Pe măsură ce aplicațiile critice, cum ar fi controlul roboților, vehiculele care se conduc singure și procedurile medicale la distanță, devin tot mai dependente de comunicațiile mobile în ceea ce privește conectarea acestora, operatorii de rețele mobile și proiectanții de sisteme trebuie să garanteze că deciziile electronice sunt comunicate rapid și fiabil. Nerealizarea unor comunicații ultrafiabile cu latență redusă (URLLC − Ultra Reliable Low Latency Communications) ar putea duce la evenimente catastrofale și provoca răniri sau chiar mai rău.
Rețelele de comunicații mobile, cum ar fi cele bazate pe 5G, trebuie să susțină aplicațiile critice din punct de vedere al timpului, în care mașinile trimit informații către alte mașini, informații care trebuie să fie tratate imediat. Tehnologiile emergente care utilizează conectivitatea mobilă IoT (Internet of Things) pentru a comunica decizii vitale se dezvoltă rapid. Industria automobilelor se îndreaptă către conducerea autonomă, în care sistemele electronice își asumă întreaga responsabilitate pentru realizarea unei călătorii sigure. Acest lucru necesită colectarea de informații detaliate de la senzorii de la bord, care operează într-un arc de 360° în jurul vehiculului, precum și transmiterea imediată de informații despre condițiile exterioare, cum ar fi configurația drumurilor, lucrările rutiere, blocajele din trafic și pietonii, din imagini video de pe marginea drumului și din alte surse și luarea de măsuri în consecință. Prin urmare, viteza de transfer a datelor către și de la vehicul este de o importanță critică.
Acest lucru înseamnă că rețelele de comunicații trebuie să fie atât robuste și fiabile, cât și apte să prioritizeze aplicațiile în funcție de cât de critice sunt acestea − operatorii de rețea trebuie să asigure URLLC în întreaga instalație.
Pe lângă faptul că trebuie să ne asigurăm că datele sunt livrate cu succes în întreaga rețea, trebuie să fim siguri că acestea ajung la timp. Măsurătorile de calitate a serviciului (QoS − Quality of Service), cum ar fi debitul, utilizarea, latența, jitterul și pierderea de pachete trebuie să fie luate în considerare așa cum se cuvine.
Măsurarea latenței implică utilizarea a două instrumente de testare, ambele trebuind să facă referire exact la același moment cu un grad ridicat de precizie, chiar și atunci când sunt separate de mai mulți kilometri. În cazul unui vehicul în mișcare, latența trebuie măsurată în timp ce instrumentul de testare se deplasează la viteze mari.
Definirea întârzierii
Latența este un alt termen pentru întârziere. În telecomunicații, se referă la timpul necesar pentru ca un pachet de date să ajungă de la sursă la destinație. Aceasta este întârzierea într-un singur sens, nu întârzierea dus-întors (RTD − Round-Trip Delay) și, deoarece latențele într-o rețea sunt rareori identice pe traseele de dus și de întors, nu se poate presupune că latența este egală cu RTD împărțită la doi.
RTD este adesea utilizată ca o măsură alternativă a latenței. Cu toate acestea, RTD se referă la timpul necesar pentru ca un pachet de date să parcurgă rețeaua și să fie returnat la sursă prin intermediul unui mecanism de buclă la capătul îndepărtat.
Figura 1 (© Anritsu)
Un test Ping este, de asemenea, utilizat uneori ca o alternativă, deoarece este ușor și ieftin de realizat. Totuși, Ping este o măsurătoare RTD și, de obicei, se realizează fără a utiliza instrumente de testare. În timp ce aplicațiile pentru telefoane mobile și rezultatele Ping pentru PC pot oferi o estimare aproximativă a RTD, acestea nu sunt fiabile și nu iau în considerare aspectul critic conform căruia datele pot avea nevoie de perioade de timp foarte diferite pentru a călători în fiecare direcție.
Dacă se poate garanta simetria perfectă a căilor de transmisie în fiecare direcție, astfel încât întârzierile să fie identice, atunci se poate presupune că latența este egală cu jumătate din RTD. Însă, din mai multe motive, acest lucru este rareori posibil. Lungimile căilor pot varia dacă fiecare trafic de date într-un singur sens este direcționat diferit. De asemenea, trebuie să luăm în considerare că procesarea electronică în rețea și în echipamentele de sistem necesită timp și că rețelele pot fi congestionate și pot apărea blocaje. Acestea și o serie de alte motive pot cauza întârzieri în rețea, care pot afecta bugetul de latență.
Măsurarea latenței
Pentru a măsura latența între două locații care ar putea fi foarte îndepărtate este nevoie de două instrumente de măsurare, cu ceasuri de timp care sunt aliniate și sincronizate prin intermediul unui sistem global de navigație prin satelit (GNSS), cum ar fi GPS. Ora exactă este înregistrată în fiecare pachet de date de testare în momentul în care acesta părăsește instrumentul de testare emițător. Instrumentul de recepție compară acest lucru cu ora exactă de sosire și calculează cât timp i-a luat pachetului să ajungă la destinație – aceasta este latența semnalului.
Figura 2: Echipamentul Anritsu MT1000A Network Master măsoară simultan latența legăturii ascendente (up-link) și descendente (down-link) în timpul unui drive test. (© Anritsu)
Rețelele de comunicații mobile, cum ar fi 5G, trebuie să susțină aplicații cu timp critic. Conform definiției date de 3GPP, 5G este o tehnologie de acces mobil wireless. Dispozitivele mobile, denumite uneori echipamente de utilizator (UE − User Equipment), stabilesc conexiuni wireless cu stațiile de bază 5G, care, la rândul lor, asigură conexiunea cu rețelele de telecomunicații mai largi. În cazul în care UE se deplasează, acesta va intra și va ieși din raza de acțiune a stației de bază, iar conexiunea va fi transferată la o stație de bază adiacentă. Deoarece dimensiunea fiecărei celule 5G poate fi destul de mică, procesul de transfer poate avea loc frecvent.
Acest lucru pune problema referitoare la măsurarea latenței între două locații, în special atunci când cel puțin una dintre ele este în mișcare. În primul rând, trebuie să ne asigurăm că ceasurile de referință de la ambele capete ale măsurătorii sunt sincronizate. Protocolul de transmisie trebuie să permită transmiterea în ambele direcții a cadrelor de test Ethernet (Ethernet test frames) care să conțină marcaje temporale precise. Apoi, echipamentul de testare trebuie să fie capabil să înregistreze rezultatul alături de locația sa geografică, pentru a înțelege exact ce performanță de latență a fost obținută.
Operatorul de rețea mobilă (MNO) trebuie să garanteze o acoperire geografică fiabilă a serviciilor. O soluție pentru a asigura acest lucru constă în încheierea unui parteneriat cu unul sau alți doi MNO. Apoi, în cazul în care acoperirea rețelei nu poate fi realizată de către operatorul MNO principal, există posibilitatea de a face transferul către o rețea alternativă și de a menține calitatea serviciului.
Figura 3 (© Anritsu)
Prin urmare, este important să se măsoare în același timp calitatea serviciului nu doar al operatorului MNO primar, ci și al operatorului MNO de sprijin. În acest exemplu, testăm simultan serviciile a doi operatori de rețele mobile (MNO).
Cu ajutorul echipamentelor de testare Anritsu se poate realiza cu succes măsurarea simultană a latenței legăturii ascendente (Up-Link) și a latenței legăturii descendente (Down-Link), raportată la locațiile GPS.
În exemplul prezentat mai sus, cele două instrumente de testare măsoară latența, jitterul și toți ceilalți parametri de calitate a serviciului, între un vehicul în mișcare și o locație fixă din rețea. Routerele mobile au SIM-uri de testare dedicate, cu APN-uri care acceptă adrese IP fixe.
Figura 4 (© Anritsu)
Ceasurile celor două instrumente de testare sunt sincronizate prin GPS. Instrumentul înregistrează, de asemenea, poziția GPS, astfel încât să se cunoască locația exactă a vehiculului aflat în mișcare atunci când se înregistrează măsurătorile QoS. Instrumentul măsoară continuu, iar noi înregistrăm valorile maxime, minime și valorile medii calculate pentru fiecare parametru la intervale de o secundă. Fișierele cu rezultate sunt stocate pentru reluarea testerului și pot fi exportate în format .csv.
Corelarea valorilor parametrilor QoS cu locația GPS respectivă permite crearea de fișiere .kml care pot fi vizualizate cu un software standard de cartografiere, iar valorile pot fi asociate cu coduri de culoare pentru a produce o hartă termică pentru a identifica cu ușurință unde apar problemele.
În acest exemplu, instrumentul de testare a fost transportat manual în timp ce era deplasat prin centrul expozițional FIRA, Barcelona, în ianuarie 2023. Harta rezultată, prezentată în imaginile de mai jos, afișează rezultatele pentru latența Down-Link.
În plus, analiza statistică a rețelelor poate fi utilizată pentru a crea, de exemplu, funcția de distribuție cumulativă (CDF − Cumulative Distribution Function) și curbe de distribuție, pe baza setului foarte precis și extins de date dobândite în cadrul acestor teste.
În concluzie, datorită naturii aplicațiilor critice care se bazează pe o comunicare rapidă și precisă a informațiilor și pe necesitatea de a acționa în funcție de deciziile rezultate, latența devine, rapid, una dintre cele mai importante măsuri de calitate a oricărei rețele de comunicații de date.
Figura 5: (© Anritsu)
Aplicații precum conducerea automată și comunicațiile între mașini în cadrul proceselor automatizate devin din ce în ce mai frecvente. Pentru a asigura menținerea URLLC, latența în rețelele 5G este, probabil, cel mai important parametru critic pe care trebuie să îl înțelegem și să îl gestionăm în întregime. Nu este suficient să ne bazăm pe măsurători RTD necalificate cu instrumente simple – Ping − nu doar din cauza preciziei îndoielnice și a incertitudinii asociate cu Ping, ci și pentru că rețelele și alte dispozitive înregistrează întârzieri care variază în fiecare direcție. Măsurarea latenței și a jitterului poate fi asigurată numai cu ajutorul unor instrumente de testare corespunzătoare în întreaga rețea.
