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La tecnologia 5G inaugura una nuova era del test wireless

I vantaggi del 5G comportano una maggiore complessità.

Per poter testare le tecnologie 5G dovranno essere sviluppate nuove tecniche.

Nuovi test over-the-air a costo inferiore si rendono necessari.

image descriptionSin dagli albori della comunicazione cellulare, i test engineer applicano una serie di misurazioni e tecniche generalmente accettate per testare in serie le varie tecnologie wireless, dai semiconduttori RF alle stazioni base, ai telefoni cellulari. Tuttavia, la tecnologia alla base dei dispositivi 5G sarà più complessa e le tecniche ottimizzate per testare le generazioni precedenti dovranno essere riviste. Per convalidare le prestazioni della tecnologia 5G sarà necessario testare componenti e dispositivi 5G con metodi over-the-air (OTA) anziché con i metodi via cavo attualmente in uso. In qualità di leader nel settore ingegneristico, abbiamo bisogno di nuovi metodi di test per garantire una commercializzazione efficiente di prodotti e soluzioni 5G in applicazioni e settori diversi.

Aumentare la larghezza di banda

Uno degli obiettivi principali dello standard 5G è aumentare significativamente la capacità di dati, in quanto la richiesta continua a salire; tuttavia, per poter raggiungere l'ampiezza di banda di picco di 10 Gb/s per utente, si rende necessario introdurre nuove tecnologie. Innanzitutto, le specifiche 5G includono la tecnologia MIMO (MU-MIMO) multi-utente, che consente agli utenti di condividere simultaneamente la stessa banda di frequenza attraverso la tecnologia beamforming, che crea connessioni wireless uniche e mirate per ciascun utente. In secondo luogo, lo standard 5G aggiunge più spettro wireless, espandendosi in frequenze centimetriche e millimetriche (mmWave). Le implementazioni fisiche di entrambe le tecnologie MU-MIMO e mmWave utilizzano molte più antenne rispetto alle precedenti generazioni di standard cellulari.

image descriptionIn base alle leggi della fisica, i segnali a frequenze mmWave subiscono un'attenuazione significativamente più rapida quando viaggiano attraverso lo spazio libero rispetto ai segnali delle attuali frequenze cellulari. Di conseguenza, a parità di potenza trasmessa, le frequenze cellulari mmWave avranno una portata molto ridotta rispetto alle attuali bande cellulari.

Per superare questa perdita, i trasmettitori e ricevitori 5G utilizzeranno array di antenne in grado di funzionare simultaneamente, dotati della tecnologia beamforming per aumentare la potenza del segnale anziché dell'antenna singola per banda presente nei dispositivi attuali. Benché importanti per aumentare la potenza del segnale, questi array di antenne e queste tecniche di beamforming sono fondamentali per l'implementazione delle tecniche MU-MIMO.

image description Come inseriremo tutte queste antenne nei telefoni cellulari di domani? Fortunatamente, le antenne a frequenze mmWave saranno molto più piccole delle antenne cellulari attualmente impiegate. Nuove tecnologie di packaging, come l'antenna in package (AiP), faciliteranno l'integrazione di queste antenne nei limiti di spazio dei moderni smartphone; tuttavia, gli array di antenne potrebbero essere completamente racchiusi senza punti di test direttamente raggiungibili.

IL 5G INTRODUCE CAPACITÀ MU-MIMO GRAZIE AGLI ACTIVE ANTENNA ARRAY

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Uso della tecnica OTA per affrontare nuove sfide

Per i test engineer, l'aumento delle frequenze, le nuove tecnologie di packaging e un numero maggiore di antenne renderanno difficile mantenere alta la qualità limitando l'aumento sia dei costi di capitale (costo delle apparecchiature di prova) che dei costi operativi (tempo impiegato per testare ciascun dispositivo). Le nuove tecniche OTA possono aiutare, ma presentano anche delle sfide. Una di esse è rappresentata dall'accuratezza della misurazione.

A differenza dei test via cavo, per effettuare misurazioni OTA i test engineer dovranno gestire una maggiore incertezza delle misurazioni legata alla calibrazione e all'accuratezza dell'antenna, alla tolleranza di fissaggio e ai riflessi del segnale. In secondo luogo, le nuove misurazioni dovranno essere integrate nei piani di collaudo per l'uso della camera semianecoica, la caratterizzazione del fascio, il calcolo ottimale del codice e la caratterizzazione dei parametri dell'antenna. In terzo luogo, poiché le larghezze di banda RF continuano ad aumentare, aumentano anche le esigenze di elaborazione per la calibrazione e la misura, aumentando così la durata del test. Infine, i test manager dovranno fare ulteriori considerazioni commerciali per garantire la qualità del prodotto riducendo al minimo l'impatto sul time-to-market, sul costo del capitale, sui costi operativi e sullo spazio fisico necessario per ospitare le camere OTA. Nei prossimi anni, l'industria dei test e delle misurazioni risponderà rapidamente a queste sfide con numerose innovazioni. I gruppi di collaudo dovranno prendere in considerazione strategie e piattaforme di test altamente flessibili e basate su software per garantire che le spese di capitale di oggi possano tenere il passo con il rapido evolversi delle innovazioni.

Benché presentino delle sfide, le tecniche OTA offrono anche dei vantaggi. Innanzitutto, la tecnica OTA rappresenta l'unica opzione per le tecnologie AiP, perché gli array di antenne sono integrati in un pacchetto senza poter essere in alcun modo cablati direttamente agli elementi dell'array. Benché i test engineer possano creare un contatto con i singoli elementi dell'antenna utilizzando dei metodi di collaudo, dovranno ora decidere se testarli in parallelo (con la conseguente necessità di più strumenti) o testarli in serie (a discapito dei tempi e della velocità di collaudo). Sebbene permangano ancora numerosi problemi tecnici da risolvere, il test OTA offre la possibilità di testare l'array come sistema anziché come insieme di singoli elementi, promettendo una maggiore efficienza a livello di sistema.

In passato, fornitori e test engineer hanno raccolto la sfida di testare prestazioni e complessità sempre maggiori riducendo al minimo il time-to-market e il costo dei test e lo faranno ancora per il 5G. Anche se le sfide poste dal collaudo di dispositivi 5G sembrano complesse, i test engineer di tutto il mondo stanno già sviluppando nuovi strumenti e metodi di test, come le tecniche OTA, necessari per rendere il 5G un successo commerciale.

Approfondimenti

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Charles Schroeder

NI Business and Technology Fellow

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