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5G測試新挑戰 PXI平台輕鬆以對
低成本、高彈性

【作者: 王岫晨】   2017年11月01日 星期三

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在5G通訊議題吵得沸沸揚揚的今日,如何透過相關技術來有效提高數據的傳輸量,才是5G技術發展的真正意義。在5G系統中,最常見者便是透過多天線的同時發送與接收,讓數據的傳輸可以達到最大化,MIMO這個常見的技術,正是透過這樣多天線的原理來實現傳輸流量的增加。這看似簡單的一個原理,許多的挑戰卻在這樣的發展中推演開來。


多天線陣列的效能與成本

在4G時代,MIMO系統的天線數量多半就是4x4,大不了8x8,再厲害一點16x16,鮮少看到超過這樣天線數量的,因為一旦天線數再增加,隨之而來的成本問題、功耗問題、干擾問題,乃至於多通道的測試問題等,都將深深困擾著設計人員,難以解決。


到了5G系統上,天線陣列數量動輒破百,最常見者如128天線陣列的無線訊號發射。在4G都尚難解決的問題,到了5G問題不只被放大,還被加乘。而且5G的MIMO陣列,已經不在訴求只針對單一對象去做訊號的收發,而是針對多用戶同時進行。這就是目前常聽到的MU-MIMO,針對多用戶(Multi User)來進行同步的數據傳送。


一般來說,在低於6GHz的MU-MIMO設備之中,設計的重點,會偏重於如何在效能與成本之間,取得一個平衡點。因為一旦需要建置高達一百個以上的天線收發端,光是前期設施與天線設備的成本,就非常可觀。然而卻不能因為要求成本而降低了效能,更不能為了提高效能,就讓成本暴增。因此以一個MU-MIMO設備的設計來看,其關鍵就在於如何提升百倍效能,但不讓成本增加百倍。


從這點來觀察,就很好理解為什麼Massive MIMO成為現階段各界都在致力研究的熱門課題,因為Massive MIMO的設計理念,一開始就不是單純把天線數增加而已,而是在多天線的傳輸效能增加,以及成本的控制之間,試圖取得一個良好平衡。


當然,這些都還是在6GHz的頻率範圍之內。一旦想把Massive MIMO或者MU-MIMO應用到28GHz的毫米波領域的話,就會衍生出更大的問題與挑戰。一般來說,到了毫米波領域,所需要的不外乎就是更大頻寬,而所需的裝置成本也會相對更高,因此如何做到成本的優化,就變得非常重要。


也因此,未來在毫米波上的5G系統,都將會走向綜合式的Hybrid-Beamforming,也就是同時使用類比與數位訊號,先以類比訊號來指出大方向之後,再透過數位的方式來形成數個指向的數位通道,藉以提高訊號收發效能。


事實上,毫米波與6GHz以下的電磁波相較,雙方在訊號傳遞的特性上會面臨不同的挑戰。因為毫米波的訊號能量衰減是更為快速的,因此對於發射端與接收端的天線特性要求將會更高,一旦設計不良,更容易會有通訊問題的發生。


5G系統連線數龐大

5G通訊是個全新與未知的通訊領域,目前已經有許多新技術被陸續導入到5G通訊系統之中。在5G這個正值起飛期的市場,許多廠商積極搶進,就是希望能在該市場佔有一席領導地位。而且,只要能越早進入5G市場,未來在該市場就有更高的機會可以佔有更多的市場份額。正因為如此,有許多廠商紛紛搶在5G標準底定之前,就先行完成5G系統的原型製作。


這種搶先在標準訂定之前,就已經問世的原型系統,也正是現在常見的non-standardized系統,特別是在5G市場,這樣的原型系統十分普遍。5G市場目前競爭十分激烈,許多參與者都希望能夠搶得先機,而關鍵就在於這些參與者如何將5G的概念與想法,真正落實到5G的原型系統製作上,藉以證明這樣的系統設計是真正可行的。


放眼MIMO這樣的系統,其實在4G時代就已經存在了,但到了5G系統上,最大的差異在於天線數量的暴增。以4G的MIMO陣列頂多8~16個天線來比較,到了5G的MIMO陣列動輒超過100根以上的天線,這樣設計的目的,就在於能於同一時間內,支援更多的使用者。


隨著未來物聯網時代來臨之後,不單只有人們會需要無線通訊的連線,包括許多的物也都需要連網,例如感測器,通常一個系統中所擁有的感測器數量,就可能多達十幾種,包括溫度、濕度、震動等,這些每個單一感測器都是一個節點,都可以被視為是一個使用者來看待。如此一來,整個物聯網環境中的『使用者』數量將會十分可觀。正因為有這麼多的使用者,因此透過5G龐大的天線陣列,才有辦法同時滿足這麼多的連線需求。


模組化儀器的測試優勢

5G通訊是全新的通訊系統,在測試層面上,當然會有一些現有測試方式所無法滿足的部分,例如Beamforming的波束成型測試,不能只針對單一天線,而是必須要同時瞭解所有天線特性,並針對所有天線陣列來進行效能測試。至於手機的量產測試,由於單一手機上無法擁有過多的天線數量,因此一隻5G手機上的天線數量,與4G手機是差不多的。而5G在天線數量上的差異,最明顯的區別將會出現在基地台端。基地台由於數量龐大的天線,經常導致測試成本也隨之提高。這些衍生出來的不同測試需求,以傳統箱型式儀器進行測試的話,會造成龐大的成本耗費。透過模組化儀器,卻可以藉由更低的成本,更快解決這些測試需求。


目前市場上模組化儀器的提供者,最為人熟知的莫過於是德科技(Keysight)與國家儀器(NI)。以NI的PXI平台來說,透過模組化的平台,工程師可以利用更多的通道數,去進行多天線測試,不需過高的成本就可以完成多天線的5G測試,彈性非常足夠。對於5G測試,PXI儀器的優勢在於,體積比起傳統的箱型式儀器來得更小,而傳統箱型式儀器也無法達到如此高的測試通道數。此外,在PXI平台上,也提供了儀器與儀器之間的時序同步,這對於大資料量的傳輸將十分重要。而在軟體層面上,PXI平台是軟體定義的架構,對於未來天線數量的增加與擴充,都能夠進行非常有彈性的支援。可以說,PXI平台在5G的測試上,可以用更低的成本,更高的彈性,來解決更多棘手的新挑戰。


解決方案

NI PXIe-5632向量網路分析器 (VNA)

國家儀器技術行銷經理潘建安:「NI向量網路分析儀可提供精準的RF效能!」


NI 針對精巧的模組化 PXI 平台提供了向量網路分析儀 (VNA) 功能。NI 向量網路分析儀搭載精巧的 PXI 機型,可提供極為精準的 RF 效能,還能縮短測試時間;有助於使用不同的 RF 與混合訊號 I/O 儀器,並且順利整合至測試系統。


雙埠式 NI PXIe-5632 的頻率範圍高達 8.5 GHz,來源功率則是 -30 dBm ~ +15 dBm,並且配備雙源架構、來源存取迴路與低延遲觸發功能。全功能的 NI VNA 軟人機介面、NI LabVIEW 或 NI LabWindows/CVI API 可用來執行精確的自動/手動校準,並且快速進行量測作業。


有了 NI PXIe-5632 即可於設計檢驗與生產線上分析網路,不需要昂貴又龐大的傳統網路分析器。NI PXIe-5632 之類的向量網路分析器 (VNA) 可量測裝置的強度、相位、阻抗。由於網路分析器屬於封閉式的激發響應系統,因此可透過絕佳的精確度測得 RF 的特性參數。



圖1 : NI PXI平台(圖片來源:ni.com)
圖1 : NI PXI平台(圖片來源:ni.com)

是德科技E6640A EXM無線測試儀

是德科技台灣區總經理張志銘:「我們可提供業界最高的測試速率!」


E6640A EXM無線測試儀同時支援序列和並聯載波聚合測試流程,無需使用其他測試設備,可經濟有效地因應前述測試挑戰。EXM可在小型機箱中配置多達 4 個完整的TRX測試儀,以實現高密度測試。每個測試儀都內建靈活的4埠RFIO面板,無需使用複雜且昂貴的外部切換元件。


EXM可透過一台輕巧的主機提供4台測試儀,如此可減少儀器佔用的空間,並可共用單一內部控制器、時序參考和內部電源,讓製造商能降低資本投資。此外,EXM採用是德科技為X系列分析儀和無線測試儀開發的量測技術。這些技術已經成為產業標準,可提供業界最高的測試速率。



圖2 : 是德科技E6640A EXM無線測試儀(圖片來源:keysight.com)
圖2 : 是德科技E6640A EXM無線測試儀(圖片來源:keysight.com)
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