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5G 帶領我們進入嶄新的無線測試紀元

更高的複雜度,是 5G 帶來美好前景的代價

要進行 5G 測試,必須開發新技術

因此必須使用成本較低的全新 Over-The-Air (OTA) 測試

image description 從行動通訊開始發展之際,測試工程師即反覆進行受到廣泛認可的量測作業與應用相關技術,以執行大量無線通訊技術測試,諸如 RF 半導體、基地台與行動電話等,皆包含在內。 但是有了 5G 技術後,這類無線裝置中使用的技術將益發複雜,因此需要重新考量過去針對測試前幾代裝置而進行高度最佳化的技術。 為了驗證 5G 技術的效能,需要使用 OTA 方法來測試 5G 元件與裝置,而非透過目前所使用的接線式方法。 身為工程界領導者,我們需要使用全新的測試方式,以確保 5G 產品與解決方案在眾多產業與應用中能夠確實商業化。

拓展頻寬

由於使用者對資料的需求持續攀升,因此 5G 標準的關鍵目標之一是要大幅提升資料容量;但若要達到每位使用者峰值頻寬為 10 Gb 的目標,就需要導入新技術。 首先,5G 規格包含多使用者 MIMO (MU-MIMO) 技術,這可讓使用者透過波束賦形技術同時分享相同頻帶;波束賦形技術可為每位使用者建立專屬且集中的無線連線。 接下來,5G 標準增加了無線頻譜,將範圍拓展至厘米波與毫米波 (mmWave) 頻率。實際實作 MU-MIMO 與 mmWave 技術時所需使用的天線元件數量,大幅高於前幾代行動通訊標準中所使用的數量。

image description 物理學指出,相較於目前行動通訊頻率下的訊號,mmWave 頻率的訊號在經過真空時會更快速地衰減。 因此在相似的傳輸功率層級下,mmWave 行動通訊傳輸的範圍會遠小於目前的行動通訊頻帶。為了解決前述的路徑損耗情況,5G 傳輸器與接收器會使用同時運作的天線陣列,並利用波束賦形技術提高訊號功率,而不是像現有裝置僅在每個頻帶中使用單一天線。

這些天線陣列與波束賦形技術不但對提高訊號功率十分重要,在實作 MU-MIMO 技術方面更是關鍵所在。

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如何將這些所有天線納入未來的行動電話中? 幸好,相較於在目前標準下所使用的行動通訊天線,mmWave 頻率的天線小巧許多。 像是封裝天線 (AiP) 等全新封裝技術,讓我們能更輕鬆地將這些天線整合至現代智慧型手機的有限狹小空間內;但如此一來,天線陣列就可能會完全封入裝置內,沒有可直接接觸的測試接點。

5G 通過主動式天線陣列實現 MU-MIMO 功能

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使用 OTA 解決新挑戰

對測試工程師而言,增加的頻率、新的封裝技術與數量更多的 天線,意味著難以在保有高品質之際,同時避免資本設備成本 (測試設備成本) 與作業成本 (測試每個裝置的時間) 攀升。新的 OTA 技術有助解決這些問題,但也同樣帶來挑戰。第一項難題是量測準確度。

不同於接線式測試, 由於天線校準與準確度、治具設備容錯範圍與訊號反射等因素,讓測試工程師在進行 OTA 量測時,需因應額外的量測不確定性。 第二項難題,則是必須將新量測作業整合至裝置測試計畫中,以進行電波暗室整合、波束特性驗證、最佳編碼簿計算與天線參數特性參數描述作業。 第三項難題是,隨著 RF 頻寬持續增加,在這些大頻寬中進行校準與量測的處理需求亦隨之漸增,因此測試時間延長的問題也益發令人擔憂。 最後一項難題是,測試管理人員必須做更多商業考量,以在確保產品品質之際,盡量不對上市時間、資本成本、作業成本與樓面空間 (為了容納 OTA 室) 造成影響。 在接下來數年間,測試與量測業界將會使用眾多創新方式迅速回應前述挑戰。 測試團隊應考量高靈活度的軟體定義測試策略與平台,藉此確保目前的資本支出能跟上如此快速的創新週期步調。雖然 OTA 帶來了挑戰,但同時也帶來優點。

首先,OTA 是唯一適合 AiP 技術的選擇,因為天線陣列會整合至封裝內,不會直接以連接線連接至陣列元件。即使測試工程師能使用傳統測試方式接觸個別天線元件,仍會面臨困難抉擇,必須決定要採用平行測試 (需使用較多儀器,因此會產生資本支出) 或序列測試 (會產生測試時間與產能方面的作業支出)。雖然現在尚有許多技術問題需要解決,但是 OTA 測試提供了以系統而非以一組獨立元件來測試陣列的方式,可望更為提升系統層級測試的效率。

過去,測試設備供應商與測試工程師曾起身迎接挑戰,在對更高效能與複雜度進行測試之際,力求將上市時間與測試成本壓至最低;現在,他們也會以相同態度因應 5G 技術的挑戰。雖然目前 5G 技術測試的挑戰看來複雜,但是全球工程師皆已著手開發新的測試儀器與 OTA 等新測試方式;5G 技術要在商業上獲致成功,這些工具與技術都不可或缺。

下一步

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Charles Schroeder

NI 商務與科技研究員

2019 年 NI 趨勢觀察報告:重新思考大趨勢,穩當掌握未來

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