5G 5G NR 共存 干擾 頻譜

新無線電擠入既有頻譜 5G共存測試首重降低干擾

2019-10-22
在2017年12月推出的5G NR(New Radio)第十五版標準,為超快速下載、可靠的低延遲連接,以及未來即將出現的數十億個新物聯網(IoT)裝置的連接,奠定了基礎。透過可擴充的參數集、靈活的波形和新的頻譜,5G NR提供一個穩定的框架,以解決5G IMT-2020預想的各種不同使用案例,而頻譜是實現這些目標的關鍵要素。近期指定的運作頻段,可實現更高的傳輸速率和更大的容量。

然而,現今的頻譜已經很擁擠,而導入新的運作頻段會增加旁波帶干擾的可能性,某些情況下,甚至會和先前分配的頻譜重疊,例如衛星和軍事應用頻譜(圖1)。5G NR必須在鄰近的現有蜂巢式頻段的頻譜中運作,而且有時與其他無線通訊系統共用相同的頻譜,因而產生新的「共存」問題。

圖1 美國商務部提供現今頻譜的密度

「共存」一詞在字典中的定義,包含「同時存在」和「彼此和平相處,特別是以某種政策型式」兩個概念,兩者都適用5G並與其相關。任何通訊系統的預期效能等級是否能達成,均取決於能否和平共存。

身為裝置設計人員,必須確保5G NR設計可滿足目標效能,並且能夠和4G、Wi-Fi,以及其他無線通訊系統的訊號共存,它們可能與5G NR共享重疊頻譜,或是具有旁波帶干擾。

5G頻譜共存問題 務必確實解決

某些長程演進計畫(LTE)運作頻段已改而用於5G NR,並且新增低於6GHz和毫米波頻率的新頻段。在頻率範圍1(FR1)中,3.3GHz和5GHz之間還有三個新的運作頻段可供使用,將覆蓋範圍與容量延伸到6GHz以下。24.25GHz和40GHz之間的新頻率範圍2(FR2),運作頻段提供更寬的通道頻寬,以支援高資料傳輸速率應用,例如4K或8K超高畫質(UHD)電影串流(表1)。最初的FR2部署為固定點對點和點對多點寬頻應用,預計於2018年底導入。在FR1和FR2中兩種頻率範圍中運作的行動裝置,預計最快在2019年實現。

表1 新的5G NR運作頻段

5G NR運作頻段用頻段號碼前面的字母「n」來識別。然而,各個地區會各自定義頻譜的分配與使用,而5G NR的多個頻譜具有潛在的共存問題。為了實現更高的資料傳輸速率並且更有效地利用頻譜,4G LTE Advanced Pro提供LTE免授權(LTE-U)、授權輔助存取(LAA)及MulteFire等機制,使得LTE能夠在免授權頻譜中運作。LAA使用4G網路做為錨點,並採用先聽後送方式來確保免授權頻譜中不會發生其他操作。由於LAA在相同頻段中使用許多協定的各種不同排列,因而須要更謹慎地設計並測試共存。

除了現有的4G運作頻段外,5G的中頻頻率(3.3~4.2GHz、3.3~3.8GHz、4.4~5GHz)必須在2.4GHz和5GHz Wi-Fi網路中,與IEEE 802.11ac及802.11ax共存。如果沒有對各頻段進行適當過濾,來自交互調變產物的放射便會造成突波,並對這些頻段造成干擾。有些說法建議使用免授權的工業、科學和醫療(ISM)頻段來做為次要通道,以建立需要測試的共享頻譜情境。

許多國家尚未制定在新的5G運作頻段中,授權和免授權頻譜的共用政策與程序。在美國,商業LTE網路和美國軍事雷達系統之間存在共用頻譜的情形。面對這些情況,誰擁有優先權?該如何管理頻譜分配?這些問題都須要解答。第三代合作夥伴計畫(3GPP)開始投力於推動5G NR第二階段的授權和免授權頻譜的共用,預計將於2019年下半年公布。

無線電波的共用,為通訊業者和裝置製造商帶來更大的壓力,必須確保5G與現有的商業無線基礎設施、非軍用雷達訊號,以及美國國防部(DoD)等機構的軍事設施並存。為了減輕干擾效應並確保可預測且可靠的裝置及網路特性,在可控的共存情境中評估裝置運作是必要的。可從以下兩種角度來瞭解共存:

・將干擾降到最低

為了讓發射器滿足放射要求(特別是在頻段邊緣),頻內和頻外放射都被降到最低,以避免與其他接收器互相干擾。設計人員必須確保裝置不會對裝置內的其他無線電波,或是通道內或相鄰頻譜中的其他無線電訊號造成干擾。

・在共享頻譜中運作

一種經驗證、能夠擴充裝置效能和傳輸速率的的可行方法,是運用免授權共享頻譜。而檢測共享頻譜中的活動,然後僅在通道閒置時進行傳輸,則是經驗證的共享頻譜共存方法。偵測、分配,和重新分配頻譜所花費的時間,顯示裝置使用者固有的服務品質問題。

將干擾降到最低

與前幾代無線標準一樣,3GPP相符性測試旨在確保最低效能水準。它可提供通過(Pass)/不通過(Fail)結果,例如發射器中的互調和雜散發射,以及接收器內的頻內和頻外阻隔。然而,這些測試無法呈現裝置在極限狀態下的效能。來自諧波、交互調變突波,或頻譜再生的發射器放射訊號,仍然會與其他無線通訊系統產生干擾。身為設計人員必須評估共存問題,例如干擾的波形如何互動、需要多少頻內和頻外抑制、多大的保護頻段是必要的。

跨越多個運作頻段重建不同的干擾情境,能讓設計人員確認頻內和頻外問題。已知5G NR中使用的CP-OFDM具有較高的旁瓣或頻外放射,可能會影響相鄰的使用者。相鄰通道洩漏比(ACLR)和頻譜放射遮罩(SEM)等頻譜量測,將能洞察一些對潛在訊號干擾。

這些量測需要頻寬大於1GHz的訊號產生器和訊號分析儀,藉以檢視頻外效能。例如,解調變訊號的誤差向量幅度(EVM)可以顯示良好或不良的共存,或是所量測的訊號是否存在干擾現象;將訊號解調變並檢視星狀圖和每個子載波的EVM,可協助觀察干擾的影響;誤碼率(BER)和傳輸速率是接收器效能的附加指標,干擾訊號的BER變化可用來確定兩個波形之間的保護頻段需求。

圖2顯示經過解調變的5G NR相符性訊號以及LTE訊號的量測,以便從不同面向評估各個訊號的品質。透過並排顯示,設計人員可一目了然地檢視每個載波的結果和肉眼可能看不見的互動情形。

圖2 5G NR波形產生及分析測試平台解決方案可用來建立5G和4G LTE共存情境,以便對裝置進行驗證。

使用多個訊號產生器來產生多個訊號,成本相當高昂。模擬工具提供一個環境,可將多個波形組合成單一共存情境並進行缺損分析,或是將其輸出到波形產生器,以便從單一通道播放波形。這使得能夠以真實的缺損來測試演算法,例如互調失真和內部及外部產生的突波訊號。

在共享頻譜中運作

在共享頻譜環境中運作的裝置,須具備可感測環境並基於指定頻譜的規則或政策來修改特性的能力。若政策仍在定義中,最有可能發生的情況便是商業營運者只能在現有營運者未使用的狀況下才可使用該頻段。

頻譜共享需要新的測試方法來驗證基地台和裝置,使其能夠正確執行新演算法並確保遵循規則。因此,無線裝置或調變解調器(Modem)必須能夠感測其他發射器的頻譜、感測其位置,並根據政策調整指定位置的特性。

將測試平台與遠端感測器相結合,以便透過真實的干擾評估射頻演算法。在此情境中,遠端感測器可擷取頻譜,並將其下載到任意波形產生器(AWG),以便在實驗室環境中重建擷取現場。如果與待測裝置(DUT)結合使用,可直接分析DUT對頻譜環境的響應,或是將其輸入模擬模型中,以進行後處理並測試接收器的誤碼率/誤塊率(BER/BLER)。圖3顯示開發和測試空白頻譜感測演算法的測試配置。

圖3 使用射頻感測器提供真實分析情境

在現場作業時,裝置必須能夠在進行傳輸之前,檢測既有使用者是否正在使用該頻譜。裝置必須感測其位置並監測該頻譜;在某些情況下,如果主要使用者開始使用頻譜,則停止傳輸。使用網路模擬器可以測試不同的情境,確保裝置具備其設計指定的正確特性和控制能力。

將真實環境和一個受控的、可重複的研發實驗室環境相結合,即可及早發現問題,並且在現場部署射頻硬體之前,加速演算法的開發和測試。

共存帶來新挑戰 避免元件彼此干擾

5G必須與4G、Wi-Fi以及其他商業和軍事無線通訊系統共存,然而開發共存技術帶來許多新的挑戰。必須確保所用的裝置符合效能目標,同時不會與其他元件彼此干擾。共享頻譜情境帶來了對複雜演算法的需求,以監測及檢測頻譜中的其他使用者。

不可否認地,必須要先有可在不同頻寬、頻率及不斷改變的通道條件下,探索5G訊號共存情境的工具。理想的5G解決方案應具備靈活性與擴充性,讓開發者能夠真實地進行模擬、產生及分析從6GHz以下到毫米波頻率範圍的寬頻訊號。藉由整合真實環境條件,才能夠在實驗室環境中早期進行分析並確認問題,進而加速5G裝置設計。

(本文由是德科技提供)

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