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5G装置竞赛启动 OTA测试开启新战局
更真实的效能评估

【作者: 王岫晨】2021年01月12日 星期二

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随着3GPP核准了5G New Radio(NR)初始标准,以及首批晶片组的发布,设计并提供高品质装置的大赛已然展开,用於满足5G的严苛要求。5G NR采用新技术,并透过灵活的叁数集、更复杂的波形和通道编码技术,来扩展毫米波(mmWave)频率、更宽的通道频宽,以及先进的多天线存取,最终达到效能改进的目标。这些新技术的结合,显着增加了设计和测试的复杂性。


测试5G NR资料传输速率


图一 :  预计OTA测试将取代传统使用在低於6GHz设计的传导测试方法。
图一 : 预计OTA测试将取代传统使用在低於6GHz设计的传导测试方法。

5G NR需要更快的资料速率,以支援增强型行动宽频(eMBB)使用案例,例如UHD影片串流、虚拟实境(VR)和扩增实境(AR)等。当行动通讯业者加速完成5G NR部署计画时,晶片组和装置制造商也必须加快开发工作,例如确认如何以最有效的方式测试5G NR资料传输速率。5G eMBB使用案例的目标是下行链路(DL)的资料速率最高达到20Gbps,上行链路(UL)的资料速率最高达到10Gbps。


除了使用低於6GHz的频率之外,5G NR还透过利用更高频率的毫米波频谱来实现这一目标。LTE最高以6GHz频率运作,而毫米波运作的频段最高则达到52.6GHz,这是已经核准的5G NR第15版标准。5G NR带来新的讯框架构和波束成形存取程序,不仅增加设计的复杂性,也增加了设计难度和功能原型测试程序。


5G NR也导入了灵活的叁数集,可以扩展子载波间隔。可扩充的时槽区间允许子载波针对不同类型的服务层级进行最隹化,兼顾传输速率、延迟和可靠性之间的平衡。


在分时多工(TDD)频段中,5G NR还允许动态TDD运作,在该运作中,网路可以动态地将每个时槽指定为DL或UL。这样就可以更有效地使用频谱。透过使用动态TDD,网路能够为DL或UL分配更多或更少的资源,取决於所提供的网路、装置和服务等特定讯务要求。


而在测试5G NR装置传输速率时,能够存取低层讯框架构非常重要,以配置和测试最大传输速率。波束成形可用来克服在较高频率下的传播和渗透损耗。透过使用提供额外天线增益的高指向性辐射波束,波束成形实现了更强的信噪比(SNR)。


测试5G NR装置传输速率的主要挑战包括:


· 配置5G NR讯框架构以获得更高的传输速率


· 配置5G NR装置,以进行量测并制作量测报告,进而实现链路调适最隹化


· 毫米波频率5G NR波束成形效能最隹化


5G NR的OTA波束成形功能测试

3GPP的5G NR第15版标准制定了最高达到52.6GHz的行动通讯运作。为了克服在这些较高频率下较高的路径损失和多路径传播问题,将采用波束控制或波束成形技术。波束控制并不是新的技术,其能够对所需方向提供高方向性信号。然而,用於毫米波频率的行动通讯波束控制,需要所需测试和验证的新存取技术。当装置在网路中移动时,装置和基地台必须找到彼此并保持高品质的通讯链路。


在新频率范围2(FR2)毫米波频段运作的5G NR装置,可能将其天线整合到晶片组和手机中,难以探测传导测试。因此,预计空中介面(OTA)测试将取代传统使用在低於6GHz设计的传导测试方法。OTA测试也可以在真实情境中提供更真实的波束效能评估。


对毫米波装置进行OTA测试


图二 : 是德科技的60GHz信道测量设备。
图二 : 是德科技的60GHz信道测量设备。

毫米波频率可提供更为连续的频谱,以及频宽更宽的无线通道,是非常重要的5G技术。然而,毫米波信号也会受到信号传播问题的影响,例如路径损失增加、延迟传播,甚至是因机箱或人为干扰所导致的阻塞等。这些因素使得建立并维护行动装置到基地台的无线通讯链路变得更加困难。


因此,需透过OTA测试来检验具有整合天线的调变解调器。OTA测试可在各种真实情境下,显示、分析并验证5G装置的波束码型和效能。而空中传输或空囗(OTA)测试也成为开发5G装置时,最具挑战性的任务之一。


(表一)3GPP核准的OTA测试方法比较(source: keysight.com)

直接远场(DFF

间接远场(IFF

近场到远场转换(NFTF

一种简单、全面的方法

在紧密的天线测试范围(CATR)中提供近场到远场转换

一种能够降低成本的紧密方法

对毫米波装置,可能会有很大的较大路径损失

适用毫米波装置的测试,但并不适用空间 RRM 测试

且仅限於收发器应用,更别说没有接收器或射频叁数测试


新的5G技术和效能改善,推动了对新测试方法的需求。随着灵活的叁数集、更复杂的波形和通道编码技术、扩展到毫米波的频率、更宽的通道频宽,以及先进的多天线存取机制在5G装置中实现,设计人员必须存取协定堆叠的多个层级,以充分测试传输速率和波束成形效能。此外,对OTA测试解决方案的需求,也使得整体情况更加复杂化。


结语

5G FR2毫米波(mmWave)服务将逐渐变得更普及,尤其是在北美及日本等已开发的经济体。因此,预计5G毫米波终端的未来开发与认证测试也将变得更加重要。


毫米波终端必须在OTA环境中进行测试,但是由於毫米波和OTA的特性,除非每次都能将测试终端安装在测试设备的相同位置,否则很难获得可再现的测试结果。因此,终端的安装/拆卸不仅必须十分容易,高度可重复的安装位置也是获得良好测量结果的关键。此外,如果无法根据终端设计(尤其是毫米波天线位置)选择最隹的对准测项,将无法获得准确的结果。


(本文叁考资料:是德科技测试5G New Radio装置白皮书)


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