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5G测试新挑战 PXI平台轻松以对
低成本、高弹性

【作者: 王岫晨】2017年11月01日 星期三

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在5G通讯议题吵得沸沸扬扬的今日,如何透过相关技术来有效提高数据的传输量,才是5G技术发展的真正意义。在5G系统中,最常见者便是透过多天线的同时发送与接收,让数据的传输可以达到最大化,MIMO这个常见的技术,正是透过这样多天线的原理来实现传输流量的增加。这看似简单的一个原理,许多的挑战却在这样的发展中推演开来。


多天线阵列的效能与成本

在4G时代,MIMO系统的天线数量多半就是4x4,大不了8x8,再厉害一点16x16,鲜少看到超过这样天线数量的,因为一旦天线数再增加,随之而来的成本问题、功耗问题、干扰问题,乃至於多通道的测试问题等,都将深深困扰着设计人员,难以解决。


到了5G系统上,天线阵列数量动辄破百,最常见者如128天线阵列的无线讯号发射。在4G都尚难解决的问题,到了5G问题不只被放大,还被加乘。而且5G的MIMO阵列,已经不在诉求只针对单一对象去做讯号的收发,而是针对多用户同时进行。这就是目前常听到的MU-MIMO,针对多用户(Multi User)来进行同步的数据传送。


一般来说,在低於6GHz的MU-MIMO设备之中,设计的重点,会偏重於如何在效能与成本之间,取得一个平衡点。因为一旦需要建置高达一百个以上的天线收发端,光是前期设施与天线设备的成本,就非常可观。然而却不能因为要求成本而降低了效能,更不能为了提高效能,就让成本暴增。因此以一个MU-MIMO设备的设计来看,其关键就在於如何提升百倍效能,但不让成本增加百倍。


从这点来观察,就很好理解为什麽Massive MIMO成为现阶段各界都在致力研究的热门课题,因为Massive MIMO的设计理念,一开始就不是单纯把天线数增加而已,而是在多天线的传输效能增加,以及成本的控制之间,试图取得一个良好平衡。


当然,这些都还是在6GHz的频率范围之内。一旦想把Massive MIMO或者MU-MIMO应用到28GHz的毫米波领域的话,就会衍生出更大的问题与挑战。一般来说,到了毫米波领域,所需要的不外??就是更大频宽,而所需的装置成本也会相对更高,因此如何做到成本的优化,就变得非常重要。


也因此,未来在毫米波上的5G系统,都将会走向综合式的Hybrid-Beamforming,也就是同时使用类比与数位讯号,先以类比讯号来指出大方向之後,再透过数位的方式来形成数个指向的数位通道,藉以提高讯号收发效能。


事实上,毫米波与6GHz以下的电磁波相较,双方在讯号传递的特性上会面临不同的挑战。因为毫米波的讯号能量衰减是更为快速的,因此对於发射端与接收端的天线特性要求将会更高,一旦设计不良,更容易会有通讯问题的发生。


5G系统连线数庞大

5G通讯是个全新与未知的通讯领域,目前已经有许多新技术被陆续导入到5G通讯系统之中。在5G这个正值起飞期的市场,许多厂商积极抢进,就是希??能在该市场占有一席领导地位。而且,只要能越早进入5G市场,未来在该市场就有更高的机会可以占有更多的市场份额。正因为如此,有许多厂商纷纷抢在5G标准底定之前,就先行完成5G系统的原型制作。


这种抢先在标准订定之前,就已经问世的原型系统,也正是现在常见的non-standardized系统,特别是在5G市场,这样的原型系统十分普遍。5G市场目前竞争十分激烈,许多叁与者都希??能够抢得先机,而关键就在於这些叁与者如何将5G的概念与想法,真正落实到5G的原型系统制作上,藉以证明这样的系统设计是真正可行的。


放眼MIMO这样的系统,其实在4G时代就已经存在了,但到了5G系统上,最大的差异在於天线数量的暴增。以4G的MIMO阵列顶多8~16个天线来比较,到了5G的MIMO阵列动辄超过100根以上的天线,这样设计的目的,就在於能於同一时间内,支援更多的使用者。


随着未来物联网时代来临之後,不单只有人们会需要无线通讯的连线,包括许多的物也都需要连网,例如感测器,通常一个系统中所拥有的感测器数量,就可能多达十几种,包括温度、湿度、震动等,这些每个单一感测器都是一个节点,都可以被视为是一个使用者来看待。如此一来,整个物联网环境中的『使用者』数量将会十分可观。正因为有这麽多的使用者,因此透过5G庞大的天线阵列,才有办法同时满足这麽多的连线需求。


模组化仪器的测试优势

5G通讯是全新的通讯系统,在测试层面上,当然会有一些现有测试方式所无法满足的部分,例如Beamforming的波束成型测试,不能只针对单一天线,而是必须要同时了解所有天线特性,并针对所有天线阵列来进行效能测试。至於手机的量产测试,由於单一手机上无法拥有过多的天线数量,因此一只5G手机上的天线数量,与4G手机是差不多的。而5G在天线数量上的差异,最明显的区别将会出现在基地台端。基地台由於数量庞大的天线,经常导致测试成本也随之提高。这些衍生出来的不同测试需求,以传统箱型式仪器进行测试的话,会造成庞大的成本耗费。透过模组化仪器,却可以藉由更低的成本,更快解决这些测试需求。


目前市场上模组化仪器的提供者,最为人熟知的莫过於是德科技(Keysight)与国家仪器(NI)。以NI的PXI平台来说,透过模组化的平台,工程师可以利用更多的通道数,去进行多天线测试,不需过高的成本就可以完成多天线的5G测试,弹性非常足够。对於5G测试,PXI仪器的优势在於,体积比起传统的箱型式仪器来得更小,而传统箱型式仪器也无法达到如此高的测试通道数。此外,在PXI平台上,也提供了仪器与仪器之间的时序同步,这对於大资料量的传输将十分重要。而在软体层面上,PXI平台是软体定义的架构,对於未来天线数量的增加与扩充,都能够进行非常有弹性的支援。可以说,PXI平台在5G的测试上,可以用更低的成本,更高的弹性,来解决更多棘手的新挑战。


解决方案

NI PXIe-5632向量网路分析器 (VNA)

国家仪器技术行销经理潘建安:「NI向量网路分析仪可提供精准的RF效能!」


NI 针对精巧的模组化 PXI 平台提供了向量网路分析仪 (VNA) 功能。NI 向量网路分析仪搭载精巧的 PXI 机型,可提供极为精准的 RF 效能,还能缩短测试时间;有助於使用不同的 RF 与混合讯号 I/O 仪器,并且顺利整合至测试系统。


双埠式 NI PXIe-5632 的频率范围高达 8.5 GHz,来源功率则是 -30 dBm ~ +15 dBm,并且配备双源架构、来源存取??路与低延迟触发功能。全功能的 NI VNA 软人机介面、NI LabVIEW 或 NI LabWindows/CVI API 可用来执行精确的自动/手动校准,并且快速进行量测作业。


有了 NI PXIe-5632 即可於设计检验与生产线上分析网路,不需要昂贵又庞大的传统网路分析器。NI PXIe-5632 之类的向量网路分析器 (VNA) 可量测装置的强度、相位、阻抗。由於网路分析器属於封闭式的激发响应系统,因此可透过绝隹的精确度测得 RF 的特性叁数。



图1 : NI PXI平台(图片来源:ni.com)
图1 : NI PXI平台(图片来源:ni.com)

是德科技E6640A EXM无线测试仪

是德科技台湾区总经理张志铭:「我们可提供业界最高的测试速率!」


E6640A EXM无线测试仪同时支援序列和并联载波聚合测试流程,无需使用其他测试设备,可经济有效地因应前述测试挑战。EXM可在小型机箱中配置多达 4 个完整的TRX测试仪,以实现高密度测试。每个测试仪都内建灵活的4埠RFIO面板,无需使用复杂且昂贵的外部切换元件。


EXM可透过一台轻巧的主机提供4台测试仪,如此可减少仪器占用的空间,并可共用单一内部控制器、时序叁考和内部电源,让制造商能降低资本投资。此外,EXM采用是德科技为X系列分析仪和无线测试仪开发的量测技术。这些技术已经成为产业标准,可提供业界最高的测试速率。



图2 : 是德科技E6640A EXM无线测试仪(图片来源:keysight.com)
图2 : 是德科技E6640A EXM无线测试仪(图片来源:keysight.com)
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