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技術文章—5G設備設計和測試最主要的四個方面

2019-06-19來源: EEWORLD關鍵字:5G  測試

5G 正裹挾著萬億級的移動產業鏈和千萬級的就業機會向我們迎面撲來,一時通信武林風起云涌,江湖群雄趨之若鶩,超過81個國家中多達192個運營商宣布投入5G。




5G時間軸——關鍵里程碑事件


規范層面,從17年12月份5G NSA凍結以來,物理層規格在一步步形成,整個R15規范側重于增強型移動寬帶(eMBB)和超高可靠超低延遲通信(uRLLC)。這些新規范給器件和元件設計人員帶來諸多新的挑戰。


下面我們就來探討下5G設備設計和測試最主要的四個方面:


靈活且繁復的參數集


R15規定了最高400 MHz的最大載波帶寬和最多16個分量載波,這些載波可以匯聚到高達800 MHz的帶寬。與此同時,5G NR提供了可靈活配置的波形、參數集、幀結構和帶寬組合,也帶來了復雜的信道編碼,信號質量挑戰以及繁多的測試用例。


相對4G,5G NR允許可擴展的OFDM參數集其子載波間隔可由2uX15kHz控制,最終可以通過可擴展的時隙間隔來提供不同等級的吞吐率、時延和可靠性服務。5G三大場景之一的超高可靠超低時延(uRLLC)部分就是通過mini-slot來實現的,Mini-slot可提供比標準時隙更短的時延和載荷。NR子幀結構還允許在同一子幀內動態分配OFDM符號鏈路方向和控制。


通過使用這種動態TDD機制,網絡可以動態地平衡上行和下行業務需求,并且在同一子幀中包含控制和確認。


子幀內的時隙和Mini-slot及其相關的持續時間


子帶寬部分(BWP)是5G NR標準新定義的一個概念, 是指載波的系統帶寬可以根據不同場景需要分成若干子帶寬。每個BWP可以具有不同的參數集, 并且信令控制也是獨立的。


一個載波可以包含若干混合的參數集來支持不同層級的業務,并支持傳統的4G設備和新的5G設備。


BWP可以在載波中支持不同業務的復用


綜上,5G NR具有靈活可擴展的參數集伴隨著不同的子載波間隔、動態TDD和BWP,增加了創建和分析波形的復雜度。因此,在sub-6GHz和毫米波頻段通過軟硬件結合來生成更大帶寬的用于不同測試用例的波形并從時域、頻域和調制域來分析5G NR波形就尤為重要。


使用矢量信號分析軟件分析相鄰頻段里5G NR和4G LTE波形


毫米波段的使用


為了實現宏偉的數據吞吐率目標,5G NR不單在Sub-6GHz定義了新的頻段,更是將工作頻段擴展到了毫米波頻段,從而大大拓寬了可用的信道帶寬。而在毫米波頻段信道對于對于信號質量的影響變得更為顯著,從而滿足信號質量也變得愈加困難。


部分Sub-6GHz和毫米波頻段及預計商用時間


諸多因素會影響信號質量,包括基帶信號處理、調制、濾波和上變頻等。雖然帶來更大的連續可用帶寬,毫米波頻段的基帶和RF組件也更容易受到常見信號的干擾。而因為OFDM系統的固有特性,諸如IQ 調制損害、相位噪聲、線性和非線性失真以及頻率誤差都可能導致調制信號的失真。


在毫米波OFDM系統中,相位噪聲的影響尤為明顯,過大的相位噪聲將直接導致子載波間的相互干擾最終導致信號的嚴重失真。此外,寬帶信號電路中的任何偏離,如相位、幅度或噪聲,最終都將在系統的EVM等指標當中呈現出來。從而性能的優化和問題的解決只能靠每個器件在寬帶和毫米波頻段的良好設計優化來保障。


對于測試驗證設備則需要具有全面的功能和更好的性能以確保正確呈現諸如星座圖、EVM、雜散功率、雜散泄露、占用帶寬和鄰道功率比等的測試結果。另外,在高頻寬帶測試系統中,測試夾具、線纜、濾波器、耦合器、功分器、預放以及切換開關等的性能和指標將對測量結果造成至關重要的影響,因此需要在測試前對包含配件的系統進行整體校準。


5G NR器件/設備綜合測試平臺(包含整體系統校準方案)


Massive MIM和Beamforming帶來天線系統革新


MIMO 和 Beamforming是5G當中被談論得最多的技術,IMT2020希望它的引入能夠帶來100X的數據吞吐率和1000X的信道容量。


為此5G  NR標準提供物理層幀結構、新的參考信號和新的傳輸模型來支持5G eMMB的數據吞吐率,同時也給終端設計工程師帶來了新的難題。這些難題包括:


3D天線波束方向圖設計和驗證 

3D 波束性能驗證包括構建并驗證天線的3D輻射方向圖并確保整個工作頻段和帶寬范圍內能夠產生正確的增益、旁瓣和零點。由于毫米波原型系統構建價值不菲,仿真必不可少并提前發現系統存在的重大問題。而合理構建天線系統并結合信道模型和基站連接進行仿真能夠在原型設計階段中減少重復和反復性的工作和花費。


系統級的仿真系統SystemVue可幫助設計者在原型階段快速迭代和驗證


在設計打樣出來之后,設計師則可以通過實際的環境來評估和驗證終端/設備是否在工作頻段和帶寬范圍內產生了正確的波瓣寬度、足夠的零點深度以及增益來實現最大化的輻射效率。而這需要用到的就是OTA的測試方法。


毫米波鏈路完整性 


為了克服因為使用窄波束所導致的位置確認問題,R15定義了新的接入初始化流程。由于基站通過掃描的方式在同步信道中傳送信道信息,終端則會判斷和決定最合適的信道并告知基站,從而最終將通信鏈路建立起來。


5G接入初始化和波束管理流程


在這里定義了波束同步、跟蹤、管理和失敗恢復等程序。而當混合的參數集在其中被使用時,連接的建立可能要花費更多的時間。設計師需要實施、驗證和優化所有這些功能,否則用戶端可能產生掉話等不良體驗。


真實環境下的終端性能評估和優化 


吞吐率和時延是無線通信系統的關鍵性能指標。協議堆棧的不同層必須相互配合才能實現5G系統的時延和吞吐率目標。這里面需要理解終端在波束管理各狀態下的表現,包括波束同步、切換以及回落回4G。


一種評估端到端吞吐率最有效的方式,就是使用網絡模擬器來控制DUT并測量其反饋信號。網絡模擬器可以配置小區連接、更改同步和參考信號的功率、設置Beamforming參數和控制發射和接收的資源塊。此外,通過在系統中串入信道模擬器,更能夠在實驗室環境下模擬真實的信號傳輸問題,包括路徑損耗和多徑衰落等問題,從而表征真實環境下的系統性能。


基站模擬器UXM搭配信道模擬器PropsimF64,讓你評估真實環境下的終端性能


OTA測試難題


由于毫米波、MIMO、波束控制和管理等技術的引入,對于設備和終端的整體性能的評估和測試已離不開OTA方案,這包含:射頻性能、吞吐率、RRM和信令。


該如何綜合考慮路徑損耗、測試場地的尺寸等選擇一個合適的OTA方案亦成為一個難題。典型的OTA測試方案包含:暗室、探頭或天線以及測試設備。目前對于終端OTA測試,主要有三種方案:


① 直接遠場法(DFF)

對于直接遠場法,被測件被固定于一個可以在水平和垂直角度轉動的轉臺上面,從而可以在3D的投影面上進行任意角度的測量。雖然直接遠場法可以獲得最直接、綜合的天線遠場測試結果,但是需要最大尺寸的暗室。對于一個15cm尺寸的被測件,在28GHz頻段需要長達4.2m的暗室來支持遠場測試,從而帶來難以接受的測試路徑損耗。


直接遠場法測試環境


② 間接遠場法(IDF)

間接遠場法基于緊縮場的測試方法,使用一個拋物面的反射器來將信號從近場球面波轉換成遠場平面波,從而創造出遠場的測試環境。這種方案能夠提供相對直接遠場法更加緊湊且低路徑損耗的測試環境,也是目前唯一一個被3Gpp R4認可的OTA測試方案。


緊縮場測試環境


③ 近場轉遠場法(NFTF)

近場轉遠場的方案是在近場環境下采集電磁場相位和幅度,并通過算法預測遠場條件下的輻射方向圖。雖然這不失為一種緊湊的測試方案,但由于在近場條件下容易受到發射器的干擾從而影響測試精度,同時也只能支持單視距測量。

近場轉遠場環境


綜上,5G為實現極限的三大場景應用,特別是eMMB 和 uRLLC,將為我們的設計和測試帶來極大的挑戰。


關鍵字:5G  測試

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