Měření prodlevy a dalších parametrů kvality služby v síti 5G

Zásadní aplikace, mezi které patří robotické ovládání, samoříditelná vozidla nebo i vzdálené procedury prováděné v medicíně, závisí z pohledu vzájemného spojení stále více na mobilní komunikaci.

Operátoři proto musí společně s vývojáři zaručit, že příslušná rozhodnutí budou v elektronické podobě předávána rychle a také spolehlivě. Pokud nedosáhneme tzv. URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications), hrozí katastrofické scénáře, zranění nebo i něco horšího.

Sítě navržené pro mobilní komunikaci založené na 5G musí podporovat aplikace s důrazem na časování, kde si zařízení mezi sebou posílají informace, na které pak okamžitě i reagují. Nově vznikající technologie, které za účelem přenosu životně důležitých rozhodnutí využívají mobilní propojitelnost internetu věcí (IoT), provází rychlý rozvoj. Automobilový průmysl se např. přesouvá k automatizovanému řízení, kde zodpovědnost za bezpečnou cestu kompletně přebírají elektronické systémy. Podrobná data je tedy zapotřebí získávat z palubních senzorů, které pracují s 360° výhledem okolo vozidla. Informace o vnějších podmínkách – podobě cesty, pracích na silnici, překážkách v dopravě či chodcích, které obdržíme díky záznamu u okraje vozovky a také dalším zdrojům, musí být navíc okamžitě předána a využita. Rychlost obousměrného přenosu dat má proto u vozidla klíčový význam.

Komunikační sítě musí být proto robustní i spolehlivé a se schopností upřednostnit aplikace v závislosti na jejich významu. Od operátorů se pak očekává, že URLLC zde zajistí ve všech částech.

Úspěšně doručit data v každém bodě sítě ale nestačí. Musíme mít jistotu, že dorazí ve správný čas. Náležitou rozvahu si proto budou žádat měření QoS (Quality of Service), pokud jde o propustnost, utilizaci, prodlevu, jitter či ztrátu paketů.

S prodlevou se ale pojí specifické potíže. Měření zpoždění zde totiž vyžaduje dva testovací přístroje, které je pokaždé zapotřebí vztáhnout s vysokou mírou přesnosti k naprosto stejnému času, a to i v případě, že budou od sebe vzdáleny několik kilometrů. V případě jedoucího vozidla bude navíc zapotřebí měřit zpoždění s testovacím přístrojem, který se pohybuje vysokou rychlostí.

K definici zpoždění

Prodleva (latence) je pouze dalším označením pro zpoždění. V telekomunikacích se vztahuje k času, který bude datový paket potřebovat na cestě od zdroje do místa cílového určení. Jedná se přitom o jednocestné zpoždění, nikoli RTD (Round-Trip Delay). Vzhledem k tomu, že prodleva v síti bude jen zřídka totožná pro obě trasy, tam i zpět, nemůžeme očekávat, že zpoždění se rovná RTD děleno dvěma.

RTD se často používá jako alternativní měřítko k posouzení zpoždění. Odkazuje však na dobu, během které paket dat cestuje sítí, aby se pak s využitím určitých mechanismů na vzdáleném konci vrátil zase zpět ke zdroji.

Někdy bude coby jiná možnost využito i testu Ping, protože je snadný a také levný. Jedná se ale o měření RTD a zpravidla se také odehrává bez nasazení přístrojů určených k testování. Výsledky založené na aplikacích v mobilním telefonu či PC mohou sice zprostředkovat hrubý odhad RTD, hodnocení je ale nespolehlivé a nezohledňuje přitom klíčový fakt, že přenos dat může v každém směru trvat jinou dobu, a to i výrazně.

Pokud lze na přenosových trasách zaručit v každém směru dokonalou symetrii, a prodlevy jsou tudíž shodné, lze vyjádřit zpoždění polovinou RTD. Existuje však řada důvodů, proč to většinou neplatí. Jestliže je každý jednosměrný datový přenos veden odlišně, mohou se délky trasy rozcházet. Je také zapotřebí zvážit zpracování na straně elektronických obvodů, které v síti, společně se systémovým vybavením, zabírá nějaký čas. Hrozí zde i přetížení a buffering. Nejen výše zmíněné, ale i řada dalších příčin může proto stát za prodlevou v síti a dohromady ovlivňovat výsledné zpoždění.

MT1000A Network Master od společnosti Anritsu při souběžném měření zpoždění za jízdy, up-link a také down-link

Měření prodlevy

K měření zpoždění mezi dvěma místy, která mohou být od sebe i velmi vzdálená, je zapotřebí dvou měřicích přístrojů společně s hodinami, které budou provázané a synchronizované na základě systému GNSS (Global Navigation Satellite System), jako je GPS. Přesný čas je poté na straně vysílače zaznamenán v každém testovacím datovém paketu při opuštění přístroje. Přijímač informaci následně porovná s přesnou dobou příjmu a vypočítá, jak dlouho paketu trvalo, než do cíle dorazil. A to je i zpoždění signálu.

Od sítí pro mobilní komunikaci, jako je 5G, se vyžaduje podpora aplikací s důrazem na časování. Dle definice 3GPP je 5G technologií pro „Mobile Wireless Access“. Mobilní zařízení, která se někdy označují jako UE (User Equipment), navážou bezdrátové spojení se základnovými stanicemi 5G, které dále zajistí spojení v širším rozsahu. Jakmile se UE pohybuje, může se dostat i mimo dosah dané základnové stanice a spojení bude v takovém případě přenecháno sousední stanici. Vzhledem k tomu, že velikost každé buňky 5G nemusí být zase tak velká, může ke zmíněnému procesu předání docházet často.

Vzniká tedy otázka, jak změřit zpoždění mezi dvěma místy, a to zvláště v případech, pokud se alespoň jedno z nich pohybuje. V prvé řadě je při měření zapotřebí zajistit pro oba konce synchronizované referenční hodiny. Přenosový protokol musí podporovat ethernetové testovací rámce obsahující přesná časová razítka vysílaná v obou směrech. Je zapotřebí, aby testovací zařízení dále zaznamenalo výsledek společně se zeměpisnou polohou, takže plně chápeme, jakého zpoždění zde bylo i dosaženo.

Pokud jde o služby, operátor MNO (Mobile Network Operator) musí zaručit spolehlivé geografické pokrytí. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je spolupráce s jedním či dvěma dalšími MNO. Jakmile tedy nelze dosáhnout síťového pokrytí ze strany primárního MNO, vzniká zde příležitost pro jinou síť, která kvalitu služby zachová. Ve stejném čase je proto důležité změřit kvalitu služby nejen u primárního, ale rovněž i podpůrného poskytovatele. V našem příkladu testujeme služby dvou MNO současně.

Úspěšné souběžné měření zpoždění pro Up-Link a také Down-Link lze s odkazem na polohu (GPS) realizovat díky testovacímu zařízení od společnosti Anritsu.

V našem příkladu měří dva testovací přístroje zpoždění, jitter a všechny další parametry kvality služby mezi jedoucím vozidlem a pevným bodem v síti. Mobilní routery mají speciální testovací SIM s APN s podporou pevných IP adres.

Hodiny jsou v případě obou testovacích přístrojů synchronizovány s GPS. Zařízení zde rovněž zapisuje polohu (GPS), takže při záznamu měření QoS známe i přesnou pozici jedoucího vozidla. Přístroj měří nepřetržitě a lze tak zaznamenávat maximum, minimum a počítat i průměrné hodnoty pro každý z parametrů, a to v intervalu jedné vteřiny. Soubory s výsledky se ukládají za účelem opětovného prohlížení s využitím testeru a lze je dále exportovat ve formátu .csv.

Vzájemná souvislost mezi hodnotami parametrů QoS a příslušnou polohou dle GPS umožňuje vytvářet soubory .kml, které lze prohlížet ve standardním mapovacím softwaru. S hodnotami je možné spojit i barevné odlišení a vytvořit tepelnou mapu, se kterou lze snadno určit, kde dochází k potížím.

V našem příkladu byl přístroj nesen v ruce, zatímco jsme v lednu roku 2023 chodili v Barceloně okolo FIRA Exhibition Centre. Výsledná mapa zachycená na obrázcích ukazuje výsledky pro Down-Link Latency.

Statistická analýza sítí může být navíc např. použita k vytvoření funkce CDF (Cumulative Distribution Function) a distribučních křivek v závislosti na vysoce přesných a také rozsáhlých souborech dat získaných při těchto testech.

Stručně řečeno, kvůli povaze klíčových aplikací, které budou závislé na rychlém a také přesném přenosu informací s následnou potřebou jednat podle výsledných rozhodnutí, se zpoždění rychle stává jedním z nejdůležitějších měřítek pro posouzení kvality jakékoli sítě pro datovou komunikaci.

S aplikacemi, jako je automatické řízení nebo vzájemná komunikace mezi stroji v rámci automatizovaných procesů, se nyní setkáváme stále častěji. Abychom zajistili náležitou komunikaci ve smyslu URLLC, bude prodleva v sítích 5G zřejmě ten nejdůležitější klíčový parametr, kterému je zapotřebí plně porozumět a následně s tím i naložit. Nestačí se spoléhat na nekvalifikovaná měření RTD se základními nástroji pro Ping, a to nejen kvůli jejich diskutabilní přesnosti a také nejistotě, která s tím bude spojena, ale rovněž kvůli skutečnosti, že sítě a další zařízení sem vnáší časové prodlevy, které se v každém směru vzájemně liší. Správné měření zpoždění a také jitteru lze v rámci sítě zaručit pouze s odpovídajícími testovacími přístroji příslušné třídy.