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邁向5G的第一步 克服 New Radio 裝置設計挑戰

  • 李佳玲

圖 1:裝置之天線位置和天線陣列的輻射波束。

空中傳輸或空口(OTA)測試是開發5G裝置時,最具挑戰性的任務之一。在本系列專文中,探討了5G裝置設計的許多層面,包括新5G NR標準、靈活的參數集、毫米波(mmWave)設計考量、MIMO和波束成形挑戰。這些技術的結合運用,帶來了各式各樣的新測試挑戰,而且只能透過OTA測試進行驗證。

為了讓下行鏈路的峰值資料速率,達到5G增強型行動寬頻(eMBB)使用情境定義的20 Gbps,未來MIMO、波束控制、載波聚合將成為至關重要的技術。進行 OTA測試時,需測試高度整合的數據機(modem),並在獨特的毫米波通道條件下驗證設計。在OTA測試環境中,您需在各種真實情境下,查看、分析並驗證5G裝置的波束圖型和效能。然而,3GPP核准的OTA測試條件尚未定義完畢。需要成功開發5G新無線電(NR)裝置,業界需了解相關挑戰並提出OTA測試方法。

圖 2:天線陣列傳送之不同距離的波束特性。

圖 3:5G 縮距量測系統。

使用基地台模擬器與通道模擬器,模擬真實條件。

表 1:預估不同輻射孔徑的遠場距離和路徑損耗。

毫米波所需的新測試方法

毫米波頻率提供具有連續頻譜與寬廣頻寬的無線通道,是非常重要的新技術。然而,毫米波信號很容易受到信號傳播問題的影響,在6 GHz下,這原本並不是問題。信號傳播問題包含路徑損耗增加、延遲傳播,甚至是因機箱或人為干擾所導致的阻塞。這些因素使得建立和維護無線通訊鏈路變得更加困難。5G 無線系統在基地台和行動裝置上,使用多天線空間分集和波束控制技術,來克服前述挑戰。這些設計藉由將窄波束可靠地指引到特定方向,來改善信號穩定度。

可建立很小的毫米波天線陣列,24 GHz全波間隔僅為12.5 mm。5G智慧型手機製造商,必須為GPS、Wi-Fi、Bluetooth和支援多種蜂巢式頻率的天線,找到立足之地。為了將這些功能全都放入不斷縮小的硬體設計中,最佳化設計(例如具有高度整合式陣列的RFIC)將變得更普及。這些整合式設計很難以探量。此外,有線測試不但困難、成本高,而且不足以因應新參數量測的要求,例如3D輻射波束尺寸與方向。

透過OTA測試,可在原型設計階段獲得重要的洞察力。所有晶片組、天線和整合式裝置,都必須在OTA環境中進行量測。設計工程師需在2D和3D中量測波束圖型,並了解波束寬度、旁瓣位準、零位深度和對稱性,以便實現頂尖設計。不僅如此,他們還須驗證波束控制和零轉向(null steering)功能,以確保正確的波束指向,並在各種條件下維持天線增益。

OTA 測試挑戰和解決方案

不同於傳統的有線測試,OTA測試將面臨許多新的挑戰,包括過多的路徑損耗。有線測試套件具有已知的實體特性,經過校驗後,可提供準確且可重複的結果。現有的OTA測試方法也必須與時俱進。在毫米波裝置中,過多的路徑損耗增加了準確OTA量測的困難度。

雖然3GPP尚未完整定義毫米波測試標準,是德科技已開始與5G晶片和裝置領導廠商密切合作,以瞭解OTA測試挑戰,並提供可用於5G並由3GPP核可的新型解決方案。 這些新的挑戰可歸納為下列幾點:1.毫米波頻率有路徑損耗和距離的問題;2.毫米波OTA測試方法尚未定義完畢;3.在真實通道條件下量測裝置效能。

挑戰 1:毫米波頻率有路徑損耗和距離的問題

是德通常會在天線陣列的近場或遠場區域進行OTA測試。發射電磁(EM)波的特性,取決於發射器之距離。如果是透過天線陣列傳播信號,信號強度較強。如圖2所示,峰值、旁波瓣之振幅,和輻射碼型之零點,將朝向遠場模式發。

近場量測很適合用於某些應用,但是想要評估5G蜂巢式通訊鏈路,則須使用遠場量測。 輻射波特性使得遠場距離和相關路徑損耗變大更大的頻率。例如,在2 GHz頻率下運作的4G LTE 15 cm裝置之遠場區域始於0.3公尺,路徑損耗為 28 dB。相較之下,在28 GHz頻率下運作的5G NR裝置的遠場區域則始於4.2公尺,路徑損耗為73 dB,因而導致過大的遠場測試區域和太大的路徑損耗,以致於無法在毫米波頻率下,進行準確且可重複的量測。隨著來源天線尺寸變大,傳輸距離也隨之拉長,讓天線尺寸和路徑損耗的挑戰加劇。

唯有克服路徑損耗問題,才能成功執行射頻效能量測,如發射功率、發射信號品質和雜散放射。為了排除路徑損耗和過大遠場距離的問題,3GPP核准了一種基於縮距量測系統(CATR)的間接遠場(IFF)測試方法,如圖3所示。

挑戰 2:毫米波OTA測試方法尚未定義完畢

典型的OTA測試解決方案,包含電磁波吸收室、不同的探量技術和測試設備,以產生並分析在空間中傳播的輻射信號。電磁波吸收室提供的非反射環境,可以屏蔽外部干擾,以便在受控環境中產生並量測已知功率和方向的輻射信號。

5G使用類似於4G的低頻測試,而毫米波頻率則需使用OTA方式來執行以下測試:
1. 射頻效能—最低信號品質
2. 解調變—資料傳輸速率效能
3. RRM(無線資源管理)—初始存取、交遞和移動性
4. 信號—上層信令程序

5G射頻效能測試是目前最成熟的測試方法。3GPP研究小組還在擬訂裝置解調變測試方法,以及更為複雜的RRM。3GPP允許使用三射頻效能測試方法來測試UE裝置。每個方法各有利弊,基於您測試的頻率與實驗室的空間限制,您可從中選擇適用於對於您的裝置進行特性分析的方法。

直接遠場法(DFF)。這個方法將待測物(DUT)安裝於可旋轉方位角和仰角的定位 器上,以便對完整的3D球面之任意角度進行量測。量測多個信號時,直接遠場法可進行最全面的測試,但需要更大的毫米波裝置測試空間。一個4.2公尺的測試空間,將導致在28 GHz頻率下運作的15cm輻射裝置,產生過多的路徑損耗。由於DFF具有多信號量測能力,它仍是量測sub-6 GHz裝置的首選方法。

間接遠場法(IFF)。IFF測試方法基於縮距量測系統(CATR),使用拋物面反射器來 準直探量天線發射的信號,以建立遠場測試環境。雖然這種方法只能量測單一信號,相較於可量測毫米波裝置的DFF方法,它確實提供更短的距離和更少的路徑損耗。

近場到遠場轉換法(NFTF)。NFTF方法可對近區電場的相位和振幅進行取樣,並 用數學運算來預測遠場模式。這個方法很精簡,而且成本很低,但其量測準確度會受到發射器干擾所影響。同時,它也受到單一視線(line-of-sight)量測的限制。

由於3GPP尚未完全定義特定的要求和測試方法,如果僅憑一己之力,可能非常耗時, 而且需重新進行重設計,才能部署OTA測試解決方案。是德科技積極參與3GPP規格的開發,並具備早期部署所需的專業知識。藉由與早期技術採用者緊密合作,是德科技建立了5G OTA測試方法,包括測試空間、探量,以及測試設備,以便針對5G NR之毫米波或sub-6 GHz設計,進行各式各樣的射頻、解調變與效能測試。

挑戰 3:在真實通道條件下量測裝置效能

為了達到最高的效能和可靠度,設計工程師必須在穩定且受控的驗證環境中進行測試,以便改善設計。通道模擬器是模擬真實條件的工具,並可讓這些條件保有可控制且可重測的特性,方便設計工程師測試各種新技術,包括更寬的信號頻寬、毫米波頻率、波束控制,以解決路徑損耗、多路徑衰減和延遲傳播等信號傳播問題。通道模擬器是完整測試平台的一部分,

可在模擬真實無線通道時,讓設計工程師能夠將裝置視為全堆疊系統的一部分來進行特性分析。利用全堆疊設定,工程師可對各種狀況進行測試,並快速識別任何可能影響使用者體驗的狀況。

結語

欲實現5G承諾的極端資料速率,極具挑戰性。為建立可產生窄波束的多天線陣列,工程師需透過OTA測試方法進行檢視、特性分析與驗證。遠場路徑損耗與測試間大小,都將對量測準確度、可重複度,以及實驗室空間帶來新的挑戰。

3GPP正在研究並定義新的OTA方法,以幫助克服這些挑戰。OTA測試仍未完全定義,是德科技已投入3GPP規格和早期OTA測試解決方案的開發。利用是德科技的專業知識,可加速5G設計,同時確保高效能和高品質的產品。(本文由是德科技提供,李佳玲整理報導)