URLLC conform specificațiilor 3GPP: avantaje și provocări în aplicațiile pentru Industrie 4.0 și IoT

Această discuție analizează rolul esențial al comunicațiilor URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications) definite de 3GPP, inclusiv avantajele oferite în ceea ce privește performanța și fiabilitatea, precum și provocările tehnice asociate implementării, standardizării, securității și cerințelor de testare, pe măsură ce tehnologia evoluează către 6G. Anritsu sprijină dezvoltarea și validarea URLLC prin soluții avansate de testare, analize RF bazate pe inteligență artificială (AI) și colaborări la nivelul industriei.

1. Care este rațiunea din spatele definiției 3GPP pentru URLLC?

Cazurile de utilizare critice și în timp real, precum fabricile inteligente, vehiculele autonome și robotica, necesită comunicații rapide, cu latență redusă și fiabilitate excepțional de ridicată. În cazul vehiculelor autonome, de exemplu, acest lucru poate face diferența dintre viață și moarte. Multe aplicații critice și sensibile la timp necesită latențe de până la 1 ms și o fiabilitate de 99,9999% sau chiar mai mare. Rețelele tradiționale devin tot mai puțin adecvate pentru astfel de cazuri de utilizare.

În era 6G, comunicațiile ultra-fiabile cu latență redusă (URLLC) vor deveni esențiale pentru asigurarea performanței End-to-End (E2E). Pentru atingerea acestui obiectiv vor fi necesare optimizarea rețelei cu ajutorul AI, segmentarea rețelei (network slicing), precum și garantarea calității serviciului (QoS) pe întregul traseu End-to-End. Banda largă mobilă îmbunătățită (eMBB – Enhanced Mobile Broadband) poate asigura viteze foarte mari de transfer al datelor, dar nu oferă aceleași performanțe în ceea ce privește latența. În același timp, comunicațiile masive de tip mașină (mMTC – Massive Machine-Type Communications) pot suporta un număr foarte mare de echipamente terminale (UE – User Equipment), însă acest avantaj implică anumite compromisuri în ceea ce privește fiabilitatea.

2. Cum se integrează URLLC în viitoarele fabrici inteligente?

URLLC răspunde cerințelor de latență redusă și fiabilitate ridicată ale aplicațiilor IoT în timp real și ale fabricilor inteligente ale Industriei 4.0, bazate pe date.

Aceasta poate susține aplicații industriale precum sistemele de control distribuit, roboții colaborativi și roboții mobili autonomi. Îndeplinirea cerințelor de control în timp real și de securitate pentru astfel de aplicații a fost, în mod tradițional, dificilă în cazul rețelelor Wi-Fi convenționale sau al rețelelor LAN cu fir. Combinarea URLLC cu rețelele 5G locale, care permit crearea unor medii de producție wireless și flexibile, poate genera creșteri semnificative ale productivității și eficienței în fabricile inteligente.

3. Dincolo de fabricile inteligente, ce beneficii aduce URLLC?

Pentru prima dată, URLLC oferă o bază fiabilă pentru aplicațiile în timp real și critice din punctul de vedere al siguranței.

Combinația dintre latența redusă și fiabilitatea ridicată permite utilizarea URLLC într-o gamă largă de aplicații, cum ar fi conducerea autonomă în industria auto, chirurgia la distanță și alte aplicații medicale, controlul rețelelor electrice inteligente, eSporturile și evenimentele live.

4. Care sunt provocările tehnice legate de implementarea URLLC?

Există mai multe provocări tehnice asociate implementării URLLC. Printre acestea se numără conflictele în alocarea resurselor, gestionarea interferențelor, corectarea erorilor pentru pachetele de date scurte, latența End-to-End, precizia sincronizării și securitatea. Deși aceste aspecte sunt abordate parțial în cadrul 5G, noile tehnologii, precum AI, edge computing și tehnicile de îmbunătățire a preciziei sincronizării, vor fi esențiale pentru 6G.

5. În ce măsură este esențială standardizarea pentru implementarea URLLC?

Standardizarea este necesară pentru armonizarea la nivel global a cerințelor privind performanța, testarea și implementarea. O provocare importantă o reprezintă adaptarea la diferitele reglementări naționale și la alocările de frecvențe. Standardele trebuie, de asemenea, să fie pregătite pentru evoluțiile viitoare și să țină seama de tehnologiile emergente.

3GPP a început standardizarea URLLC odată cu Release 15, a intensificat dezvoltarea acesteia în Release 16, iar începând cu Release 17 a adus îmbunătățiri suplimentare privind aplicațiile industriale și extinderea acoperirii. În contextul 6G, tehnologii emergente precum AI, ISAC (Integrated Sensing and Communication), Ambient IoT, pentru îmbunătățirea eficienței energetice și MRSS (Multi-RAT Spectrum Sharing) contribuie la evoluția implementărilor URLLC.

6. Care sunt provocările legate de acoperirea URLLC?

Realizarea unei acoperiri extinse pentru URLLC implică mai multe provocări, printre care distanțele mai reduse de propagare asociate benzilor de frecvență înaltă, necesitatea unei densități mai mari de celule, menținerea fiabilității în timpul transferului între celule, asigurarea acoperirii în interiorul clădirilor și în zonele îndepărtate, gestionarea interferențelor și respectarea reglementărilor aplicabile la nivel global. În 6G, industria va aborda aceste provocări inclusiv prin utilizarea RIS (Reconfigurable Intelligent Surface) și NTN (Non-Terrestrial Network).

7. Care sunt principalele provocări de testare pentru URLLC?

Există diverse cerințe de testare pentru URLLC, precum măsurarea precisă a latenței și a fiabilității, evaluarea performanței în timpul transferului între celule, reproducerea condițiilor de interferență, verificarea securității și simularea condițiilor din mediul real. Aceste teste necesită medii care să ofere o sincronizare temporală de foarte mare precizie și parametri configurabili ai pachetelor de date, precum dimensiunea pachetelor și rata de transfer. De asemenea, este necesară verificarea performanței atât în regim Point-to-Point, cât și End-to-End, pe termen scurt și pe termen lung.

8. Ce instrumente și servicii oferă Anritsu pentru testarea URLLC?

Anritsu oferă MT8000A, ca platformă de testare 5G RAN și MT1000A/VNM (Virtual NW Master) pentru testarea URLLC. MT1000A/VNM oferă o sincronizare temporală de înaltă precizie și permite configurarea flexibilă a parametrilor pachetelor de date, precum dimensiunea pachetului și rata de transfer.

Deoarece VNM nu este o soluție hardware de testare, utilizatorii o pot instala în diferite locații și pot efectua măsurători între oricare două puncte, în regim Point-to-Point sau End-to-End. În unele industrii există o experiență limitată în utilizarea instrumentelor de măsurare. Anritsu poate oferi consultanță și recomandări privind alegerea soluțiilor adecvate și aplicarea celor mai bune practici.

9. Care este compromisul dintre securitate și performanță pentru URLLC?

Măsurile suplimentare de securitate pot crește latența ca urmare a proceselor de criptare și autentificare, afectând astfel capacitatea URLLC de a răspunde cerințelor aplicațiilor în timp real. Apare, prin urmare, un compromis între nivelul de securitate, dimensiunea pachetelor și latență.

Există mai multe soluții potențiale pentru abordarea acestei probleme, printre care reducerea impactului asupra latenței prin utilizarea criptografiei cu cerințe reduse de resurse, a PLS (Physical Layer Security – securitatea stratului fizic) și a mecanismelor de control bazate pe AI. În contextul 6G, criptografia cuantică reprezintă o altă abordare potențială pentru rezolvarea acestei probleme.

10. Care este abordarea Anritsu în materie de securitate?

Pe lângă furnizarea unor soluții de testare pentru monitorizarea spectrului și identificarea interferențelor, Anritsu poate oferi și analize RF în timp real bazate pe AI. Aceste capabilități sunt utile în aplicații precum detectarea dronelor necunoscute și identificarea semnalelor de bruiaj. Anritsu colaborează îndeaproape cu YOTASYS în domeniul analizei RF bazate pe AI. De asemenea, compania colaborează cu organizații precum AUTOCRYPT pentru furnizarea unor soluții de testare a securității cibernetice destinate industriei auto.

Autor: Hiroyuki Kato, Senior Manager, Global Market Technology, Anritsu

Hiroyuki Kato s-a alăturat companiei Anritsu în 1995. Are o experiență de aproape 25 de ani în domeniul testării și măsurării echipamentelor UE pentru comunicații celulare wireless – 2G, 3G, 4G și 5G –, activitatea sa incluzând dezvoltarea de software, marketingul de produs, asistența tehnică și activitățile de marketing tehnic. Din 2023, face parte din echipa de marketing pentru tehnologii avansate, unde este implicat într-o gamă largă de tehnologii emergente.

Anritsu Corporation

Glosar de termeni

URLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications) – Tip de comunicație mobilă concepută pentru aplicații care necesită latență foarte redusă și fiabilitate extrem de ridicată.

3GPP (3rd Generation Partnership Project) – Organizație care dezvoltă specificațiile tehnice pentru sistemele de comunicații mobile, inclusiv 5G și viitoarele tehnologii 6G.

eMBB (Enhanced Mobile Broadband) – Componentă 5G orientată către viteze foarte mari de transfer al datelor și capacitate ridicată.

mMTC (Massive Machine-Type Communications) – Comunicații optimizate pentru conectarea unui număr foarte mare de dispozitive și senzori IoT.

QoS (Quality of Service) – Ansamblu de mecanisme utilizate pentru garantarea unor parametri de performanță ai rețelei, precum latența, rata de transfer și fiabilitatea.

Network slicing – Tehnică prin care o infrastructură fizică de rețea este împărțită în rețele virtuale adaptate unor cerințe sau aplicații specifice.

ISAC (Integrated Sensing and Communication) – Concept care integrează funcțiile de comunicație și detecție într-o infrastructură comună.

RIS (Reconfigurable Intelligent Surface) – Suprafață inteligentă reconfigurabilă utilizată pentru controlul și optimizarea propagării semnalelor radio.

NTN (Non-Terrestrial Network) – Rețea care utilizează platforme non-terestre, precum sateliți sau platforme aeriene, pentru extinderea conectivității.

PLS (Physical Layer Security) – Metode de securitate aplicate la nivelul stratului fizic al comunicației pentru protejarea transmisiei radio.