uRLLC 5G NR mMTC eMBB 5G 5G LET 測試

迎戰eMBB高速傳輸測試 5G協定研發工具組化繁為簡

2018-10-08
5G的時代即將到來,需要透過非常靈活的技術,來提供超可靠低延遲(uRLLC)、大規模機器類型通訊(mMTC),並透過增強型行動寬頻(eMBB)大幅提升資料速率。當行動通訊業者快速完成5G部署計畫時,晶片組和裝置製造商也必須加快其開發工作,包括確認如何測試5G資料傳輸速率,才是最有效的方法。本文將透過應用案例點出業者所面臨的技術問題,並提出相關的量測方案,協助解決其挑戰。
本文聚焦於eMBB使用案例,這些使用案例被Verizon 5G技術論壇(5G TF)訂為規格,並用於制定第一階段的3GPP 5G NR(New Radio)規格。 

3GPP已加快制定eMBB使用案例,因為業界對其有顯著的需求。3GPP已同意先完成可用於eMBB使用案例的非獨立式(NSA)5G NR模式規範。在非獨立模式中,連結鎖定於LTE,而5G NR載波則被用來提高資料速率和縮減延遲。未來幾年間,隨著早期網路陸續推出,業界將得以實現下行鏈路高達20Gbps和上行鏈路10Gbps的資料速率。本文將介紹高資料速率測試的全新挑戰,並針對這些挑戰提供一套解決方案。 

eMBB使用案例 

5G的增強型行動寬頻使用案例帶來強大的新功能,可支援高速資料速率、提升連接性和系統傳輸速度。有了高資料速率和更高的容量,才能支援虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)等應用,它們採用新的影片格式,具有更高的解析度(8K+)和高幀率(HFR)。對互動式AR和VR應用來說,低延遲是額外增加的重要規範。隨著用戶數增加,而且使用者想同時觀看或分享優質內容,4G網路的傳輸速度已明顯不足,因此需透過5G網路來提升傳輸速度。 

為了達到eMBB所要求的更高資料速率、提升連接性,並提供更大的容量,除了使用sub-6GHz頻率之外,業界將在高頻、毫米波頻譜上部署5G,藉以大幅提高頻寬。LTE在高達6GHz的頻率上運作,而5G則考慮採用高達100GHz的毫米波頻率。其他通訊業者也考慮使用涵蓋28GHz和39GHz頻率的5G TF規範。 

頻率越高,傳播和穿透損耗就越高,因為這個原因,所以開發者選擇使用波束成形(Beamforming)技術來提高裝置接收到的訊號位準。提高訊號品質有助於減少高路徑損耗,並提升基地台邊緣使用者的連接性。波束成形藉由在特定空間方向提供高增益,可獲得較高的訊噪比。 

在5G TF和3GPP 5G NR規範中導入波束成形的新程序時,業界將面臨全新的測試挑戰。實體層也有一些改變,包括訊框架構、新的參考訊號,以及排程和傳輸模式(用來支援eMBB使用案例)。 

下文將說明,5G TF和3GPP 5G NR規範導入的新訊框架構和波束成形的概念,這些技術可實現高資料速率、提升連接性並提高系統容量。最後將介紹如何使用是德科技的5G協定研發工具組,來配置並測試資料傳輸速率。 

實體層特性和資料傳輸速率 

表1比較LTE、5G TF規範,和3GPP 5G NR規範中的實體層特性。灰色表示LTE的變更。相較於5G TF訊框架構參數(例如子載波間隔和載波頻寬)是固定的,3GPP 5G NR的數值大小可以變化,以滿足更多元的使用案例。如前所述,5G TF鎖定的是eMBB使用案例。更高的子載波間隔、載波頻寬以及使用更高的頻率,都有助於提升資料速率和連接性(相較於LTE)。 

表1 LTE、5G TF和3GPP 5G NR的比較
無線訊框架構 

LTE和5G TF的無線訊框大小同樣是10ms。在LTE中,每個訊框包含10個子訊框和20個時槽;相較之下,5G TF則是包含50個子訊框和100個時槽。這代表5G TF的時槽(0.1ms)比LTE的時槽更短(圖1)。 

圖1 LTE和5G TF訊框架構的比較。
資源區塊是可分派給一個裝置的最小實體。LTE和5G的資源區塊都包含1個時槽(時域)和12個子載波(頻域)。LTE典型的子載波間隔為15kHz,相較之下5G TF則是75kHz。 

LTE的最大載波頻寬為20MHz,而5G TF如果使用100個資源區塊的話,則是100MHz。5G TF和5G的頻寬越高,資料速率就越高,同時還可提高網路容量。 

5G TF規範在下行鏈路和上行鏈路中支援載波聚合,最多使用8個元件載波。如果使用載波聚合的話,頻寬為8×100MHz=800MHz。 

傳輸速率計算 

開發者可透過傳輸區塊大小(TBS)來計算傳輸速率,TBS就是每個傳輸時間間隔(TTI)中,一個子訊框所傳輸的位元數。TBS大小取決於分配給UE的資源區塊數,以及使用的調變和編碼機制(MCS)。在5G TF規範中,最高的調變和編碼機制為64QAM。根據[2]中的表8.1.5.2.1-1,最大的傳輸區塊為66392位元。如此可算出每個元件載波663.92Mbps的傳輸速率(表2)。如果使用8個元件載波的話,傳輸速率就會是663.92Mbps×8=5.3Gbps(每台UE)。 

表2 資料傳輸速率計算範例
波束成形 

使用毫米波頻率時,為了避免傳輸損耗,需採用波束成形技術。波束成形可結合多個天線元件(天線陣列)的訊號,當這些訊號的相位對齊(建設性干涉)時,就可以提高組合訊號的位準。每個天線元件的訊號,會以稍微不同的相位(延遲)傳送,因而產生一個直接指向接收器的狹窄波束,如圖2所示。 

圖2 藉由改變每個天線的傳輸時間和相位,可產生定向波束。
在5G TF中,波束成形可用於參考訊號、廣播控制通道和資料通道,而LTE的波束成形則只能用於資料通道。 

測試資料傳輸速率時,需執行下列步驟,讓裝置連接到網路基地台並傳送/接收資料: 

・搜尋基地台,以取得與基地台同步的時間和頻率 

・擷取波束及隨機存取程序 

・連接程序 

5G TF規範中定義了波束成形的新程序。3GPP NR的波束成形部署則仍在討論中。5G TF規範定義了下列的波束成形程序,包含波束擷取與追蹤、波束精細化、波束反饋、波束反饋與波束切換等,下文將針對每個程序提出簡要的說明,如需更詳細的資訊,請參閱[2]。 

波束擷取與追蹤 

UE如欲傳送和接收的資料,必須先擷取波束,然後連接到網路。5GNB(5G Node B)會週期性地發射波束參考訊號(BRS),以便向不同角度發射波束。此為波束掃描,如圖3所示。當UE辨識出最強的波束時,就會啟動隨機存取程序,並利用時序和角度資訊連接到波束。當UE連接到波束之後,就會透過特定UE(專用)波束進行資料傳輸。 

圖3 波束掃描和擷取
發射的波束數量和波束掃描的週期,取決於BRS的發射週期。[2]中定義了四種不同的發射週期。發射週期越長,就會產生越多的波束。所產生的波束,每個都有波束指標(BI),而每台UE都會分配到一個BI,不過多台UE可以擁有同一個BI。 

這個表3顯示,發射週期越長,就可以產生越多的波束指標,這代表波束角度方向數會增加,或是在某些角度方向的波束數量會增加。更多關於波束參考訊號的資訊,請參閱[1]中的6.7.4節。 

表3 利用波束參考訊號(BRS)配置和發射週期來計算總波束指標
波束精細化 

在波束擷取程序中,可決定5GNB最佳的發射方向,以及UE最佳的接收方向。在波束精細化程序中,會將較寬的波束(方向)變窄(精細化),5GNB只會在波束擷取程序所決定的方向中,發射較窄的波束。這代表5GNB發射以及UE接收的最佳角度方向進行了精細化,變成了更精細的精密度。精細化參考訊號資源指標(BRRS-ID)可辨識較窄的波束。 

波束精細化只能在專用模式中執行,此時UE已經利用BRS擷取到BI,而完成的時候網路會送出波束精細化參考訊號(BRRS)。BRRS的發射會由網路傳送DCI以進行觸發,或由UE利用排程請求(SR),請求網路傳送BRRS以進行觸發。如需更多資訊,請參閱[2]。 

波束反饋 

・5G UE會將下列的波束量測資訊回傳至5GNB。 

・波束狀態資訊(BSI) 

UE會維持4個波束的候選波束組;同時UE會針對每個波束報告BSI。BSI基於BRS量測,並報告波束指標(BI)和波束參考訊號接收功率(BRSRP)等參數。 

UE可以在xPUCCH或xPUSCH上報告BSI。在xPUCCH上報告BSI時,UE會針對候選波束組中,具有最高BRSRP的波束來報告BSI。在xPUSCH上報告BSI時,UE會針對候選波束組中具有最高 BRSRP的1、2或4個波束(取決於5GNB傳送的2位元BSI請求)報告BSI(圖4)。 

圖4 波束狀態資訊
・波束參考資訊(BRI) 

UE還會報告波束精細化資訊(BRI)。它基於波束精細化參考訊號(BRRS)量測,來報告波束精細化參考訊號資源指標(BRRS-RI)和波束精細化參考訊號接收功率(BRRS-RP)等參數(圖5)。 

圖5 波束精細化
5GNB使用下行鏈路控制資訊(DCI)來執行BRRS量測,並使用xPUCCH或xPUSCH來傳送,如需更多資訊,請參閱[2]。 

波束切換 

服務基地台使用波束切換程序來改變UE的服務波束。這可透過兩種方式進行: 

・使用BRS進行波束切換 

波束切換是改變UE服務波束的程序。波束變更有兩種程序:基於DCI和基於MAC-CE。 

在基於DCI的程序中,5GNB在DCI中將「Beam_Switch_Indication」欄位設為1,以便初始化此程序。UE將切換到BSI報告中具有最高BRSRP的服務波束。 

在基於MAC-CE的程序中,5GNB將包含BI的MAC-CE控制元件傳送到UE。收到MAC-CE控制元件時,UE會切換服務波束,以匹配在MAC-CE控制元件中指定的波束。如需更多資訊,請參閱[2]的8.3.4章節。 

・使用BRRS進行波束切換 

使用BRS進行波束切換時,有兩種程序可改變波束:基於DCI和基於MAC-CE。 

在基於DCI的程序中,5GNB使用DCI觸發BRI報告。UE最多可報告四個波束。根據BRI報告,5GNB在DCI中將「Beam_Switch_Indication」欄位設為1,以便初始化此程序。 

在基於MAC-CE的程序中,5GNB將包含BRRS_RI的MAC-CE控制元件傳送到UE。收到MAC-CE控制元件時,UE 會切換服務波束,以匹配在MAC-CE控制元件中指定的波束。如需更多資訊,請參閱[2]的8.4.4章節。 

5G協定研發工具套件測試eMBB 

圖6顯示5G測試系統設定。測試系統包括5G網路模擬器(UXM 5G),它可連接到已安裝是德科技(Keysight)5G協定研發工具套件的測試系統(PC)並受其控制。UE透過毫米波連接到測試系統,因而需支援eMBB資料傳輸速率測試所需的較高頻率。在晶片組和手機中加入天線連接器帶來了高頻測試挑戰,因此必須透過OTA(Over-The-Air)進行資料傳輸速率測試。 

圖6 5G測試系統
5G網路模擬器可模擬Layer 1(PHY)、Layer 2(MAC/RLC/PDCP)和Layer 3(RRC/NAS)。所有是德科技應用軟體,包括5G協定研發工具套件,皆支援現有的5G TF規格,將來還可支援其他規格,例如3GPP 5G NR和早期載波驗收測試規格。 

圖7 在指令程式面板上拖放指令程式元件
5G協定研發工具套件提供方便易用的圖形介面,開發者可利用它建立、編輯、配置和執行測試(又稱為指令程式);此外,亦可將指令程式元件拖放入編輯器,以便配置指令程式元件,請參見圖7。是德科技另亦提供一定數量的範例指令程式,開發者可將它們載入編輯器以進行修改,如圖8所示。您可看見,有些指令程式可啟動、停用並重新配置5G基地台;插入RRC與NAS訊息,並且插入使用者提示等。 

圖8 載入了範例指令程式的5G協定研發工具套件
藉由使用Keysight 5G協定研發工具套件,開發者可載入指令程式並配置指令程式元件,以便建立資料傳輸速率測試。可以配置的參數包含適用於同步和參考訊號的功率位準、波束成形參數,和用於傳送及接收控制資訊與資料的資源區塊。 

建立並執行資料傳輸速率指令程式 

下述將說明使用5G協定研發工具套件,建立與配置資料傳輸速率測試所需的步驟。 

建立資料傳輸速率指令程式 

圖9是建立資料傳輸速率指令程式的步驟。 

1. 使用File→New建立一個新指令程式。指令程式資訊與SIM細節將被自動插入。這些可以用於描述測試並涵蓋SIM資訊。 

2. 將Activate 5G Cell指令程式元件拖放入編輯器。 

3. 將5G Dynamic Control Point拖放入編輯器。在圖9的指令程式中,此指令程式元件出現兩次。另外,範例指令程式也可以載入編輯器。開發者需配置以下的指令程式元件。  

4. Activate 5G Cell 

5. 5G Dynamic Control Point 

圖9 資料傳輸速率指令程式
・Activate 5G Cell 

利用Activate 5G Cell,您可配置頻段、ARFCN、功率位準、RACH參數以及波束配置等基地台參數,如圖10所示。使用System Information標籤,您可配置BRS傳輸期間,如圖11所示。使用者在Activate 5G Cell指令程式元件中配置的數值,是稍後可使用DCP(Dynamic Control Point),在指令程式中修改的初始數值。您可載入並儲存基地台配置參數,以供其他測試使用。 

圖10 Cell Information對話框
・Dynamic Control Point 

圖11 在MIB中的BRS傳輸期間配置
Dynamic Control Point可以讓網路模擬器狀態機,表現得像一個真實網路,直到遇見特定的中止條件(圖12)。此中止條件可能是: 

圖12 Dynamic Control Point的配置
1. 裝置傳送特殊訊息,例如Attach Complete。 

2. 使用者可採取一些行動,例如傳送用於資料傳輸速率測試的資料。 

3. 已配置的保護計時器中止。 

圖9顯示的資料傳輸速率指令程式中,有一個DCP中止條件「Attach Complete」以及另一個中止條件「User Action」。因此,執行指令程式時,指令程式會在第一個DCP暫停,等到UE接收到Attach Complete之後,才會繼續執行。遇到第二個DCP時,指令程式將再度暫停。這次使用者可採取一個行動,例如改變功率位準等較低層參數、BRS傳輸期間,或是用於資料傳輸速率測試的傳送/接收資料。這可藉由使用L1/L2配置來完成,這是在指令程式進行到DCP時,由5G協定研發工具套件啟動的。針對遇到User Action中止條件的DCP,使用者可決定何時中止DCP。  

執行資料傳輸速率指令程式 

在執行指令程式過程中,可在DCP中執行某些使用者動作。這可藉由使用L1/L2配置來完成。圖13顯示此過程。 

圖13 開發指令程式的互動式程序
1. 使用者載入一個資料傳輸速率指令程式,並且使用「Run script」綠色按鈕來執行,如圖14所示。 

圖14 開始與停止執行指令程式的面板
2. 在DCP,指令程式暫停時,使用者可在L1/L2配置中修改低層參數並且傳送資料。在L1/L2配置中配置的參數,可被儲存起來,以供另一個指令程式使用。使用L1/L2配置的章節將介紹配置資料傳輸速率測試時的重要參數。 

3. 修改了低層參數之後,您可在L1/L2 Configuration中設定傳送資料封包數量,如圖15所示。如此便可開始傳送資料。 

圖15 配置傳送資料封包數量的面板
在執行測試過程中,操作介面會顯示一個整合的即時軌跡(RTT),以便顯示正在傳送和接收第3層協定訊息的測試進度,如圖16所示。完成測試後,可將RTT日誌檔儲存在日誌檔目錄,所有與執行測試案例相關的檔案都儲存在這裡。更多關於日誌檔的資訊,請參閱「分析結果」章節。 

圖16 即時軌跡
使用L1/L2 Configuration 

在執行指令程式期間,可在動態控制點上使用L1/L2 Configuration應用軟體來修改參數。下面是其中一些可以配置的參數: 

1. 連接基地台的子訊框排程,包括UL與DL控制資訊的子訊框,以及UL與DL資料的子訊框,如17所示。 

圖17 配置子訊框碼型
2. Layer 2參數,包括頻率、波束參考訊號發射功率(BRSTP)BRS傳輸週期、xSIB預設設定和xPBCH發射週期性,如圖18所示。如需更多資訊,請參閱[3]。 

圖18 配置頻率、BRSTP和BRS傳輸週期
在L1/L2 Configuration套用參數值後,在Activate Cell指令程式元件中設定的初始數值將被覆蓋過去。 

迎接5G eMBB測試方案不可少 

5G部署和測試有諸多挑戰。波束成形與毫米波的新概念已開始被運用於5G部署,以擴大GHz頻譜的可用範圍。高頻測試配置需要支援這些測試頻率的額外硬體,而且OTA測試是必要的。  

在短期內達到5Gbps及更高的資料速率是令人興奮的願景。業界正積極尋找可測試這些資料速率,而且不需要編寫複雜測試程式的測試平台,以大幅節省時間與人力。Keysight 5G協定研發工具套件提供易用的eMBB測試解決方案,將成為推動5G大步向前邁進的關鍵。 

(本文作者為是德科技產品經理)

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