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：
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
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
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：
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。
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7 在指令程式面板上拖放指令程式元件
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。
圖9 資料傳輸速率指令程式
4. Activate 5G Cell
5. 5G Dynamic Control Point
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
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)