5G降臨無線測(cè)試新時(shí)代

5G帶來廣闊前景的同時(shí)，也使得測(cè)試日益復(fù)雜化。必須開發(fā)新的技術(shù)來測(cè)試5G設(shè)備。需要成本更低的空口測(cè)試技術(shù)。

——NI 業(yè)務(wù)和技術(shù)首席Charles Schroeder

自蜂窩通信出現(xiàn)開始以來，測(cè)試工程師一直在使用一組公認(rèn)的測(cè)量和技術(shù)，對(duì)從RF半導(dǎo)體到基站和移動(dòng)手機(jī)等無線通信技術(shù)進(jìn)行大量測(cè)試。但是對(duì)于5G，這些無線設(shè)備采用的技術(shù)將更加復(fù)雜，用于測(cè)試前幾代設(shè)備且已經(jīng)過高度優(yōu)化的測(cè)試技術(shù)必須重新考量。為驗(yàn)證5G技術(shù)的性能，需要使用空口（over-the-air，OTA）方法而不是當(dāng)前使用的線纜直連的方法來測(cè)試5G組件和設(shè)備。作為工程領(lǐng)導(dǎo)者，我們需要新的測(cè)試方法來確保5G產(chǎn)品和解決方案在許多行業(yè)和應(yīng)用中的商業(yè)化可行性。

增加帶寬

5G標(biāo)準(zhǔn)的主要目標(biāo)之一是大幅提高數(shù)據(jù)容量，這是因?yàn)橛脩魯?shù)據(jù)需求在持續(xù)不斷地增長(zhǎng)，但為了實(shí)現(xiàn)每用戶10 Gbps的目標(biāo)峰值速率，需要引入新技術(shù)。首先，5G規(guī)范包括多用戶MIMO（MU-MIMO）技術(shù)，該技術(shù)允許用戶通過波束成形技術(shù)同時(shí)共享相同的頻帶，為每個(gè)用戶建立唯一的集中無線連接。其次，5G標(biāo)準(zhǔn)增加了更多的無線頻譜，擴(kuò)展到了厘米和毫米波（mmWave）頻率。

MU-MIMO和mmWave技術(shù)的物理實(shí)現(xiàn)需要使用比前幾代蜂窩標(biāo)準(zhǔn)更多的天線元件。根據(jù)物理學(xué)定律，mmWave頻率的信號(hào)在通過自由空間時(shí)將比當(dāng)前蜂窩頻率的信號(hào)衰減得更快。因此，在發(fā)射功率電平近似的情況下，mmWave蜂窩頻率的范圍將比當(dāng)前蜂窩頻帶小得多。為了克服這種路徑損耗，5G發(fā)射器和接收器將利用并行工作的天線陣列，并使用波束成形技術(shù)來提升信號(hào)功率，而不是像目前的設(shè)備那樣每個(gè)頻帶使用一個(gè)天線。這些天線陣列和波束成形技術(shù)不僅對(duì)于增加信號(hào)功率很重要，對(duì)于實(shí)現(xiàn)MU-MIMO技術(shù)也同樣至關(guān)重要。

那如何將所有這些天線安裝到未來的手機(jī)中？幸運(yùn)的是，mmWave頻率的天線將比用于當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩天線小得多。新的封裝技術(shù)，如集成天線封裝（antennain package，AiP，即天線陣列位于芯片的封裝內(nèi)），將使得這些天線更容易集成到現(xiàn)代智能手機(jī)的小空間內(nèi)，但天線陣列可能完全封閉，沒有任何可直接接觸的測(cè)試點(diǎn)。

使用OTA解決新挑戰(zhàn)

對(duì)于測(cè)試工程師而言，增加的頻率范圍、新的封裝技術(shù)和更多的天線數(shù)量使其很難在維持高質(zhì)量的同時(shí)，盡可能避免資本成本（測(cè)試設(shè)備的成本）和運(yùn)營(yíng)成本（測(cè)試每個(gè)設(shè)備的時(shí)間）的增加。新的OTA技術(shù)可以幫助解決這些問題，但同時(shí)也帶來了挑戰(zhàn)。首先，測(cè)量精度是一大挑戰(zhàn)。與有線測(cè)試不同，在進(jìn)行OTA測(cè)量時(shí)，測(cè)試工程師需要處理天線校準(zhǔn)和精度、連接件公差和信號(hào)反射等引起的額外測(cè)量不確定性。其次，設(shè)備測(cè)試計(jì)劃必須納入全新的測(cè)量方法，以進(jìn)行消聲室集成、波束特性分析、最佳碼本計(jì)算和天線參數(shù)特性分析。第三，隨著RF帶寬不斷增加，在RF帶寬上進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)量所需的處理量也會(huì)增加，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)試時(shí)間增加。最后，測(cè)試經(jīng)理必須考慮額外的業(yè)務(wù)因素，以在確保產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，最大限度地減少對(duì)上市時(shí)間、資本成本、運(yùn)營(yíng)成本和占地面積（以適應(yīng)OTA測(cè)試暗室的面積）的影響。在接下來的幾年里，測(cè)試和測(cè)量行業(yè)將通過許多創(chuàng)新技術(shù)來快速應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。因此，測(cè)試團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)考慮高度靈活的軟件定義測(cè)試策略和平臺(tái)，以確保其當(dāng)前的資本支出能夠跟上這一快速創(chuàng)新周期。

雖然OTA提出了諸多挑戰(zhàn)，但同時(shí)也帶來了許多好處。首先，OTA是AiP技術(shù)的唯一選擇，因?yàn)樘炀€陣列集成在封裝內(nèi)，無法通過導(dǎo)線直接連接陣列元件。即使測(cè)試工程師可以使用傳導(dǎo)測(cè)試方法連接各個(gè)天線元件，他們也面臨著選擇并行測(cè)試（購(gòu)買更多儀器帶來的資本支出）還是連續(xù)測(cè)試（測(cè)試時(shí)間和吞吐量增加帶來的運(yùn)營(yíng)成本）的困難。雖然許多技術(shù)問題仍有待解決，但OTA測(cè)試提供了將陣列作為一個(gè)系統(tǒng)而不是一組獨(dú)立元件進(jìn)行測(cè)試的可能性，這有望提供系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的高效率。過去，測(cè)試設(shè)備供應(yīng)商和測(cè)試工程師已經(jīng)遇到了在測(cè)試日益增加的性能和復(fù)雜性的同時(shí)，最大限度縮短產(chǎn)品上市時(shí)間和測(cè)試成本的挑戰(zhàn)，而對(duì)于5G，他們?nèi)悦媾R著相同的挑戰(zhàn)。盡管當(dāng)今的5G測(cè)試挑戰(zhàn)看起來很復(fù)雜，但世界各地的工程師們已經(jīng)在開發(fā)新的測(cè)試儀器和方法，如OTA，這些都是5G成功進(jìn)行商業(yè)部署所必需的。

3G、4G和5G網(wǎng)速對(duì)比