迈向5G的第一步 克服 New Radio 装置设计挑战
- 李佳玲
-
空中传输或空口(OTA)测试是开发5G装置时，最具挑战性的任务之一。在本系列专文中，探讨了5G装置设计的许多层面，包括新5G NR标准、灵活的参数集、毫米波(mmWave)设计考量、MIMO和波束成形挑战。这些技术的结合运用，带来了各式各样的新测试挑战，而且只能透过OTA测试进行验证。
为了让下行链路的峰值数据速率，达到5G增强型移动宽频(eMBB)使用情境定义的20 Gbps，未来MIMO、波束控制、载波聚合将成为至关重要的技术。进行 OTA测试时，需测试高度整合的基带(modem)，并在独特的毫米波通道条件下验证设计。在OTA测试环境中，您需在各种真实情境下，查看、分析并验证5G装置的波束图型和效能。然而，3GPP核准的OTA测试条件尚未定义完毕。需要成功开发5G新无线电(NR)装置，业界需了解相关挑战并提出OTA测试方法。
毫米波所需的新测试方法
毫米波频率提供具有连续频谱与宽广带宽的无线通道，是非常重要的新技术。然而，毫米波信号很容易受到信号传播问题的影响，在6 GHz下，这原本并不是问题。信号传播问题包含路径损耗增加、延迟传播，甚至是因机箱或人为干扰所导致的阻塞。这些因素使得建立和维护无线通讯链路变得更加困难。5G 无线系统在基站和移动设备上，使用多天线空间分集和波束控制技术，来克服前述挑战。这些设计藉由将窄波束可靠地指引到特定方向，来改善信号稳定度。
可建立很小的毫米波天线阵列，24 GHz全波间隔仅为12.5 mm。5G智能手机制造商，必须为GPS、Wi-Fi、Bluetooth和支持多种蜂巢式频率的天线，找到立足之地。为了将这些功能全都放入不断缩小的硬件设计中，最佳化设计(例如具有高度整合式阵列的RFIC)将变得更普及。这些整合式设计很难以探量。此外，有线测试不但困难、成本高，而且不足以因应新参数量测的要求，例如3D辐射波束尺寸与方向。
透过OTA测试，可在原型设计阶段获得重要的洞察力。所有芯片组、天线和整合式装置，都必须在OTA环境中进行量测。设计工程师需在2D和3D中量测波束图型，并了解波束宽度、旁瓣位准、零位深度和对称性，以便实现顶尖设计。不仅如此，他们还须验证波束控制和零转向(null steering)功能，以确保正确的波束指向，并在各种条件下维持天线增益。
OTA 测试挑战和解决方案
不同于传统的有线测试，OTA测试将面临许多新的挑战，包括过多的路径损耗。有线测试套件具有已知的实体特性，经过校验后，可提供准确且可重复的结果。现有的OTA测试方法也必须与时俱进。在毫米波装置中，过多的路径损耗增加了准确OTA量测的困难度。
虽然3GPP尚未完整定义毫米波测试标准，是德科技已开始与5G芯片和装置领导厂商密切合作，以了解OTA测试挑战，并提供可用于5G并由3GPP核可的新型解决方案。 这些新的挑战可归纳为下列几点：1.毫米波频率有路径损耗和距离的问题；2.毫米波OTA测试方法尚未定义完毕；3.在真实通道条件下量测装置效能。
挑战 1：毫米波频率有路径损耗和距离的问题
是德通常会在天线阵列的近场或远场区域进行OTA测试。发射电磁(EM)波的特性，取决于发射器之距离。如果是透过天线阵列传播信号，信号强度较强。如图2所示，峰值、旁波瓣之振幅，和辐射码型之零点，将朝向远场模式发。
近场量测很适合用于某些应用，但是想要评估5G蜂巢式通讯链路，则须使用远场量测。 辐射波特性使得远场距离和相关路径损耗变大更大的频率。例如，在2 GHz频率下运作的4G LTE 15 cm装置之远场区域始于0.3米，路径损耗为 28 dB。相较之下，在28 GHz频率下运作的5G NR装置的远场区域则始于4.2米，路径损耗为73 dB，因而导致过大的远场测试区域和太大的路径损耗，以致于无法在毫米波频率下，进行准确且可重复的量测。随着来源天线尺寸变大，传输距离也随之拉长，让天线尺寸和路径损耗的挑战加剧。
唯有克服路径损耗问题，才能成功执行射频效能量测，如发射功率、发射信号品质和杂散放射。为了排除路径损耗和过大远场距离的问题，3GPP核准了一种基于缩距量测系统(CATR)的间接远场(IFF)测试方法，如图3所示。
挑战 2：毫米波OTA测试方法尚未定义完毕
典型的OTA测试解决方案，包含电磁波吸收室、不同的探量技术和测试设备，以产生并分析在空间中传播的辐射信号。电磁波吸收室提供的非反射环境，可以屏蔽外部干扰，以便在受控环境中产生并量测已知功率和方向的辐射信号。
5G使用类似于4G的低频测试，而毫米波频率则需使用OTA方式来执行以下测试：
1. 射频效能—最低信号品质
2. 解调变—数据传输速率效能
3. RRM(无线资源管理)—初始存取、交递和移动性
4. 信号—上层信令程序
5G射频效能测试是目前最成熟的测试方法。3GPP研究小组还在拟订装置解调变测试方法，以及更为复杂的RRM。3GPP允许使用三射频效能测试方法来测试UE装置。每个方法各有利弊，基于您测试的频率与实验室的空间限制，您可从中选择适用于对于您的装置进行特性分析的方法。
直接远场法(DFF)。这个方法将待测物(DUT)安装于可旋转方位角和仰角的定位 器上，以便对完整的3D球面之任意角度进行量测。量测多个信号时，直接远场法可进行最全面的测试，但需要更大的毫米波装置测试空间。一个4.2米的测试空间，将导致在28 GHz频率下运作的15cm辐射装置，产生过多的路径损耗。由于DFF具有多信号量测能力，它仍是量测sub-6 GHz装置的首选方法。
间接远场法(IFF)。IFF测试方法基于缩距量测系统(CATR)，使用抛物面反射器来 准直探量天线发射的信号，以建立远场测试环境。虽然这种方法只能量测单一信号，相较于可量测毫米波装置的DFF方法，它确实提供更短的距离和更少的路径损耗。
近场到远场转换法(NFTF)。NFTF方法可对近区电场的相位和振幅进行取样，并 用数学运算来预测远场模式。这个方法很精简，而且成本很低，但其量测准确度会受到发射器干扰所影响。同时，它也受到单一视线(line-of-sight)量测的限制。
由于3GPP尚未完全定义特定的要求和测试方法，如果仅凭一己之力，可能非常耗时， 而且需重新进行重设计，才能部署OTA测试解决方案。是德科技积极参与3GPP规格的开发，并具备早期部署所需的专业知识。藉由与早期技术采用者紧密合作，是德科技建立了5G OTA测试方法，包括测试空间、探量，以及测试设备，以便针对5G NR之毫米波或sub-6 GHz设计，进行各式各样的射频、解调变与效能测试。
挑战 3：在真实通道条件下量测装置效能
为了达到最高的效能和可靠度，设计工程师必须在稳定且受控的验证环境中进行测试，以便改善设计。通道模拟器是模拟真实条件的工具，并可让这些条件保有可控制且可重测的特性，方便设计工程师测试各种新技术，包括更宽的信号带宽、毫米波频率、波束控制，以解决路径损耗、多路径衰减和延迟传播等信号传播问题。通道模拟器是完整测试平台的一部分，
可在模拟真实无线通道时，让设计工程师能够将装置视为全堆叠系统的一部分来进行特性分析。利用全堆叠设定，工程师可对各种状况进行测试，并快速识别任何可能影响使用者体验的状况。
结语
欲实现5G承诺的极端数据速率，极具挑战性。为建立可产生窄波束的多天线阵列，工程师需透过OTA测试方法进行检视、特性分析与验证。远场路径损耗与测试间大小，都将对量测准确度、可重复度，以及实验室空间带来新的挑战。
3GPP正在研究并定义新的OTA方法，以帮助克服这些挑战。OTA测试仍未完全定义，是德科技已投入3GPP规格和早期OTA测试解决方案的开发。利用是德科技的专业知识，可加速5G设计，同时确保高效能和高品质的产品。(本文由是德科技提供，李佳玲整理报导)
