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5G裝置競賽啟動 OTA測試開啟新戰局
更真實的效能評估

【作者: 王岫晨】   2021年01月12日 星期二

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隨著3GPP核准了5G New Radio(NR)初始標準,以及首批晶片組的發佈,設計並提供高品質裝置的大賽已然展開,用於滿足5G的嚴苛要求。5G NR採用新技術,並透過靈活的參數集、更複雜的波形和通道編碼技術,來擴展毫米波(mmWave)頻率、更寬的通道頻寬,以及先進的多天線存取,最終達到效能改進的目標。這些新技術的結合,顯著增加了設計和測試的複雜性。


測試5G NR資料傳輸速率


圖一 :  預計OTA測試將取代傳統使用在低於6GHz設計的傳導測試方法。
圖一 : 預計OTA測試將取代傳統使用在低於6GHz設計的傳導測試方法。

5G NR需要更快的資料速率,以支援增強型行動寬頻(eMBB)使用案例,例如UHD影片串流、虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)等。當行動通訊業者加速完成5G NR部署計畫時,晶片組和裝置製造商也必須加快開發工作,例如確認如何以最有效的方式測試5G NR資料傳輸速率。5G eMBB使用案例的目標是下行鏈路(DL)的資料速率最高達到20Gbps,上行鏈路(UL)的資料速率最高達到10Gbps。


除了使用低於6GHz的頻率之外,5G NR還透過利用更高頻率的毫米波頻譜來實現這一目標。LTE最高以6GHz頻率運作,而毫米波運作的頻段最高則達到52.6GHz,這是已經核准的5G NR第15版標準。5G NR帶來新的訊框架構和波束成形存取程序,不僅增加設計的複雜性,也增加了設計難度和功能原型測試程序。


5G NR也導入了靈活的參數集,可以擴展子載波間隔。可擴充的時槽區間允許子載波針對不同類型的服務層級進行最佳化,兼顧傳輸速率、延遲和可靠性之間的平衡。


在分時多工(TDD)頻段中,5G NR還允許動態TDD運作,在該運作中,網路可以動態地將每個時槽指定為DL或UL。這樣就可以更有效地使用頻譜。透過使用動態TDD,網路能夠為DL或UL分配更多或更少的資源,取決於所提供的網路、裝置和服務等特定訊務要求。


而在測試5G NR裝置傳輸速率時,能夠存取低層訊框架構非常重要,以配置和測試最大傳輸速率。波束成形可用來克服在較高頻率下的傳播和滲透損耗。透過使用提供額外天線增益的高指向性輻射波束,波束成形實現了更強的信噪比(SNR)。


測試5G NR裝置傳輸速率的主要挑戰包括:


‧ 配置5G NR訊框架構以獲得更高的傳輸速率


‧ 配置5G NR裝置,以進行量測並製作量測報告,進而實現鏈路調適最佳化


‧ 毫米波頻率5G NR波束成形效能最佳化


5G NR的OTA波束成形功能測試

3GPP的5G NR第15版標準制定了最高達到52.6GHz的行動通訊運作。為了克服在這些較高頻率下較高的路徑損失和多路徑傳播問題,將採用波束控制或波束成形技術。波束控制並不是新的技術,其能夠對所需方向提供高方向性信號。然而,用於毫米波頻率的行動通訊波束控制,需要所需測試和驗證的新存取技術。當裝置在網路中移動時,裝置和基地台必須找到彼此並保持高品質的通訊鏈路。


在新頻率範圍2(FR2)毫米波頻段運作的5G NR裝置,可能將其天線整合到晶片組和手機中,難以探測傳導測試。因此,預計空中介面(OTA)測試將取代傳統使用在低於6GHz設計的傳導測試方法。OTA測試也可以在真實情境中提供更真實的波束效能評估。


對毫米波裝置進行OTA測試


圖二 : 是德科技的60GHz信道測量設備。
圖二 : 是德科技的60GHz信道測量設備。

毫米波頻率可提供更為連續的頻譜,以及頻寬更寬的無線通道,是非常重要的5G技術。然而,毫米波信號也會受到信號傳播問題的影響,例如路徑損失增加、延遲傳播,甚至是因機箱或人為干擾所導致的阻塞等。這些因素使得建立並維護行動裝置到基地台的無線通訊鏈路變得更加困難。


因此,需透過OTA測試來檢驗具有整合天線的調變解調器。OTA測試可在各種真實情境下,顯示、分析並驗證5G裝置的波束碼型和效能。而空中傳輸或空口(OTA)測試也成為開發5G裝置時,最具挑戰性的任務之一。


表一 3GPP核准的OTA測試方法比較(source: keysight.com)

直接遠場(DFF

間接遠場(IFF

近場到遠場轉換(NFTF

一種簡單、全面的方法

在緊密的天線測試範圍(CATR)中提供近場到遠場轉換

一種能夠降低成本的緊密方法

對毫米波裝置,可能會有很大的較大路徑損失

適用毫米波裝置的測試,但並不適用空間 RRM 測試

且僅限於收發器應用,更別說沒有接收器或射頻參數測試


新的5G技術和效能改善,推動了對新測試方法的需求。隨著靈活的參數集、更複雜的波形和通道編碼技術、擴展到毫米波的頻率、更寬的通道頻寬,以及先進的多天線存取機制在5G裝置中實現,設計人員必須存取協定堆疊的多個層級,以充分測試傳輸速率和波束成形效能。此外,對OTA測試解決方案的需求,也使得整體情況更加複雜化。


結語

5G FR2毫米波(mmWave)服務將逐漸變得更普及,尤其是在北美及日本等已開發的經濟體。因此,預計5G毫米波終端的未來開發與認證測試也將變得更加重要。


毫米波終端必須在OTA環境中進行測試,但是由於毫米波和OTA的特性,除非每次都能將測試終端安裝在測試設備的相同位置,否則很難獲得可再現的測試結果。因此,終端的安裝/拆卸不僅必須十分容易,高度可重複的安裝位置也是獲得良好測量結果的關鍵。此外,如果無法根據終端設計(尤其是毫米波天線位置)選擇最佳的對準測項,將無法獲得準確的結果。


(本文參考資料:是德科技測試5G New Radio裝置白皮書)


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