflexión, y por qué podríamos encontrarnos en uno?  La definición de Merriam-Webster explica que un punto de inflexión es un punto sin retorno, el momento previo a una transformación significativa.  5G New Radio (NR) ha avanzado mucho con la versión 15 del estándar, aprobada en junio de 2018.  Quizás haya escuchado a algunos expertos de la industria decir que los estándares están completos, pero ¿es realmente así? 

¿Los productos 5G NR cumplirán con las expectativas de los consumidores?  Si no cumplen con las expectativas, ¿cuál será el impacto en la industria y en el desarrollo de productos?  Analicemos en qué etapa de la implementación de 5G NR nos encontramos con respecto a las pruebas obligatorias, los desafíos y los riesgos. 

Pruebas de 5G obligatorias  
Los productos y componentes 5G requieren pruebas a lo largo del ecosistema, esto incluye módems, antenas, subsistemas y dispositivos para el usuario final completamente ensamblados.  Todos estos dispositivos y estaciones base pasarán por un proceso de prueba similar: investigación y desarrollo (I+D), validación del diseño, conformidad y prueba de aceptación del dispositivo.  

Con muchas normas y regulaciones que seguir a fin de lanzar al mercado un producto de comunicación móvil inalámbrica, las pruebas se realizan a lo largo del ciclo de vida del producto para garantizar que cumpla con las especificaciones del Proyecto de Asociación para la Tercera Generación (3GPP) y brinde la calidad que los operadores de telefonía móvil apuntan a ofrecerles a sus clientes.   

Las pruebas de conformidad son pruebas obligatorias que se deben completar antes del lanzamiento de un dispositivo. Las pruebas de conformidad son un requisito fundamental e implican conectar un dispositivo a un sistema de prueba inalámbrico y llevar a cabo las pruebas del 3GPP obligatorias:  
•    Desempeño de la transmisión y recepción de radiofrecuencia (RF): nivel mínimo de calidad de la señal.  
•    Demodulación: desempeño del procesamiento de datos. 
•    Administración de recursos de radio (RRM): acceso inicial, transferencia y movilidad.  
•    Señalización: procedimiento de señalización de capa superior. 
 
Los estándares del 3GPP identifican un nivel de desempeño mínimo para terminales de equipos de usuario (EU) y estaciones base (gNB). Estos requisitos se definen en las especificaciones técnicas (TS) RAN4 y RAN5:   
•    RAN4 define los requisitos mínimos para estaciones base y EU. También especifica los casos y los métodos de prueba para las pruebas de conformidad de estaciones base.  
•    RAN5 define los métodos de prueba y las especificaciones de las pruebas de conformidad de los EU.  

Los productos 5G NR pueden funcionar en dos rangos de frecuencia: rango de frecuencia uno (FR1: de 450 MHz a 6 GHz) o rango de frecuencia dos (FR2: de 24.25 a 52.6 GHz), o ambos. La prueba en el FR1 por debajo de 6 GHz se estableció sólidamente con métodos de prueba bien entendidos e incógnitas relacionadas.  
 
Dado que el FR1 por debajo de 6 GHz funciona con las mismas características, las pruebas en el FR1 serán similares a las de LTE: la mayoría de las pruebas de conformidad se realizarán con un cable conectado al dispositivo, y las de las características de antena y el desempeño de múltiples entradas, múltiples salidas (MIMO) se completarán por aire (OTA).  
 
El FR2 a frecuencias de onda milimétrica (mmWave) les da un giro totalmente nuevo a las pruebas OTA, ya que todas las mediciones en el FR2 se realizarán con pruebas OTA. 

Puede encontrar los requisitos mínimos, las especificaciones de la prueba de conformidad y los métodos de la prueba para todas las frecuencias en los siguientes documentos del 3GPP:   
 
     Requisitos mínimos    Pruebas de conformidad
Estación base     TS 38.104     •    TS 38.141-1: Parte uno: pruebas de conformidad de emisiones conducidas para el FR1 
•    TS 38.141-2: Parte dos: pruebas de conformidad de emisiones radiadas para configuraciones específicas de estaciones base en el FR1 y el FR2 
Equipo de usuario     TS 38.101     •    TS 38.521-1: rango uno en modo aislado – pruebas de emisiones conducidas en el FR1 
•    TS 38.521-2: rango dos en modo aislado – pruebas de emisiones radiadas en el FR2 
•    TS 38.521-3: interoperabilidad de rango uno y dos con otras tasas – pruebas de emisiones conducidas en el FR1 y pruebas de emisiones radiadas en el FR2 
 
Las pruebas de conformidad están a cargo de laboratorios de ensayo externos que determinan si un producto cumple con los requisitos. Estas pruebas son costosas, por lo que la mayoría de las empresas llevan a cabo sus propias pruebas de conformidad previamente para asegurarse de que su producto supere de manera satisfactoria las pruebas de laboratorios independientes. Actualmente, estas pruebas todavía se encuentran en desarrollo y se definirán durante el próximo año para los diferentes casos de uso. 

Las nuevas características generan nuevos desafíos en las pruebas 

5G NR introduce muchas características nuevas que aumentan la complejidad de las pruebas. La operación a una frecuencia más alta, los anchos de banda de canal más amplios, la estructura de forma de onda flexible y el aumento de la cantidad de casos de prueba que necesitan validarse, todo esto afecta el diseño de las pruebas. Por lo general, los diseños de las pruebas por debajo de 6 GHz en el FR1 son similares a los de LTE. Los desafíos principales se relacionan con los diseños de pruebas que operan en el rango de 3.5 GHz a 6 GHz y que utilizan anchos de banda más amplios y MIMO masivas, y los diseños que operan en el FR2 porque exigen métodos de prueba OTA. El método OTA presenta muchos desafíos nuevos que los diseñadores de EU y estaciones base aún no han experimentado, y afectan considerablemente el entorno de prueba.   

Desafíos de las pruebas de equipos de usuario: 5G NR debe adaptarse a muchas situaciones de uso diferentes, desde un muy alto rendimiento hasta un tamaño pequeño de paquetes, al igual que latencias muy bajas con alta confiabilidad. Para admitir esta amplia variedad de casos de uso, la capa física de 5G NR se diseñó con gran flexibilidad, lo que genera un cambio en la forma en que se crean y funcionan las señales. Además, existen siete opciones de arquitectura de sistema diferentes y se implementará la conectividad doble con 4G LTE. Se deben realizar pruebas para todos los casos de uso diferentes. Asimismo, esto involucra pruebas de RF y señalización, que incluyen pruebas de desempeño total de extremo a extremo con problemas reales como pérdida de ruta excesiva, desvanecimiento por trayectos múltiples y dispersión del retardo. Para poner a prueba estas funciones, se necesita una solución de prueba OTA que pueda emular los protocolos de la estación base y las condiciones del canal para conocer el verdadero desempeño de los EU. 
 
 
 
Figura 1.  Solución OTA simplificada con un emulador de red y un emulador de canal.  

El drástico aumento en la cantidad de casos de prueba que deben validarse durante el desarrollo, para evaluar la conformidad, y las pruebas de aceptación de los dispositivos incrementan de forma directa la complejidad y los tiempos de las pruebas. Es fundamental que se asegure de realizar las pruebas de acuerdo con las últimas especificaciones y obtener periódicamente las actualizaciones del software de prueba de 5G NR, a fin de minimizar el riesgo de desarrollo paralelo, evitar las reelaboraciones costosas y garantizar que los diseños cumplan con los cambiantes requisitos de 5G NR. 

Desafíos de las pruebas de estaciones base: La naturaleza activa del direccionamiento y la conformación de haz de 5G exige la validación en un entorno OTA. Los aspectos fundamentales como la ganancia de la antena, los lóbulos secundarios y la profundidad nula en todo el rango de frecuencias y anchos de banda de 5G pueden tener un gran impacto en el desempeño del sistema. En especial, las mediciones del haz de la antena 3D introducen muchas complejidades en la prueba.  
 
Aunque el aumento de la pérdida de ruta y el deterioro de la señal no fueron un problema a 6 GHz o menos, estos fenómenos son problemáticos en frecuencias mmWave. Por lo tanto, las soluciones de prueba para frecuencias mmWave no solo deben adaptarse a frecuencias más altas con anchos de banda de canal más amplios, sino también corregir la mayor pérdida de ruta a frecuencias mmWave. Para lograr esto, una solución de prueba debe tener una relación señal-ruido (SNR) adecuada para detectar y demodular de forma precisa las señales 5G. 

Cuando se ponen a prueba transmisores, la SNR es esencial en el analizador de pruebas para realizar mediciones precisas de la magnitud del vector de error (EVM) y la relación de fuga de canal adyacente (ACLR), y aún más para las pruebas a frecuencias mmWave. Para mejorar la SNR en una solución de prueba diseñada para receptores, adquiere importancia el uso de generadores de señal con una potencia de salida superior por EVM y ACLR. Además, la calibración a nivel del sistema también es fundamental para corregir los cambios de fase y magnitud de todo el sistema con el ancho de banda de la medición. Vea cómo una forma de onda corregida soluciona el problema de respuesta del canal en el gráfico de dispositivo bajo prueba (DUT) a continuación.  
 
 
 
  
 
 
 Figura 2.  La corrección de la respuesta del canal aumenta la precisión de la medición. 

Riesgos y consecuencias 
¿Cuán bueno será el desempeño de 5G NR RAN? ¿Los dispositivos se conectarán a la perfección de una estación base a la otra, y ofrecerán conectividad doble con 4G LTE?  ¿Los dispositivos, las estaciones base y el ecosistema completo cumplirán con los indicadores clave de desempeño (KPI) como 20 GBps en el enlace descendente (DL) para la transmisión de video UHD? ¿Brindarán la latencia baja esperada para automóviles sin conductores? ¿Y ofrecerán la alta confiabilidad necesaria para las aplicaciones que no pueden tolerar fallas? Estas son solo algunas de las preguntas que desvelan a los ingenieros de diseño.  

Los productos de baja calidad pueden generar costos de reparación más altos, devoluciones y una menor participación en el mercado junto con una reducción de las ganancias de su empresa.  Un producto que se presenta con un modelo de operación de bajo desempeño, un proceso ineficaz o pruebas costosas también puede disminuir la capacidad de producción o la calidad del producto, además de tener consecuencias nefastas para la reputación y las ventas de los fabricantes de equipos originales OEM) en todas las industrias —automotriz, médica, de semiconductores o de comunicaciones. 
Mientras tanto, aunque las pruebas de conformidad de 5G son hitos clave en el ciclo de vida del producto, estas pruebas siguen siendo incompletas. Aún falta establecer sistemas básicos de conformidad de protocolos y especificaciones de los casos de prueba para las pruebas OTA. Sin embargo, los casos de prueba más relevantes para RAN5 se esperan para mediados de 2019, y es probable que el resto de las pruebas se den a conocer el año próximo. Esto ayudará a introducir gradualmente nuevas capacidades en nuevos productos y a limitar los riesgos.     

Además de las actualizaciones a la versión 15 de 5G NR, el 3GPP ya ha comenzado a trabajar en la versión 16, centrándose en los nuevos tipos de servicios, dispositivos, modelos de implementación y bandas espectrales, y especialmente en mejorar las comunicaciones ultrafiables y de baja latencia (URLLC) para el internet industrial de las cosas (IIOT), la utilización de bandas sin licencia, las comunicaciones Vehículo a Todo (V2X) y el posicionamiento y la eficacia de la potencia de los EU.  

Sin embargo, los objetivos, cambiantes e incompletos, ejercen mucha presión sobre los desarrolladores, que necesitan garantizar que sus diseños y pruebas sean lo suficientemente flexibles como para adaptarse a los requisitos futuros. Los diseños y los sistemas de prueba deberán ajustarse a nuevas bandas de frecuencia más altas, posiblemente con anchos de banda de canal superiores, e implementar una latencia más baja y la coexistencia con bandas sin licencia.  

El punto de inflexión de 5G surgirá con las aplicaciones críticas 
Entonces, dado que la versión 15 de 5G NR está aprobada, ¿nos encontramos en el punto de inflexión de 5G? Estamos en el precipicio: en este punto, se han finalizado las especificaciones para la versión 15 de 5G NR y se han planificado los diseños para su introducción a principios de 2019.   
Pero ¿es un punto sin retorno? No.  

La mayoría de los proveedores que trabajan en 5G NR planean introducir sus capacidades 5G gradualmente. Las versiones iniciales como los teléfonos móviles con conectividad doble dependerán en gran medida de 4G para las aplicaciones críticas y utilizarán 5G para las descargas de alta velocidad complementarias. La versión 15 de 5G NR se concentra en especificar los fundamentos subyacentes para la interfaz aérea flexible y posibilitan el caso de uso de banda ancha móvil mejorada (eMBB) para un gran procesamiento de datos.  Estas capacidades son muy específicas, por eso los primeros productos 5G tendrán un mayor margen para superar un comienzo turbulento.  

La verdadera prueba para los productos 5G surgirá más adelante cuando se introduzcan aplicaciones críticas con consecuencias mayores. Será importante para las empresas que desarrollan productos 5G colaborar con un socio de prueba que haya estado trabajando con líderes del ecosistema inalámbrico y que ya haya enfrentado la mayoría de los problemas difíciles que se presentan al verificar el cumplimiento y la capacidad.

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