Dentro lo smartphone: SoC e testing

 Dentro lo smartphone: SoC e testing
 

Questo articolo descrive le componenti HW di uno smartphone, necessarie per consentire la comunicazione tra il “telefonino” e la rete cel­lulare. Le prestazioni di que­ste componenti impattano la qualità del servizio percepita dal cliente (come raggiungi­bilità e throughput). L’articolo descrive quindi il processo di verifica di conformità alle spe­cifiche 3GPP necessario per assicurare il corretto funzio­namento nella rete TIM di uno smartphone.

 

Introduzione

Uno smartphone è un insieme di molte tecnologie: lo schermo, le fo­tocamere, il sistema operativo e le applicazioni che forniscono i servizi sono solo alcuni esempi.

Tutto questo però non funzione­rebbe senza la componente di co­municazione, ovvero la capacità di operare in una rete cellulare. In particolare, la capacità di calcolo e di memoria di un “telefonino” riva­leggiano con i supercomputer degli anni ’90 del secolo scorso, con un livello di integrazione che permette di concentrare in un unico chip (Sy­stem on Chip, SoC) le funzionalità fondamentali.

Questo articolo analizza come i protocolli radio descritti nell’artico­lo “Dentro lo smartphone - Banda base e protocolli radio” [ref] sono realizzati nel cuore HW del termina­le e illustra i passi necessari per ve­rificarne il corretto comportamento in rete e quindi la commercializza­zione.

In particolare, per poter arrivare su­gli scaffali di un negozio TIM, uno smartphone deve seguire alcune procedure standardizzate. Come descritto in [ref], i protocolli e le fun­zionalità radio sono specificate dai gruppi RAN1 e RAN2 del 3GPP.

Sulla base di queste specifiche, il 3GPP RAN4 definisce le prestazio­ni radio, in termini di sensibilità del ricevitore, potenza trasmessa ed emissioni spurie fuori banda. In altre parole, il RAN4 permette di definire le prestazioni minime oltre le quali il device non è più in grado di funzio­nare correttamente.

Le specifiche del RAN4 sono poi la base del lavoro di ETSI, CEN e CE­NELEC per definire le regole di com­mercializzazione di uno smartphone in Europa, cioè per poter apporre il marchio CE.

Questo risultato è raggiunto se l’ap­parato non disturba i sistemi ope­ranti nelle bande radio adiacenti (emissioni fuori banda), se è in linea con le regole di compatibilità elet­tromagnetica. Infine, il 3GPP RAN5 specifica le metodologie di test del device, in modo da assicurarne la ri­spondenza alle specifiche tecniche.

Quanto fa il 3GPP, seppur necessa­rio, non è però sufficiente a garanti­re il corretto funzionamento di uno smartphone in rete. Per assicurare questo, occorre certificare che il de­vice sia effettivamente rispondente alle specifiche e non introduca com­portamenti anomali.

Il Global Certification Forum (GCF) definisce il set di test minimo che permette ai costruttori di autocerti­ficare la rispondenza alle specifiche 3GPP.

In modo analogo il gruppo della GSM Association che si occupa di terminali mette a disposizioni le reti dei diversi operatori per fare verifi­che in campo del funzionamento.

L’aver passato questi test e certifi­cazioni, dimostra che lo smartpho­ne è rispondente alle specifiche 3GPP ed è in grado di interoperare correttamente con gli apparati di rete.

SoC - I principali componenti

L’elemento centrale dei più recen­ti smartphone 4G e 5G è costitui­to dal “System on Chip” (SoC), un circuito integrato che racchiude i componenti fondamentali rappre­sentati in Fig. 1.

SoC commerciali molto diffu­si nell’attuale mercato degli smartphone 4G e 5G sono per esempio: Qualcomm® Snapdra­gon™, Samsung Exynos, Huawei Kirin. Questi moderni SoC sono or­mai realizzati con tecnologia pro­duttiva inferiore a 10 nm, integran­do quindi miliardi di transistor.

 

Vediamo i componenti fondamen­tali di un SoC:

  • il chip “Baseband” è il vero e proprio Modem per la gestio­ne della connettività 5G e 4G, responsabile per l’esecuzione delle tecniche OFDM e MIMO. Negli ultimi anni la capacità computazionale dei Baseband è notevolmente incrementata, al fine di poter gestire canali dati di comunicazione con la rete mobile aventi ampiezze di banda di frequenza (canalizza­zione) sempre maggiori, non­ché tecniche di modulazione e MIMO di ordine superiore. In 4G e per le frequenze FDD, la ca­nalizzazione massima per por­tante è di 20 MHz per downlink e 20 MHz per uplink (era 5 MHz in 3G). Grazie alla funzionalità di Carrier Aggregation, intro­dotta nelle reti commerciali fin dal 2014, è possibile aggrega­re anche 4 o 5 portanti di dif­ferenti frequenze, ottenendo canalizzazioni dell’ordine dei 50 - 100 MHz (tipicamente per downlink). L’adozione della modulazione 256QAM e MI­MO4x4 permettono di innalza­re il throughput di picco nella trasmissione in downlink tra rete mobile e smartphone (ti­picamente nel range 500 Mbps – 1 Gbps di picco), ma anche comportano un incremento della capacità computaziona­le richiesta al Baseband. L’au­mento delle ampiezze di banda da gestire è particolarmente rilevante nel caso 5G NR, in cui la singola portante presenta una canalizzazione fino a 100 MHz (Frequency Range 1, fino a 6 GHz), mentre nel range di frequenze delle onde millime­triche (e.g. 26 GHz) è già oggi possibile aggregare fino a 800 MHz di ampiezza di banda to­tale
  • l’RF Transceiver è il componen­te che determina le prestazioni misurate prima che intervenga­no le antenne dello smartpho­ne. Parametri misurati sono la sensibilità in ricezione (per downlink) e la potenza in tra­smissione (per uplink). Que­ste caratteristiche radio sono cruciali per la qualità della co­municazione: se per esempio la sensibilità in ricezione fosse inferiore di 3 dB rispetto ai re­quisiti target definiti dagli ope­ratori, a parità di condizioni di rete mobile, l’utente avrebbe per i propri servizi un livello di segnale 4G / 5G del 50% infe­riore a quello garantito da uno smartphone conforme ai requi­siti target.
  • Le prestazioni radio (sensibilità in ricezione e potenza in tra­smissione) sono più significa­tivamente misurate conside­rando il comportamento dello smartphone “Over The Air”, cioè includendo gli effetti di ac­coppiamento dell’RF Transcei­ver con le antenne, così come avviene nell’utilizzo quotidiano dello smartphone. Tale accop­piamento, nel SoC, si realizza attraverso i componenti di RF Front-End, quali gli amplifica­tori di potenza ed i filtri RF. In particolare, i filtri, sempre più evoluti nei moderni smartpho­ne 4G e 5G, permettono di gestire contemporaneamente differenti bande di frequenza, minimizzando eventuali effetti di intermodulazione intra-devi­ce. L’efficace gestione contem­poranea di differenti bande di frequenza è alla base del sup­porto di funzionalità quali Car­rier Aggregation 4G e 5G NR, nonché Dual Connectivity NSA tra 4G e 5G NR.
 

Smartphone e Metodologie di test

Gli smartphone moderni vengono sottoposti in tutte le loro fasi (svi­luppo, integrazione delle compo­nenti, produzione, realizzazione dei primi prototipi, verifica dei termina­li commerciali e pre-commerciali) ad una serie quasi infinita di test che ad oggi possiamo categoriz­zare a grandi linee nelle seguenti tipologie:

  1. Development phase Testing: verifica la corretta implemen­tazione durante le fasi di pro­getto e produzione.
  2. Integration Testing: verifica che tutte le componenti hardware di uno smartphone inter-lavo­rino correttamente tra di loro.
  3. Conformance Testing: verifica che lo smartphone sia confor­me alla normativa 3GPP [2].
  4. Laboratory Carrier Acceptance Testing: verifica la conformi­tà ad ulteriori requisiti definiti dall’operatore.
  5. Interoperability Testing: verifi­ca l’inter-lavoro di apparati di rete e di terminali di produttori diversi.
 

Molti di questi test vengono eseguiti in laboratorio e non su rete reale. I test di laboratorio hanno generalmente bisogno di una strumentazione dedicata alla quale viene connesso lo smartphone per poter essere verificato.

In particolare, dal punto di vista del terminale, il simulatore di rete opera a tutti gli effetti come se fosse una stazione radio base reale.

A seconda del tipo di collegamento con il simulatore di rete sono definite 2 categorie di test:

  1. Test In Condotta: lo smartphone è collegato con cavo coassiale al simulatore, escludendo l’antenna.
  2. Test in irradiata (o OTA “Over The Air”): comunicazione radio tramite sistema di antenna.

I test in irradiata sono più complessi rispetto ai test in condotta, in quanto la comunicazione avviene via radio, con un’attenuazione più alta rispetto a quella su cavo coassiale.

Un altro problema è il fatto che operando in ambienti chiusi (laboratorio) il segnale è soggetto inevitabilmente a riflessioni che introducono delle interferenze nella misura spesso non facilmente prevedibili e calcolabili.

 

Di conseguenza i test OTA sono effettuati in ambienti speciali (Camere Anecoiche), che grazie a speciali coni assorbitori, minimizzano il problema delle riflessioni.

Le camere sono anche schermate per evitare interferenza da e verso l’esterno a garantire la riproducibilità della misura.

Le prove OTA introducono una incertezza sulla misura più alta rispetto ai test in condotta.

L’incertezza di misura è inevitabile in un sistema reale di misura e apre scenari di discussione infiniti (specialmente negli enti di normativa e regolatori) tra produttori di smartphone e gli operatori quando la si confronta con un limite di accettazione.

Nello standard si introducono di conseguenza delle Tolleranze di Test per evitare che terminali siano dichiarati non conformi a causa delle incertezze di misura.

In generale per tutte le tipologie di test che non intendono specificatamente includere le prestazioni dell’antenna si preferisce utilizzare l’ambiente in condotta (esempio verifica dei protocolli [2]).

L’utilizzo della connessione in condotta non è più possibile per range di frequenza superiori ai 6 GHz (cosiddette onde millimetriche utilizzate dal 5G) a causa dell’utilizzo di antenne patch, senza connettori d’antenna.

L’ambiente OTA ha l’obiettivo di valutare le prestazioni dell’antenna del terminale e prevede due tipologie:

  1. SISO OTA: focalizzato a misurare la Sensibilità Del Ricevitore e la Potenza Massima emessa dal trasmettitore come se si trovasse a bordo cella.
  2. MIMO OTA: simula un ambiente più reale che tiene conto delle caratteristiche del canale (attenuazioni, riflessioni e fading) in presenza di antenne multiple, V. Figura 2.

Le misure SISO OTA sul device si effettuano generalmente nelle seguenti modalità:

  1. In Spazio Libero (Free space): posizionato come oggetto isolato.
  2. Di Fianco alla Testa (Beside Head, BH): lo smartphone è posizionato è di fianco ad una testa “fantoccio” costituita da materiale che ha proprietà dielettriche, e dimensioni simili al contenuto organico della testa umana, V. figura 3.
  3. Di Fianco alla Testa con Mano (Beside Head & Hand, BHH): insieme alla testa “fantoccio” viene utilizzata anche una “mano fantoccio” che sorregge il terminale.
  4. Modalità di gioco: lo smartphone è impugnato da entrambi i lati da una doppia “mano fantoccio”.
  5. Modalità di navigazione: lo smartphone è impugnato da una “mano fantoccio” per riprodurre la navigazione web.

Data la complessità del sistema di misura ne consegue una elevata incertezza che introduce delle problematiche nel confronto tra misure di laboratori diversi. Nel caso di Acceptance Testing dell’operatore infatti occorre spesso confrontarsi con le misure effettuate dal costruttore.

Per garantire ufficialità e la confrontabilità dei risultati sono definite delle procedure di accreditamento internazionale.

Un laboratorio per essere accreditato deve compiere una serie rigorosa di procedure codificate di taratura, utilizzo e validazione, sia per gli ambienti (camera anecoica) sia per la strumentazione.

Per essere internazionalmente riconosciuto il laboratorio deve essere sottoposto ad una visita periodica da parte di un ente accreditatore esterno (es. ACCREDIA per l’Italia).

TIM investe ogni anno nella calibrazione, aggiornamento e accreditamento (es. ISO17025) delle camere anecoiche preposte per le varie tipologie di test.

 

Conclusioni

Il nostro telefonino si basa su architetture SoC realizzate con tecnologia produttiva inferiore a 10 nm, integrando quindi miliardi di transistor e facendoli rivaleggiare con i supercomputer degli anni ’90 del secolo scorso.

Le diverse componenti del modulo di comunicazione permettono di raggiungere prestazioni molto elevate, con throughput di circa 2 Gbps nei primi smartphone commerciali 5G. Le caratteristiche tecniche di queste componenti impattano la qualità percepita dal cliente, in termini per esempio di raggiungibilità (ovvero di essere in copertura) e di throughput.

Una sensibilità in ricezione 3 dB inferiore rispetto ai requisiti target comporterebbe, a parità di condizioni di rete mobile, un livello di segnale del 50% inferiore a quello garantito da uno smartphone conforme ai requisiti.

Si rende quindi necessario un processo di verifica di conformità alle specifiche 3GPP ed ai requisiti di TIM.

Questo processo è tecnicamente molto complesso, ma è fondamentale per assicurare il buon funzionamento degli smartphone con brand TIM e di garantire un livello minimo di qualità di quelli che arrivano dal mercato retail.

 

Bibliografia

[1] B. Melis, D. Rapone, G. Romano “Dentro lo smartphone – Banda base e protocolli radio”, Notiziario Tecnico n° 1 - 2020 

[2] Approfondimento “Il 3GPP conformance testing”, massimiliano.ubicini@telecomitalia.it Notiziario Tecnico n° 2 - 2015 Articolo 3 “L’evoluzione Dell’accesso Radio LTE”, Andrea Buldorini, Maurizio Fodrini, Giovanni Romano

[3] TCAM WG (09) 16: Receiver sensitivity of mobile phones - NL administration (TFES(17)000016)

[4] TFES(19)000032r5: OTA testing - devices and information received up to date (pre-testing phase) – ETSI Secretariat.

[5] TFES(19)000019r4: LTE UE OTA Measurement Campaign Technical Guidance Document - Samsung Electronics R&D Institute.

[6] TFES(19)000021r3: Questionnaire for OEM’s of the selected DUT’s for MSG-TFES OTA test campaign – TIM, Orange, Vodafone, Telefonica.

[7] TFES(20)065022: Results of the LTE UE OTA Antenna Parameters Test Campaign – ETSI Secretariat.

 

Acronimi

256QAM - 256 Quadrature Amplitude Modulation
3GPP - Third Generation Partnership Project
BH - Beside Head
BHH - Beside Head & Hand
CDF - Cumulative Density Function
CEN - Comité Européen de Normalisation
CENELEC - Comité Européen de Normalisation Électrotechnique
DUT - Device Under Test
ETSI - European Telecommunication Standard Institute
FDD - Frequency Division Duplex
GCF - Global Certification Forum
GSM - Global System for Mobile Communications
HW - Hardware
LTE - Long Term Evolution
MIMO - Multiple Input Multiple Output
MNO - Mobile Network Operator
MSG-TFES - Mobile Standards Group - Task Force for the production of Harmonised Standards under the RED for the IMT family
NR - New Radio
NSA - Non-Stand Alone
OEM - Original Equipment Manufacturer
OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OTA - Over The Air
SISO - Single Input, Single Output
SoC - System on Chip
RAN - Radio Access Network
RAN1 - RAN Working Group 1
RAN2 - RAN Working Group 2
RAN4 - RAN Working Group 4
RAN5 - RAN Working Group 5
RF - Radio Frequency
UE - User Equipment