5G 5G LET 5G NR 毫米波 mmWave 量測儀器

5G測試複雜度提升 量測儀器靈活性成關鍵

2018-10-16
5G發展至今,已邁入基地台與終端裝置開發階段。然而,5G涵蓋的頻段廣、組網方式複雜,使得5G測試不論是在訊號產生還是訊號分析,都面臨新的挑戰。為因應5G複雜的測試需求,量測儀器的靈活性與系統整合度,也成為5G測試不可忽視的議題。

目前5G發展已進展至晶片、基地台以及終端行動裝置開發階段,然而,5G不論是組網方式還是使用的頻段,都比過去4G LTE複雜得多。為因應5G毫米波(mmWave)特性,波束成形(Beamforming)、大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)成為新一代行動通訊重要技術,而這些技術的融入也加深了5G裝置設計與測試的複雜度,使得5G裝置開發不論是在技術還是成本都面臨新挑戰。因應此趨勢,測試與量測儀器商紛紛提出5G解決方案,協助設備、晶片與終端業者加速5G商用時程。

3GPP於2018年6月公布5G R15標準,不過安立知(Anritsu)業務暨技術支援部經理薛伊良(圖1)指出,目前5G一致性測試(Conformance Test)相關規格的制定尚未完整,在sub-6GHz方面,協定一致性測試(Protocol Conformance Test)規格已底定,但在射頻一致性測試(RF Conformance Test)規格方面,只有針對發送端(Tx)測試及接收端(Rx)的規格底定;至於效能(Performance)及天線資源管理(RRM)測試規格,要到2019年上半年才會制定完成。而毫米波的一致性測試規格則要待2019年下半年才會出爐。

圖1 安立知業務暨技術支援部經理薛伊良指出,5G NR毫米波的一致性測試規格則要到2019年下半年才會出爐。

由於5G測試細項還不完整,儘管部分晶片商已進入產品研發(R&D)階段,測試廠商也紛紛推出相關解決方案,是德科技(Keysight)行銷處資深行銷專案經理郭丁豪(圖2)指出,目前的解決方案還不是最終的版本,包括協定一致性測試及生產測試的部分,都須等認證與測試規格底定後,才會有明確的測項與相應解決方案。

圖2 是德科技行銷處資深行銷專案經理郭丁豪表示,須等認證與測試規格底定後,才會有明確測項及解決方案。

滿足5G多元測試需求 量測解決方案蜂湧而出

談到5G測試發展進程,郭丁豪說,5G技術在研究初期遇到最大的挑戰即是,有太多波形、頻率和頻寬須加以分析。除了sub-6 GHz波形之外,還包括微波以及毫米波頻率波形,因此量測儀器須能支援不同的波形及調變架構;此外,5G涵蓋的頻段範圍也比以往廣,使得5G訊號的產生與分析面臨新的挑戰。

過去幾年,測試與量測儀器商陸續推出解決方案以克服5G量測在初期所面臨的挑戰,並完成通道探測、通道模擬以及元件開發工作,將5G研發帶入天線、IC與RF模組開發與測試階段。

針對現階段毫米波量測要點,郭丁豪說明,在天線測試方面,5G NR利用波束成形技術加上相位陣列天線來控制毫米波訊號傳送角度,使訊號能打得更遠,然相位角度只要稍有偏差,就可能導致接收端訊號不穩定,因此,量測過程中須利用網路分析儀來測試波束成形IC與電路天線的相位是否正確。在PA量測方面,訊號發射器與分析儀除了須支援更大頻寬與更高的頻率,更重要的是驗證PA的線性度,以確保訊號源在經過放大器後訊號不會變形。而這些測試需求也使得儀器在相位校準的解析度與精準度變得更為重要。此外,為因應毫米波訊號及元件的特性所帶來的測試挑戰,空中傳輸(Over The Air, OTA)也成為關鍵的技術。

郭丁豪也透露,由於5G量測需求更為複雜,所需的儀器設備更多,因此預估5G發展初期,在開發與驗證階段的量測成本,將會比4G LTE高出2至3倍。

5G OTA測試需求提升 暗室尺寸/成本成挑戰

在4G LTE時代,RF測試會利用同軸電纜連接RF元件上的接口與測試設備,進行傳導測試(Conductive Test),而在5G在sub-6GHz的測試仍會維持此種測試方式。然而,隨著頻率提升,毫米波天線尺寸會越來越小,使得電纜接觸不易;此外,5G毫米波裝置在RF前端設計為克服路徑耗損的問題,會將天線與RF元件整合在同一個封裝內,在待測物大幅整合的情況下,許多RF元件並不會有同軸纜線接口,因此包括天線測試以及RF系統的性能參數,都必須透過OTA進行測試。

由於無線電傳輸會受到環境中障礙物影響,產生散射、繞射、反射或被吸收等現象,使得訊號相位改變,因此OTA在測試過程中必須將上述環境因素納入考量,並利用暗室系統(Chamber)來模擬出城市、郊區等不同的通訊環境,以確保無線電在真實環境中的訊號品質。

對此,羅德史瓦茲(R&S)應用工程部副理林方立(圖3)表示,暗室系統的成本、尺寸以及量測所需的時間,對於5G毫米波測試都是一大挑戰。他解釋,天線的輻射場可以分為近場(Near-field)和遠場(Far-field),以5G毫米波裝置設計而言,至少需要6至8米的測試空間來進行OTA遠場測試。然而,過去在2G/3G/4G時代並不需要這麼大測試空間,因此要打造符合OTA遠場測試需求的空間,將會為實驗室帶來額外的成本負擔。

圖3 羅德史瓦茲應用工程部副理林方立表示,暗室系統的成本、尺寸及量測所需的時間,對5G毫米波測試都是挑戰。

因應上述問題,量測儀器廠商也提出解決方案。例如,透過公式將近場測試結果進行數值轉換,模擬出近似於遠場測試的結果,可將OTA遠場測試環境從8米縮減到1.5米,從而克服實驗室空間不足的問題。除此之外,也有廠商以小型緊縮場(Compact Antenna Testing Rage, CATR)作為解決方案,利用精密的反射面,將發射源發射的球面波在近距離內變換成平面波,以建置滿足遠場測試要求的準平面波測試區。

R&S無線通訊量測事業部業務經理林鳴軒表示,考量到市場對於暗室系統尺寸的要求,該公司推出一體化天線測試系統,透過小型行動射頻屏蔽測試暗室系統(RF Diagnostic Chamber),支援5G NR天線模組、收發器、晶片和無線設備OTA量測。開發者可搭配天線測試軟體來遠端控制系統,調整溫度、溼度等設備參數,以模擬出不同的通訊環境。此外,亦可藉由軟體系統進行近場/遠場的數值轉換。

5G NSA/SA分階段上路 儀器搭配有對策

由於5G可分為SA與NSA兩種組網架構,頻段上又分為4G LTE頻段、5G NR sub-6GHz/毫米波頻段,加上各國電信商採用的組網架構與頻段皆有不同,使得5G量測變得更為複雜。如何提升儀器搭配的靈活性,以應對不同的測試需求,同時協助開發者節省測試與設備成本,遂成為測試與量測儀器商關注的議題。

其中5G NR NSA測試的方法尤其複雜,薛伊良指出,在支援此組網架構的情況下,裝置內會含有4G LTE、5G sub-6GHz及毫米波的天線系統,而目前相關組織有針對此議題展開討論,擬藉由法規將4G LTE與5G NR的測試綁定,不過詳細的測試方式與執行時間都還不確定。所以現階段,業者會依據產線考量來選擇分站式或一站式測試,並沒有一定的做法。

雖然目前部分量測儀器在硬體上已可同時支援4G LTE與5G NR測試,但仍必須進行軟體開發,才能針對不同訊號頻率、波形進行量測。為降低測試成本,測試廠商如安立知與R&S皆提供相關解決方案,使開發者能夠覆用過去4G LTE的測試設備,再藉由軟體介面連接4G LTE與5G測試設備。開發者無須重新購置可同時支援4G與5G的設備,即可完成NSA規格裝置的一站式測試。

隨著5G測試複雜度提升,林立方認為,量測儀器業者不只要提供符合5G規格的硬體設備,更重要的是透過軟體系統來控制設備,因應不同測試需求調整測試參數,提升量測設備的靈活性與系統整合度。而在此發展趨勢下,能提供一次購足(One-stop Shop)的完整解決方案廠商,也將會更具競爭優勢。

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