Test communication 5G ultra-fiables à faible latence (URLLC)

Comment tester la l’utra-fiabilité et la faible latence des réseaux 5G selon les exigences de l’URLLC ?

  • Les communications 5G ultra-fiables à faible latence (URLLC) sont destinées aux services ayant des exigences strictes en matière de latence et de disponibilité.
  • Les réseaux mobiles 5G compatibles URLLC (ultra-reliable low latency communications) doivent offrir une faible latence, avec un minimum de paquets perdus ou arrivant dans le désordre.
  • L’ITU-R (Division Radiocommunications de l’International Telecommunication Union) spécifie une latence unidirectionnelle de 1 ms pour le plan utilisateur.
  • L’URLLC (ultra-reliable low latency communications pour communications ultra-fiables à faible latence) ouvre la voie à divers applications de communication sans fil au standard 5G à condition que les niveaux de latence et de fiabilité du requis soient au rendez-vous.
  • Des tests doivent être réalisés à toutes les étapes du déploiement du réseau 5G, qu’ils’agisse de tester des composants, lors du pré-déploiement, de mise en service ou de maintenance du réseau. Anritsu présente dans cet article comment ces tests peuvent être réalisés.

 

Auteur : Pavol Polacek, spécialiste des technologies sans-fil chez Anritsu.

 

Communications ultra-fiables à faible latence

L’URLLC (ultra-reliable low latency communications) vise à offrir un très haut niveau de fiabilité et une très faible latence au sein d’un réseau de communication mobile de technologie 5G.
• L’exigence d’ultra-fiabilité (UR) va de 99,99% pour la surveillance de processus à 99,999999% pour les robots industriels. Cela englobe à la fois la perte et le réordonnancement de paquets, les deux devant être aussi rares que possible.
• L’exigence de faible latence de bout en bout est de moins de 0,5 ms à 50 ms dans la couche applicative, et de moins de 1 ms sur l’interface radio 5G.
 

Les applications types de l’URLLC

Il existe un certain nombre d’applications qui peuvent tirer parti de l’URLLC. En voici quelques-unes :

  • La réalité augmentée/virtuelle et l’interaction tactile permet aux gens de faire l’expérience d’une réalité créée artificiellement (réalité virtuelle ou VR), ou fournit des informations supplémentaires qui se superposent au monde réel (réalité augmentée ou AR). Déjà apparue dans le secteur du divertissement, cette technologie est en cours de développement pour des applications industrielles comme la gestion d’entrepôts et les réparations sur site, et pourrait également servir pour certaines applications sensibles comme la chirurgie augmentée.
  • Les transports bénéficieront également de l’URLLC quand les voitures autonomes commenceront à remplacer les conducteurs humains. L’efficience et la sécurité s’amélioreront à mesure que les véhicules et les infrastructures utiliseront des capteurs sophistiqués, de l’intelligence artificielle et des communications quasi instantanées. Le principal avantage de la faible latence se fait ressentir dans le domaine de la conduite à distance et le partage de capteurs.
  • La distribution d’électricité progresse grâce aux réseaux de distribution intelligents (smart grids), qui utilisent les capacités de communication pour réaliser un meilleur équilibrage de la puissance et aussi détecter et atténuer les problèmes.
  • Le contrôle de mouvement englobe les machines-outils ainsi que les machines d’impression et d’emballage. L’URLLC permet de contrôler les composants mobiles et rotatifs des machines de manière synchronisée pour une productivité optimale.

 

Normalisation de l’URLLC

Les premières mesures en faveur de l’URLLC ont été prises par le 3GPP dans la première version de la 5G Release 15. L’interface New Radio (NR) a été définie avec une latence de 1 ms et une fiabilité de 99,999%. Cependant, l’architecture non-indépendante (Non Stand-Alone, NSA) signifie que le réseau cœur et la signalisation radio doivent s’appuyer sur le LTE, mais ceci ne permet pas de répondre aux exigences URLLC en matière de délai de bout en bout.

Avec la 3GPP Release 16, une nouvelle architecture 5G de bout en bout est définie : Architecture indépendante (Stand-Alone, ou SA). Avec son propre cœur 5G, le réseau peut désormais fonctionner sans LTE et offre deux fonctionnalités importantes : le découpage du réseau en tranches (Network Slicing) et le Mobile Edge Computing (MEC).

Technologies sous-jacentes à l’URLLC

La latence de bout en bout dépend généralement des performances du réseau et de la distance entre le serveur et l’équipement de l’utilisateur. Tous deux ont été optimisés pour répondre aux besoins des applications URLLC. Nous allons passer en revue les technologies 5G sous-jacentes :

  • 5G NR (New radio)
    L’interface radio a été optimisée pour une faible latence grâce à une numérologie flexible, à l’optimisation de l’ordonnancement pour une faible latence, ou à une transmission montante non-soumise à autorisation. La micro-diversité, la robustesse des canaux de commande et les améliorations HARQ (Hybrid Automatic Repeat and reQuest) sont importantes pour renforcer la fiabilité.Avec une nouvelle numérologie, l’espacement entre les sous-porteuses peut être modifé de 15 kHz à 240 kHz, sachant qu’un espacement plus grand entraîne une durée de symbole plus courte et donc des intervalles d’ordonnancement réduits. Les algorithmes d’ordonnancement permettent de réduire encore la latence de la transmission, grâce à la possibilité de planifier des mini-slots. Pour éviter les retards causés par les demandes de ressources pour pouvoir transmettre, on peut utiliser la transmission montante non-soumise à autorisation.La micro-diversité fait appel à plusieurs antennes côté récepteur et côté émetteur, créant ainsi une redondance des chemins de propagation spatiale du signal, qui évite les risques associés à la défaillance d’une liaison unique. Pour garantir la fiabilité, des travaux ont été réalisés pour assurer la robustesse des canaux de commande avec un faible taux d’erreur : la NR introduit un nouveau codage et utilise un MCS (Modulation and Coding Scheme) faible pour ses transmissions. Le mécanisme de répétition HARQ a été amélioré pour réduire la latence et renforcer la fiabilité en pré-allouant des ressources pour les retransmissions.
  • Découpage du réseau en tranches
    Le découpage du réseau en tranches est une fonctionnalité cruciale de la 5G qui permet d’allouer des ressources à la demande à des utilisateurs ayant des exigences de service différentes. Les ressources sont cloisonnées de manière flexible et isolées des effets des autres utilisateurs, créant ainsi un canal logique de bout en bout. La qualité de service (QoS) requise par les tranches d’utilisateurs est configurée à la demande depuis l’interface radio jusqu’au cœur de réseau.
    Par exemple, pour un même utilisateur, la 5G peut créer une tranche de streaming vidéo à grande capacité et sans contraintes de latence strictes pour des services de haut-débit mobile amélioré (enhanced Mobile Broadband, eMBB), et une tranche à faible latence pour un service URLLC de commande robotique. Noter qu’un tel fonctionnement n’est possible qu’avec un réseau central 5G à architecture indépendante (SA).
  • Edge computing mobile
    Le Mobile Edge Computing (MEC) réduit considérablement la latence et renforce la fiabilité en hébergeant les applications utilisateur au niveau Edge (c’est-à-dire en périphérie du réseau), dans le cadre du réseau d’accès radio au Cloud (Cloud-Radio Access Network, ou C-RAN). Le délai de transmission est donc principalement dû à l’accès radio. L’hébergement au niveau Edge évite de passer par le cœur de réseau tandis que la réduction du nombre de nœuds sur le chemin des données accroit également la fiabilité.

 

Mesure de latence de bout en bout dans les réseaux 5G

Tous les composants du réseau, depuis les voies de transmission filaires ou sans fil jusqu’aux nœuds qui ajoutent un délai de traitement ou de placement en file d’attente, contribuent à la latence de bout en bout. Il est important de comprendre chacune de ces latences pour choisir les composants appropriés, mais seule la latence de bout en bout nous montre comment ces composants se comportent ensemble. Il est donc important de mesurer la latence de bout en bout du réseau, avant et après déploiement.

Deux configurations sont possibles pour la mesure de la latence de bout en bout : la configuration « near-end », illustrée en Figure 1, et la configuration « far-end », illustrée en Figure 2.

Test communication 5G ultra-fiables à faible latence (URLLC)
Figure 1 : La mesure « near-end » sert à déterminer la latence de paquets acheminés en boucle.
Test communication 5G ultra-fiables à faible latence (URLLC)
Figure 2 : La mesure « far-end » (à distance) se fait avec deux appareils, situés loin l’un de l’autre, avec des paquets acheminés de l’un vers l’autre.

Dans le cas d’une mesure en boucle, les paquets sont envoyés d’un port de l’instrument dans le réseau testé et renvoyés vers le deuxième port, et inversement pour tester dans l’autre direction. Cette solution est plus facile à mettre en place car les deux extrémités du chemin aboutissent au même instrument et il n’y a donc aucune synchronisation à effectuer. Il est toutefois plus difficile de différencier les composantes des latence respectives des liaisons descendantes et montantes et de déterminer dans quelle mesure elles contribuent à la latence globale.

Dans le cas d’une mesure à distance, deux instruments sont placés à des endroits différents et les paquets sont acheminés de l’un vers l’autre. Lorsque deux instruments sont utilisés, ils doivent être synchronisés par une horloge externe de haute précision, par exemple le signal de synchronisation du système mondial de navigation par satellite (GNSS). Cela offre plus de souplesse. Par exemple, un instrument peut être installé au même endroit qu’un dispositif utilisateur, tandis que le second est installé sur le serveur, de sorte que les instruments mesurent tous les deux précisément les sens montant et descendant. Un autre exemple est celui de deux instruments qui sont installés à l’intérieur de véhicules en mouvement. Combinés avec smartphone (UE), ils permettent de mesurer la latence au cours du déplacement de ces deux véhicules.

Heatmap de latence et de fiabilité

Pour comprendre les performances d’un réseau, il faut mesurer la latence et la fiabilité à différents endroits. Une « heatmap » (carte de chaleur) peut ensuite être créée en combinant les données de performance, d’horodatage et de localisation, à l’instar des cartes de couverture de téléphonie sans fil qui sont largement utilisées. Ces heatmaps de latence peuvent servir à localiser les endroits potentiellement problématiques et à évaluer les performances réelles du réseau dans une zone donnée.

Des instruments de mesure sont installés dans des véhicules circulant dans la zone à étudier, tandis qu’un autre instrument est installé à proximité d’un serveur MEC, comme le montre la Figure 3. Les véhicules sont équipés de récepteurs GNSS et d’un équipement cellulaire, comme un dongle 5G ou un smartphone, pour assurer la connectivité au réseau 5G. Ainsi, en mesurant par exemple la qualité du lien entre le serveur MEC et les véhicules, nous pourrons caractériser les conditions dans lesquelles les applications MEC doivent fonctionner. Par ailleurs, en conduisant les véhicules en convoi et en mesurant la liaison entre eux, nous pourrons déterminer si la qualité de connexion est adaptée au partage de données de capteurs entre les véhicules.

Test communication 5G ultra-fiables à faible latence (URLLC)
Figure 3 : Création d’une heatmap de latence et de fiabilité URLLC à l’aide de testeurs de réseau installés à bord de véhicules.
  • MT1000A Network Master Pro
    Le MT1000A est un testeur de terrain tout-en-un, capable d’évaluer la qualité de connexion des réseaux émergents 5G URLLC. Il permet d’évaluer les paramètres de qualité comme la latence, la gigue, les erreurs de pattern ou de séquence, et la perte de paquets. Il peut intégrer différents modules supportant les technologies combinées 10G/100G Ethernet, OTN, SONET/SDH, OTDR, PTP et CPRI. Son logiciel permet d’automatiser les tests.Pour tester la latence URLLC, le MT1000A utilise un protocole d’application spécifique. La latence de bout en bout est calculée comme la différence entre l’horodatage à l’envoi du paquet et l’horodatage à la réception du paquet. La précision de mesure de latence est de l’ordre de la nanoseconde à la microseconde, comme illustré en Figure 4, en fonction de la technologie de transport sous-jacente. On peut distinguer cette méthode de celle du ping, qui est la méthode traditionnelle de mesure grossière de la latence d’un réseau, qui est limitée à une mesure near-end (en boucle) et qui manque de précision.

 

Test communication 5G ultra-fiables à faible latence (URLLC)
Figure 4 : Mesure de la latence réalisée avec un MT1000A. Les valeurs sont comprises entre 1 et 9 ms et présentent une grande précision.