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La 5G inaugure une nouvelle ère de test sans fil

Les promesses de la 5G vont se réaliser avec un coût supplémentaire dû à la complexité.

De nouvelles techniques doivent être développées pour tester la 5G.

Il deviendra nécessaire d’effectuer de nouveaux tests sans fil, à moindre coût.

image description Depuis le début des communications cellulaires, les ingénieurs de test effectuent des itérations sur un ensemble bien établi de mesures et de techniques, pour tester les technologies de communications sans fil en grand volume, allant des semi-conducteurs RF aux stations de base et aux téléphones mobiles. Toutefois, la technologie 5G à l’intérieur de ces appareils sans fil sera plus complexe, et les techniques hautement optimisées utilisées pour tester les générations précédentes devront être repensées. Pour valider les performances de la technologie 5G, il deviendra nécessaire de tester les composants et les dispositifs 5G avec des méthodes sans fil (OTA, over the air), au lieu des méthodes câblées actuellement utilisées. En tant que leaders en ingénierie, nous avons besoin de nouvelles méthodes de test pour assurer la commercialisation viable des produits et solutions 5G dans de nombreux secteurs et applications.

Booster la bande passante

L'un des principaux objectifs de la norme 5G consiste à augmenter de manière significative le débit de données, à mesure que la demande des utilisateurs augmente. Cependant, pour atteindre la bande passante maximale de 10 Gb/s par utilisateur, de nouvelles technologies sont en cours d'élaboration. Tout d'abord, les spécifications de la 5G incluent la technologie MIMO multi-utilisateur (MU-MIMO), qui permet aux utilisateurs de partager simultanément la même bande de fréquences grâce à la technologie de formation de faisceaux (beamforming) qui crée des connexions sans fil uniques et ciblées pour chaque utilisateur. Ensuite, la norme 5G offre davantage de spectre au sans fil, en étendant les fréquences en ondes centimétriques et millimétriques (mmWave) qui lui sont attribuées.

image description La mise en oeuvre physique des technologies MU-MIMO et mmWave utilise un plus grand nombre d'éléments d'antenne que les générations précédentes de normes cellulaires. Les lois de la physique prévoient que les signaux à des fréquences d'ondes millimétriques s'atténuent beaucoup plus rapidement en espace libre que les signaux aux fréquences cellulaires actuelles. De ce fait, pour un niveau de puissance transmise similaire, les fréquences cellulaires mmWave auront une portée beaucoup plus faible que les bandes cellulaires actuelles.

Pour compenser cette perte, les émetteurs et récepteurs 5G utiliseront des réseaux d'antennes fonctionnant simultanément et dotés de la technologie de formation de faisceaux pour augmenter la puissance du signal, plutôt que l'antenne unique par bande dans les dispositifs actuels. Tout en étant importants pour augmenter la puissance du signal, ces mêmes réseaux d'antennes et techniques de formation de faisceaux sont essentiels à la mise en oeuvre des techniques MU-MIMO.

image description Comment allons-nous faire tenir toutes ces antennes dans les téléphones portables de demain ? Heureusement, les antennes à fréquences d'ondes millimétriques seront beaucoup plus petites que les antennes cellulaires utilisées pour les normes actuelles. De nouvelles technologies, telles que l'antenne intégrée (AiP), faciliteront l'intégration de ces antennes dans les petits espaces du smartphone moderne. Toutefois les réseaux d'antennes risquent d'être complètement enfermés, sans aucun point de test directement accessible.

LA 5G PRÉSENTE DES FONCTIONNALITÉS MU-MIMO CELLULAIRES AVEC DES RÉSEAUX D'ANTENNES ACTIVES

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Utiliser l'OTA pour relever de nouveaux défis

Pour les ingénieurs de test, l'augmentation des fréquences, les nouvelles technologies de boîtiers et le plus grand nombre d'antennes compliqueront le maintien de la qualité tout en limitant les coûts en capital (coût des équipements de test) et les coûts d'exploitation (temps nécessaire pour tester chaque appareil). De nouvelles techniques sans fil (OTA) peuvent faciliter ces tests, mais elles présentent également des défis. Tout d'abord, il deviendra plus difficile de garantir la précision des mesures.

Lors des mesures OTA, et contrairement aux tests câblés, les ingénieurs de test devront gérer l'incertitude de mesure supplémentaire liée à l'étalonnage et à la précision de l'antenne, à la tolérance de montage et aux réflexions de signaux. Ensuite, de toutes nouvelles mesures doivent être intégrées dans le plan de test des appareils pour l’intégration de la chambre anéchoïde, la caractérisation du faisceau, le calcul optimal du livre-code et la caractérisation des paramètres de l’antenne. Puis, à mesure que les largeurs de bande RF augmentent, les besoins en termes de traitement pour étalonner et effectuer des mesures sur ces larges bandes passantes augmentent également, ce qui allonge la durée des tests. Enfin, les responsables des tests doivent prendre en compte des considérations supplémentaires pour garantir la qualité des produits tout en minimisant l'impact sur le délai de mise sur le marché, les coûts en capital, les coûts d'exploitation et la surface nécessaire (pour les chambres OTA). Au cours des prochaines années, le secteur du test et de la mesure répondra rapidement à ces défis grâce à de nombreuses innovations. Les groupes en charge du test devraient envisager des stratégies et des platesformes de test hautement flexibles et définies par logiciel, afin de garantir que leurs dépenses en capital puissent suivre le rythme de ce cycle rapide d'innovation.

Bien que l’OTA présente des défis, il offre également des avantages. En particulier, c’est la seule option pour les technologies AiP, car les baies d’antennes sont intégrées dans un boîtier, sans aucun moyen de les connecter directement aux éléments du réseau. Même si les ingénieurs de test pouvaient accéder à des éléments d'antenne individuels en utilisant des méthodes de test par conduction, ils doivent faire un choix difficile, soit de les tester en parallèle (ce qui peut nécessiter davantage d'instruments), soit de les tester en série (au risque d’affecter la durée et le débit des tests). De nombreux problèmes techniques doivent encore être résolus, mais le test OTA offre la possibilité de tester la baie d’antennes en tant que système, plutôt qu’en tant qu’ensemble d’éléments individuels, ce qui permettrait de réaliser les promesses d’efficacité accrue des tests au niveau du système.

Par le passé, les fournisseurs d’équipements de test et les ingénieurs de test ont relevé le défi de tester des performances et une complexité croissante tout en accélérant la mise sur le marché et en réduisant le coût des tests, et ils y parviendront encore pour la 5G. Bien que les défis du test de la 5G soient complexes à l’heure actuelle, les ingénieurs du monde entier développent déjà de nouveaux instruments et méthodes de test, notamment l’OTA, qui sont nécessaires pour que la 5G soit un succès commercial.

Étapes suivantes

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Charles Schroeder

NI Business and Technology Fellow

NI Trend Watch 2019: Scopri i nouvi trend tecnologici per pianificare in modo efficace il tuo futuro

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