Tests et performances des réseaux 5G
Les dernières innovations, telles que les véhicules autonomes, « l’Internet des objets » (IdO) et la réalité virtuelle, marquent la prochaine révolution technologique. La 5G apportera les améliorations exponentielles, en termes de bande passante et de réduction du temps de latence, nécessaires pour alimenter ces avancées.
En ce qui concerne les technologies sans fil, les clients exigent des performances optimales. Avec des vitesses jusqu’à 100 fois plus rapides que les connexions cellulaires existantes et une latence de l’ordre d’une milliseconde, les nouvelles avancées de la 5G surpasseront même les capacités actuelles de la fibre optique physique.
Pour réussir cette transition, des pratiques de tests de la 5G sont en cours de développement et d’ajustement, afin de garantir les performances régulières requises par les utilisateurs finaux. Les outils, logiciels, protocoles et pratiques exigés par les phases de déploiement de la 5G forment la base du domaine de tests 5G émergent.
Tester la 5G ne consiste pas uniquement à vérifier que les vitesses de téléchargement sont ultra rapides, que la latence est extrêmement faible et que la densité de couverture est vaste. Les solutions de test de la 5G simplifiées et de bout en bout jouent un rôle essentiel dans le développement, le déploiement et l’excellence opérationnelle des réseaux 5G émergents. L’expérience et l’expertise inégalées de VIAVI (du laboratoire jusque sur le terrain) en matière d’automatisation des processus de test permettent de bénéficier d’une visibilité améliorée et d’un délai de mise sur le marché plus rapide, et d’optimiser les flux de revenus de la 5G.
Les grands changements exigent de s’impliquer et la question des performances de la 5G ne fait pas exception à la règle. Les nouveaux éléments architecturaux qui définissent la 5G s’accompagnent de défis (tant du point de vue de la complexité que de la technique) proportionnels au niveau d’innovation de la 5G New Radio. VIAVI montre la voie en ce qui concerne les protocoles de tests de la 5G. L’entreprise a notamment créé un ensemble complet et entièrement intégré d’appareils et d’équipements de test compatibles avec le cloud, de services d’automatisation logicielle et de solutions de tests de réseaux spécifiquement conçus pour les réseaux 5G. Pour les développeurs, les opérateurs et leurs partenaires, cet engagement en faveur des performances et services de la 5G s’est traduit par des déploiements réussis et l’assurance de disposer de réseaux 5G durables.
Poursuivez votre lecture pour découvrir en quoi les tests 5G continuent d’être importants et de présenter des défis dans toutes les phases du déploiement.
Pourquoi les tests 5G sont-ils si importants ?
Les tests 5G sont devenus des éléments indispensables à l’exploitation du plein potentiel de la 5G. Les solutions de test se sont rapidement adaptées aux cas d’utilisation complexes et aux avancées architecturales, englobant simultanément des éléments de réseaux de cœur, de transport, d’accès sans fil (RAN) et fibre optique. Cela a exigé la mise en œuvre, dans le laboratoire de test 5G, de technologies avancées d’émulation et de vérification évolutives et adaptables au déploiement complet de la 5G sur le terrain.
Les réseaux optiques 5G sont mis au défi de répondre à des exigences de fronthaul et backhaul aux objectifs élevés en matière de débit, de bande passante, de fiabilité et de synchronisation, tandis que la virtualisation des fonctions réseau (NFV) et l’informatique en périphérie introduisent de nouveaux obstacles à la visibilité. Cette convergence d’éléments de systèmes dynamiques fait des plateformes intelligentes, automatisées et en temps réel un autre élément essentiel des tests et de l’optimisation des performances des réseaux 5G indispensables à la mise en place de votre solution 5G.
New Radio (NR)
Le terme 5G NR fait référence à la nouvelle norme sans fil basée sur OFDM, qui succédera au LTE au titre de norme de facto pour l’exploitation de la 5G. Le 3rd Generation Partnership Project (3GPP) a présenté sa norme NR préliminaire en décembre 2017. Le spectre New Radio inclura des fréquences allant de moins de 6 GHz à 100 GHz. Une bonne partie de ce large spectre comprendra l’espace libéré par la désactivation des bandes de fréquence 2G, 3G et PCS pour la bande inférieure à 6 GHz. La première application à être prise en charge et standardisée sera le haut débit mobile. Les capacités supplémentaires telles que les communications massives de type machine (massive machine type communications, (MMTC) et les communications à faible latence et à haute fiabilité (ultra-reliable low latency communications, (URLLC) seront déployées plus tard.
La 5G NR est en train de créer un nouveau paradigme au sein de la méthodologie de test de la 5G. Un haut niveau de sophistication est requis afin de vérifier le suivi du beam (faisceau directif) et l’acquisition à des fréquences plus hautes, avec une agrégation des canaux plus complexe. L’architecture de réseau d’accès sans fil (RAN) 5G flexible entraîne la création d’un ensemble de cas de tests et de configurations de réseaux optiques diverses dont la quantité s’accroît de façon exponentielle. Parallèlement, la coexistence avec la 4G en mode non autonome crée des problèmes d’interférence et de mobilité qui doivent également être émulés, testés et vérifiés, puis surveillés grâce à des pratiques de test de la 5G innovantes.
Ondes millimétriques
Le spectre à très haute fréquence qui inclut la limite supérieure de 100 GHz définie par le NR est nommé onde millimétrique. Les grands volumes de bande passante disponible, comptés en centaines de MHz à haute fréquence, résultent en une plus grande rapidité. La plage millimétrique, située entre 24 GHz et 100 GHz, constitue un élément essentiel des processus de test et de déploiement de la 5G. Bien que la vitesse soit supérieure, la portée est beaucoup plus courte, et les obstacles tels que les bâtiments et les murs atténueront le signal, tandis que les fréquences plus basses peuvent traverser sans encombre ces mêmes obstacles. Ces fréquences plus élevées et ces bandes passantes de canal plus larges exigeaient des solutions de test offrant une plage dynamique et des rapports signal/bruit (SNR) améliorés afin de démoduler les signaux d’ondes millimétriques avec précision.
MIMO massif (Massive MIMO)
L’expression « entrées multiples, sorties multiples », ou MIMO (pour « multiple-input, multiple-output »), fait référence aux antennes pouvant être utilisées pour augmenter le débit de données (multiplexage spatial) au lieu d’améliorer la robustesse. On parle de MIMO massif (Massive MIMO) pour un système intégrant un nombre beaucoup plus élevé d’antennes radio sur les antennes-relais. À hautes fréquences, les longueurs d’onde radio sont si faibles qu’un large groupe d’antennes peut être intégré dans un facteur de forme beaucoup plus petit pour permettre une exploitation en MIMO massif (Massive MIMO).
Les MIMO massifs (Massive MIMO) peuvent résoudre certains des inconvénients associés aux ondes millimétriques en transmettant des flux de données en parallèle et en permettant au dispositif de les reconstituer en un message unique. La densité du réseau MIMO massif (Massive MIMO) et l’élimination des ports de connexion ont rendu impossibles les tests câblés traditionnels, marquant ainsi l’arrivée de nouvelles normes pour les tests radio (over-the-air, OTA).
Cette fonctionnalité avancée a fait apparaître des exigences en ce qui concerne la synchronisation des tests pour les réseaux MIMO 5G dans la catégorie des tests les plus rigoureux (A+). Les tests de nœud de réseau de transport fronthaul (FTN) réalisés avec le MTS-5800-100G peuvent valider efficacement ces exigences de synchronisation en effectuant des mesures de débit, de délai et de gigue des paquets.
Beamforming
Une autre technologie avancée essentielle au succès des tests et du déploiement de la 5G : le beamforming. Il s’agit d’une méthode au moyen de laquelle un algorithme est utilisé pour concentrer les signaux sans fil dans un faisceau dirigé. Cette approche offre un moyen d’éviter les obstacles pouvant interférer avec les transmissions à haute fréquence, et peut également concentrer les transmissions de manière stratégique, directement vers l’utilisateur final.
L’utilisation de MIMO massif (Massive MIMO) permettra cette personnalisation à travers la propagation de réseaux dynamiques intégrant 256 antennes individuelles ou plus. La validation de ces configurations d’antennes actives et des performances des canaux exige une solution de test d’antenne-relais 5G innovante. Le OneAdvisor 800 vérifie et contrôle la stabilité des canaux, la qualité de modulation et l’ID de cellule à partir de tests de terrain contrôlés sur des déploiements 5G à grande échelle.
Découpage réseau en tranche (Network Slicing)
Le concept de découpage réseau se réfère à l’utilisation intelligente de portions du spectre basée sur les besoins spécifiques de l’appareil ou de l’application individuelle. Un véhicule autonome, par exemple, peut exiger une latence extrêmement faible pour pouvoir fonctionner de manière sûre, tandis que les applications IdO peuvent inclure un grand nombre d’appareils à très faible demande de débit. Le réseau mobile configurera habilement les ressources afin d’optimiser leur utilisation et le flux de trafic.
La vérification des performances d’un réseau 5G à partir de multiples éléments virtuels dans le monde réel peut être améliorée en testant et validant divers cas de découpage réseau en tranche (Network Slicing) en laboratoire. Les solutions de bout en bout pour les tests et la validation des réseaux d’accès sans fil (RAN) jusqu’aux backbones peuvent émuler entièrement les réseaux 5G principaux, tout en vérifiant la sélection et la fonctionnalité du nœud de découpage réseau en tranche.
Défis
Une fois combinés, l’utilisation des ondes millimétriques, le MIMO et le beamforming fournissent l’infrastructure de la 5G et ouvrent la voie à d’incroyables améliorations en termes de performance pour notre monde numérique en pleine évolution. La complexité supplémentaire apportée par ces innovations peut elle aussi représenter des défis pour les tests de réseaux 5G et pour le processus de test de la 5G en général. Le MIMO, de manière simplifiée, consiste en l’utilisation de (nombreuses) antennes supplémentaires, ce qui représente une charge de test plus importante afin de garantir que toutes les antennes intégrées sont pleinement opérationnelles. L’architecture compacte et la densité de ces installations ne permettront plus la collecte de mesures de connecteurs pour chaque antenne.
L’utilisation des ondes millimétriques et le beamforming à très hautes fréquences présentent des obstacles supplémentaires. Étant donné que ces fréquences sont beaucoup plus susceptibles de subir des affaiblissements de propagation à cause des conditions climatiques, les tests radio (over-the-air, OTA) peuvent devenir moins uniformes et plus complexes. Néanmoins, puisque les tests de conduction ne peuvent être effectués sans points de connexion distincts, des tests OTA plus fréquents seront nécessaires pour éviter les résultats trop limités.
L’émulation de canal devient également plus complexe avec la 5G car le nombre de canaux RF nécessaires va augmenter de manière exponentielle, contrairement à l’expansion linéaire ayant accompagné l’arrivée de la 3G et de la 4G. Pour que les équipements de test de 5G soient pratiques et pour compenser cette complexité accrue, les technologies électroniques vont devoir se développer rapidement. Il faut continuer à explorer les solutions créatives sur le marché qui minimisent les tests en laboratoire et autres éléments de test trop onéreux, sans pour autant compromettre la portée et la précision des tests.
Phases de déploiement
Le déploiement de la 5G est une entreprise complexe et difficile qui exige une préparation minutieuse, de nombreux cycles de test et de mesures de la 5G, suivis d’une mise en œuvre fluide et homogène. À chaque phase de déploiement, l’application prudente d’un référentiel de test 5G optimisé constitue la meilleure garantie de succès. Dans de nombreux cas, ces phases seront compressées et redondantes.
Phase 1 – Vérification et validation technologiques
Une vérification et une validation (V&V) solides constituent des éléments préalables essentiels au déploiement réussi d’un réseau 5G. Cette phase inclut la vérification des fonctions de test de réseau virtualisé et des services de réseau afin de garantir une qualité et une fiabilité immédiates une fois le réseau déployé.
Des systèmes de test de 5G évolutifs dotés de services de données intégrés sont requis pour mesurer la performance globale du réseau et simuler le comportement d’un utilisateur réel lors des essais 5G de terrain. Un logiciel capable d’émulation et apte à mesurer des millions de flux de données uniques constitue un autre élément indispensable à la phase V&V de la 5G. Un tel logiciel peut améliorer les capacités/la charge des tests ainsi que les capacités de benchmarking.
Phase 2 – Déployer, activer, échelonner
Une fois le déploiement de la 5G lancé, il est impératif de disposer d’une suite d’outils de test appropriés, propres à la 5G et dédiés à l’activation et à l’évolutivité. Des analyseurs de station de base améliorés pour analyser le spectre et les interférences des signaux 5G de l’ordre de l’onde millimétrique constituent un élément clé de cette phase de déploiement. Un logiciel qui surveille et garantit la performance du réseau tout en vérifiant les accords de niveau de service (Service Level Agreements, SLA) peut renforcer les activités d’activation, de surveillance des performances et de dépannage de la 5G.
Les tests de fibre optique avancés ne perdent rien de leur utilité avec la 5G. Par exemple, grâce aux câbles en fibre optique, les réseaux d’accès radio centralisés (Centralized Radio Access Networks, ou C-RAN) peuvent co-localiser des unités de bande de base en dehors de sites d’antennes trop chargés. L’architecture C-RAN peut également aider à faciliter la coordination des ressources radio en temps réel.
Phase 3 – Garantir, optimiser, monétiser
Les opportunités de monétisation via la connectivité 5G sont illimitées. D’autant que la 5G est davantage qu’une transformation du réseau, c’est une transformation commerciale majeure. Frais d’abonnement pour un haut débit mobile ultra rapide, contenus et vidéos mobiles en HD, jeux de réalité virtuelle, streaming multimédia et applications IdO diverses et variées ne représentent qu’une petite partie de ces opportunités.
Chacun de ces domaines devra fournir une qualité d’expérience irréprochable (quality of experience, QoE) pour rester dans la course. Une plateforme intelligente en temps réel connectée à des agents virtuels tout au long du cycle de vie du réseau constitue un moyen efficace de faire face aux défis que posera la densité de trafic de la 5G, garantissant et optimisant ainsi la QoE de manière continue.
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Meilleures pratiques de test
Alors que le 3GPP a présenté sa norme préliminaire pour la 5G NR, de nombreux aspects requièrent encore des améliorations. Le mode Non-standalone (NSA) a été présenté lors du lancement de 2017. Mais les détails concernant les spécifications de la norme 5G standalone (SA), non mentionnés dans la convention de couverture LTE en tant que technologie d’ancrage, restent à définir.
À terme, la standardisation constitue la clé du développement de modèles de tests 5G précis, lesquels mènent à leur tour à des pratiques de test harmonisées. Avec la norme LTE désormais adoptée dans le monde entier pour les téléphones et autres appareils mobiles, il y a tout lieu de penser que les meilleures pratiques de test de la 5G suivront une évolution similaire.
Étant donné l’énorme plage de fréquence et les services haut débit propres à la technologie 5G, la standardisation des meilleures pratiques continuera de progresser parallèlement au développement de la technologie, des outils et des applications.
Guider la révolution de la 5G
Les avancées technologiques que la 5G a permises étaient, il y a encore peu, de l’ordre de la science-fiction. Les véhicules autonomes, les jeux de réalité virtuelle, les villes intelligentes et l’Internet des objets (IdO) ne sont que quelques-unes des innovations futuristes les plus prometteuses incorporant les améliorations en termes de bande passante et de latence propres à la technologie 5G. Comme c’est le cas à chaque amélioration des capacités fonctionnelles, le potentiel illimité de la 5G va générer davantage de créativité et verra apparaître un flux continu de nouvelles applications.
Cette énergie novatrice permet de garantir que le déploiement des réseaux 5G va continuer de s’étendre à mesure que la migration vers le mode autonome commence à prendre forme. Les défis à venir signifient que la demande d’outils de test de la 5G innovants et économiques n’est pas près de ralentir.
Depuis 2013, VIAVI fait partie des pionniers de l’adoption de la 5G, grâce notamment à des partenariats avec les plus grands fournisseurs de communications et fabricants d’équipements pour réseaux au monde, tout en continuant d’offrir des solutions leaders du marché à ses clients, année après année. Son portefeuille complet d’outils de test de la 5G prend en charge toutes les phases du déploiement d’un réseau 5G, tout en offrant la flexibilité requise pour garantir qualité et performance pour l’ensemble des aspects de la 5G, ce qui permet à VIAVI de se distinguer par rapport aux autres sociétés de tests de la 5G. Ces solutions de test, puissantes tout en restant polyvalentes, accompagneront implicitement la plus grande révolution technologique du 21e siècle.
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