5G技術(shù)及測試測量的挑戰(zhàn)

作者 / 王瑩 王金旺 《電子產(chǎn)品世界》編輯(北京 100036)

摘要： 5G發(fā)展日新月異，目前已具備可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)和可實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)，通信行業(yè)將要開始5G部署工作。與此同時，業(yè)內(nèi)會面臨許多技術(shù)及測試測量方面的挑戰(zhàn)。為此，本媒體邀請部分5G從業(yè)廠商，探討5G最新技術(shù)進(jìn)展及解決方案。

5G芯片及IP

5G MIMO系統(tǒng)能力將持續(xù)提升

　　目前，5G行業(yè)的焦點(diǎn)在于增強(qiáng)移動寬帶，向更高網(wǎng)絡(luò)容量和更高吞吐量發(fā)展。增加蜂窩基站容量可通過三大措施實(shí)現(xiàn)：獲得新頻譜、提高基站密度和改善頻譜效率。雖然我們看到新頻譜繼續(xù)增加，網(wǎng)絡(luò)密度不斷提高，但仍然需要改善頻譜的使用。大規(guī)模MIMO已被證實(shí)能夠使移動數(shù)據(jù)吞吐量提高3至5倍，并且還將繼續(xù)提高。目前全球許多移動運(yùn)營商已開展5G大規(guī)模MIMO試驗(yàn)，預(yù)計在2019年至2020年，各個地區(qū)將開始該技術(shù)的商業(yè)部署。

　　5G的部署無論是對小蜂窩系統(tǒng)還是大規(guī)模MIMO系統(tǒng)都面臨功耗、尺寸和重量等多方面的挑戰(zhàn)。例如在小蜂窩系統(tǒng)中過去的單頻段到現(xiàn)在需要支持三四個頻段，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中將從普通8T8R TDD RRU(射頻拉遠(yuǎn)單元，8個發(fā)射器，8個接收器)擴(kuò)展為64 T64R系統(tǒng)或128T128R系統(tǒng)，系統(tǒng)尺寸、重量和功耗都可能成倍增長。

　　ADI 5G產(chǎn)品策略及解決方案

　　ADI在2014年收購了訊泰(Hittite)這家微波技術(shù)企業(yè)后，射頻微波技術(shù)獲得了更大的加強(qiáng)，產(chǎn)品組合覆蓋從DC至100 GHz的頻率范圍的整個信號鏈，針對通信、測試與測量儀器儀表、工業(yè)以及航空航天市場應(yīng)用，ADI提供了完整的信號鏈解決方案。此外，ADI收購linear后能夠?qū)φ麄€通信系統(tǒng)提供全套的高性能電源解決方案。

　　為幫助客戶克服未來通信技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，ADI打造了RadioVerseTM無線技術(shù)及設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)。在RadioVerse的設(shè)計環(huán)境里面的軟件、仿真器可以很好地幫助客戶在整個一站式服務(wù)中更快地完成系統(tǒng)設(shè)計。

　　RadioVerse生態(tài)系統(tǒng)提供的器件組合能幫助企業(yè)快速完成5G產(chǎn)品開發(fā)。例如AD9371集成收發(fā)器就將集成度突破性地大幅提高，把將近20個芯片等外圍的分立器件集成到單個芯片中，成功地把整個系統(tǒng)的面積縮小近一半，而且把信號鏈的功耗降低一半，可以在5G小蜂窩中發(fā)揮很大的作用。另外一款器件——AD9375是ADI 2017年發(fā)布的集成數(shù)字預(yù)失真(DPD)的高度集成寬帶射頻收發(fā)器，可以很大程度上減少系統(tǒng)功放的功耗，并減少和前面數(shù)字處理器的很多高速串行接口的功耗。

硅基氮化鎵為5G帶來更高效的方案

　　5G的出現(xiàn)促使人們重新思考從半導(dǎo)體到基站系統(tǒng)架構(gòu)，再到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臒o線基礎(chǔ)設(shè)施。在半導(dǎo)體層面上，硅基氮化鎵的主流商業(yè)化為顯著提高射頻性能敞開了大門，其中包括增加功率放大器的功率密度，以及縮小器件尺寸，并最終節(jié)省系統(tǒng)空間。此外，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，硅基氮化鎵可以提供更高的效率，從而降低整體功耗。在硅片生產(chǎn)平臺上實(shí)現(xiàn)氮化鎵可以在批量生產(chǎn)水平上達(dá)到與LDMOS相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)實(shí)惠的成本結(jié)構(gòu)，并且在某些射頻市場上低于碳化硅基氮化鎵的成本結(jié)構(gòu)。與此同時，氮化鎵的用例已經(jīng)擴(kuò)展到面向宏基站等大功率射頻應(yīng)用的分立式晶體管。氮化鎵作為獨(dú)立MMIC(單片微波集成電路)器件時發(fā)揮著關(guān)鍵作用，同時也是5G和M-MIMO系統(tǒng)模塊的關(guān)鍵元件。

　　硅基氮化鎵的突出特點(diǎn)是能夠最終集成芯片級的增強(qiáng)功能，可以實(shí)現(xiàn)額外的性能優(yōu)勢和空間優(yōu)化。其硅基底支持氮化鎵器件和基于CMOS的器件未來在單一芯片上均勻集成，由于固有工藝限制，氮化硅基氮化鎵不具備該能力。這為多功能數(shù)字輔助射頻MMIC集成片上數(shù)字控制和校準(zhǔn)以及片上配電網(wǎng)絡(luò)等奠定了基礎(chǔ)。

   MACOM支持5G實(shí)現(xiàn)的射頻產(chǎn)品

　　MACOM豐富的5G產(chǎn)品涵蓋從分立元件到全集成前端模塊的各種解決方案。其中包括獲得專利的硅基氮化鎵技術(shù)、專有開關(guān)技術(shù)以及相干波束成形技術(shù)。

　　預(yù)計MACOM的產(chǎn)品組合將支持6 GHz以下的無線基礎(chǔ)設(shè)施(宏基站或大規(guī)模MIMO架構(gòu))，其全面的技術(shù)和產(chǎn)品陣列可以為發(fā)射和接收鏈路提供理想的解決方案。隨著5G轉(zhuǎn)向毫米波，MACOM還擁有提供高頻技術(shù)的工具，以支持應(yīng)對遇到的挑戰(zhàn)性設(shè)計問題。對于開發(fā)支持5G波束成形能力的高級天線陣列的客戶而言，射頻創(chuàng)新的這種傳統(tǒng)是十分寶貴的資產(chǎn)。

Massive MIMO無線解決方案更適用于5G

　　基于5G的發(fā)展和需求， Massive MIMO(mMIMO)無線解決方案一直被認(rèn)為是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，是唯一可以十倍或以上提升系統(tǒng)容量的無線技術(shù)。針對mMIMO無線解決方案，從之前的原型機(jī)到今后的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)乃至大規(guī)模商用部署，低成本、高集成、高效率成為mMIMO無線解決方案的幾個重要趨勢。

　　顧名思義，mMIMO是基于多通道的解決方案，在sub-6GHz的mMIMO方案中，會有64通道、32通道以及16通道等方式。在微波頻段的mMIMO方案中，甚至?xí)笥?4通道。相比目前的4G網(wǎng)絡(luò)，5G通道數(shù)量將有明顯增加，這將直接導(dǎo)致整機(jī)的成本大幅提高。在這樣的背景下，對于大規(guī)模商用部署，低成本方案就變得尤為重要。

　　對于整機(jī)設(shè)備的小型化、輕型化要求，提供高集成度的芯片解決方案成為5G演進(jìn)過程中的迫切需求。目前全球各個主流設(shè)備商都在不斷探索新的、更高集成度的解決方案以適應(yīng)市場的需求。另一方面，高集成度也是降低整個系統(tǒng)成本的有效方式。

　　對于5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和整體網(wǎng)絡(luò)性能的提升，足夠的發(fā)射功率是一個必要的指標(biāo)。目前限制整機(jī)發(fā)射功率的一個關(guān)鍵因素是mMIMO系統(tǒng)的效率還有待進(jìn)一步提高，降低熱耗，以實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率，滿足各大運(yùn)營商對于網(wǎng)路優(yōu)化的訴求。

　　Qorvo一直致力于提供5G無線射頻的全套解決方案。并在低成本、高集成、高效率等方面持續(xù)開拓。采用譬如SOI、新一代GaAs等新工藝來降低芯片成本。推出Sub-6GHz和微波頻段的5G射頻前端模塊。并且運(yùn)用GaN和GaAs工藝，實(shí)現(xiàn)超低功耗的5G射頻放大器和射頻驅(qū)動器。實(shí)現(xiàn)整個通道效率的優(yōu)化。

Xilinx的RFSoC應(yīng)對5G更高性能要求

　　采用 Massive MIMO 等新技術(shù)以及分離基站架構(gòu)的 5G 空中接口日趨復(fù)雜化，這將導(dǎo)致遠(yuǎn)端射頻單元的成本與功率損耗大幅增加。實(shí)際上這一挑戰(zhàn)是一個機(jī)遇，而不是阻力，賽靈思(Xilinx)能夠借此機(jī)會推廣新型集成技術(shù)(RFSoC)，該技術(shù)的設(shè)計用于應(yīng)對5G發(fā)展面臨的集成、功耗和復(fù)雜性態(tài)勢。

　　該趨勢將增加遠(yuǎn)端射頻單元的復(fù)雜性。這會增加遠(yuǎn)端射頻單元的成本和功耗。從芯片角度來看，我們正在實(shí)現(xiàn)更高水平的集成，多個RF部件(DAC/ADC)的集成需要經(jīng)過廣泛的仿真和測試。

　　針對此，賽靈思公司推出了全新系列集成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。高速DAC和ADC的集成不僅能減少構(gòu)建系統(tǒng)所需的組件數(shù)量，而且對整體系統(tǒng)的成本和功耗也會產(chǎn)生巨大影響。

　　RFSoC可將多達(dá)16個DAC/ADC集成到單一芯片之中，從而提供可滿足5G市場發(fā)展要求的高效、優(yōu)化(功耗/成本/面積)解決方案。在量產(chǎn)器件(2018 年 6 月)投放市場之前，賽靈思已對一組測試芯片進(jìn)行了使用測試。目前，5G市場中多家關(guān)鍵的領(lǐng)先系統(tǒng)供應(yīng)商已經(jīng)采用了該芯片。

5G的應(yīng)用場景的多樣性要求軟硬件功能平衡

　　5G-NR所針對應(yīng)用情況的多樣性是CEVA認(rèn)為最具挑戰(zhàn)性的特性。雖然eMBB現(xiàn)在于版本15中相當(dāng)穩(wěn)定，但mMTC和URLLC很可能會帶來新的基帶調(diào)制解調(diào)器挑戰(zhàn)，這可能要求我們當(dāng)前的eMBB和蜂窩IoT平臺進(jìn)行重大的架構(gòu)改變。

　　5G-NR終端調(diào)制解調(diào)器IP的主要設(shè)計挑戰(zhàn)就是構(gòu)思最佳的體系結(jié)構(gòu)，不僅要應(yīng)對涵蓋5G-NR用戶和數(shù)據(jù)平面帶來的巨大計算復(fù)雜性，還要能夠靈活適應(yīng)全新3GPP版本，且具有multi-RAT能力，能夠同時運(yùn)行5G-NR sub-6GHz和mmWave調(diào)制解調(diào)器或傳統(tǒng)LTE和3G調(diào)制解調(diào)器，以及eMBB終端所需的低功耗特性，同時以最佳折衷實(shí)現(xiàn)上述功能。

　　這需要使用經(jīng)過精心設(shè)計的CPU、DSP、專用任務(wù)處理器和硬件加速器來實(shí)現(xiàn)軟件和硬件功能的合適平衡。

　　CEVA的5G解決方案

　　為解決這些UE 5G-NR基帶調(diào)制解調(diào)器難題，CEVA提出了許多創(chuàng)新舉措，比如：

　　1)當(dāng)使用先進(jìn)的高階MIMO均衡算法時，使用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的AI處理器用于5G-NR鏈路的自適應(yīng)任務(wù);

　　2)用于大規(guī)模MIMO波束成形和信道估計處理的可編程矢量協(xié)處理器;

　　3)利用增強(qiáng)的矢量DSP指令集實(shí)現(xiàn)更高效的5G-NR CSI和均衡任;

　　4)用于LDPC和Polar編碼器和解碼器的硬件加速器。

5G測試

Massive MIMO天線及毫米波終端測試進(jìn)展

　　為了實(shí)現(xiàn)在未來5G規(guī)劃的3個場景：eMBB、 mMTC和uRLLC，在5G的網(wǎng)絡(luò)框架和空中接口都必須是靈活的結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對不同的場景需求，需要更多的頻譜。在5G的頻譜規(guī)劃中，有低頻段的Sub-6 GHz，又有規(guī)劃中的毫米波如26 GHz、39 GHz頻段等，中國政府基本明確了未來的5G頻譜規(guī)劃。

　　5G標(biāo)準(zhǔn)與OTA測試方法

　　按照產(chǎn)業(yè)成熟的先后順序，有了5G標(biāo)準(zhǔn)，最先推出的應(yīng)該是5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備，而5G芯片和終端應(yīng)該是商用的最后環(huán)節(jié)。測試設(shè)備是5G生態(tài)必不可少的一環(huán)，終端設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)符合性或者一致性測試是移動通信技術(shù)商用的基石之一。測試設(shè)備應(yīng)該與芯片和終端商用同期推出， 來支撐5G商業(yè)化的發(fā)展。

　　5G的新技術(shù)之一是基站的Massive MIMO，如何測試和評價基站Massive MIMO系統(tǒng)的性能對5G商業(yè)化中實(shí)現(xiàn)和滿足設(shè)計的系統(tǒng)容量和效率的提高有很重要的作用。由于天線陣面較大，傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場測試成本很高，尋求行業(yè)內(nèi)達(dá)成共識的較低成本的測試方法同時能夠正確地評估Massive MIMO性能很重要。

　　5G網(wǎng)絡(luò)部署是一個漫長的過程，5G不會獨(dú)立存在， 5G和4G等技術(shù)的演進(jìn)關(guān)系和融合組網(wǎng)都很重要，尤其對于終端測試而言，測試儀表與4G等技術(shù)的融合顯得格外重要，5G和4G的頻譜組合場景非常復(fù)雜。5G-NR構(gòu)造了全新的5G靈活空中接口，eMBB需要更高的傳輸帶寬，URLLC需要更低的時延，還要兼顧到未來的5G 毫米波的高帶寬，5G終端測試會更加復(fù)雜。

　　未來5G毫米波的測試將難以采用傳統(tǒng)的連線測試，只能采用OTA的測試方法。OTA的測試方法和測試技術(shù)正在快速的發(fā)展中。

　　R&S公司5G測試解決方案

　　傳統(tǒng)上微波毫米波頻段主要應(yīng)用在國防軍工領(lǐng)域，R&S(羅德與施瓦茨)公司已經(jīng)向中國市場提供過超過500 GHz的測試設(shè)備用于科學(xué)研究等方面。在應(yīng)對5G未來測試挑戰(zhàn)方面，R&S公司已經(jīng)和全球合作伙伴一起進(jìn)行了大量的5G預(yù)研工作。R&S公司的矢量信號源SMW200A能夠提供內(nèi)置2 GHz帶寬的各種標(biāo)準(zhǔn)的和5G-NR信號，單臺最高頻率達(dá)到40 GHz，在更高的頻段可以采用R&S的信號源頻率擴(kuò)展單元SZU來產(chǎn)生更高的毫米波頻段5G信號。R&S公司的矢量信號分析儀FSW能夠提供2 GHz的分析帶寬，在極高的接收靈敏度和線性范圍下分析和測試5G-NR信號，時域及調(diào)制域的特性，單臺頻譜分析儀FSW能夠達(dá)到85 GHz的應(yīng)用頻率，完全滿足5G的各種射頻信號的測試要求。R&S公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVA系列能夠提供到500 GHz的各種毫米波參數(shù)的測試，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNBT多通道矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠提供單臺48通道的射頻參數(shù)測試，可以用來校準(zhǔn)5G的大規(guī)模陣列天線的射頻收發(fā)單元。

　　在Massive MIMO天線的OTA測試方面，R&S公司正在推廣R&S的5G基站陣列天線的OTA測試方案。在5G毫米波方面，可利用AST1000內(nèi)置轉(zhuǎn)臺的小暗室實(shí)現(xiàn)5G毫米波終端的OTA測試。

5G的sub-6GHz及毫米波頻段測試方案

　　從頻段的角度，我們看到的5G的發(fā)展趨勢有sub-6GHz(低于6 GHz頻段)和毫米波頻段通信。由于頻段特性的區(qū)別，兩種方式需要的測量方式和測試挑戰(zhàn)也有一定區(qū)別。

　　Sub-6GHz的測量方式和原有4GHz的測試方式是比較類似的，使用傳導(dǎo)測試或者射頻線纜相連的方式進(jìn)行測量。測試測量的的難度集中在兩點(diǎn)，協(xié)議的變化和測量帶寬的增加。針對這兩部分，NI于2018年初就推出了最新的RFmx NR測量參考設(shè)計方案，符合3GPP NR協(xié)議。在硬件架構(gòu)上，使用最新一代的矢量信號收發(fā)儀PXIe-5840支持1 GHz信號帶寬的收發(fā)，符合3GPP中對于sub-6GHz 400M帶寬的需求。 另一方面，NI也關(guān)注到了5G測試中的一個隱形的測試需求，由于帶寬和協(xié)議復(fù)雜性的增加，必須有新的測試方法和測試技巧來減低測試時間，保證測量效率的提升。NI 矢量信號收發(fā)儀中集成FPGA模塊，通過FPGA運(yùn)算來減低原有CPU運(yùn)算所需的測試時間，從而提升整體測試效率。通過上述的架構(gòu)，NI能幫助諸如Qorvo在內(nèi)的芯片公司實(shí)現(xiàn)目前在實(shí)驗(yàn)室的5G芯片的研發(fā)，使用同樣的測試方案，也可以更順利地過渡到未來的量產(chǎn)測試中。

　　毫米波頻段測量，由于毫米波頻段芯片的尺寸將大大的降低，目前我們看到業(yè)界的毫米波芯片會集成毫米波天線，從而在6 GHz以下使用的傳導(dǎo)測試等方案不在使用于毫米波頻段芯片的測量，毫米波頻段通常需要OTA (Over-the-air)的測試方法。在毫米波頻段上，我們看到以下幾個趨勢：

　　● 3GPP規(guī)定的毫米波頻段為非連續(xù)頻段，不同國家和地區(qū)有不同的頻段選擇;

　　● 毫米波頻段需要滿足高帶寬的需求;

　　● 測試成本是毫米波頻段芯片測量中必須要考量的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

　　實(shí)際上從2010年開始，NI就開始了射頻領(lǐng)先用戶計劃，關(guān)注5G技術(shù)在內(nèi)的前沿通信技術(shù)，毫米波通信無疑是一個重點(diǎn)方向。在通過和Nokia、Samsung、ATT、Verizon等設(shè)備商和運(yùn)營商的合作中，共同推進(jìn)毫米波系統(tǒng)協(xié)議、信道測量、測量技術(shù)和測量IP的發(fā)展。比如在2017年，NI就和Verizon實(shí)現(xiàn)了第一個V5G協(xié)議的硬件原型化系統(tǒng);在2018年MWC(世界移動通信大會)上，也有NI和三星公司在外場測試的合作計劃。通過模塊化硬件的方式，可以最優(yōu)實(shí)現(xiàn)毫米波頻段的信號原型和信道測量工作。在未來的芯片測試方案，NI模塊化毫米波平臺也可以幫助客戶很好的實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證到量產(chǎn)測試的全覆蓋，提高測試效率，降低測試成本。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]王志勤,余泉,潘振崗,等.5G架構(gòu)、技術(shù)與發(fā)展方式探析[J].電子產(chǎn)品世界,2016(1):14-17.

　　[2]Ron Wilson.5G：能聽到我的呼喚嗎?[J].電子產(chǎn)品世界,2017(5):15-17.

　　[3]屠方澤.5G面臨的測試挑戰(zhàn)及解決方案[J].電子產(chǎn)品世界,2017(5):18-19.

　　[4]王瑩.5G的影響、戰(zhàn)略與機(jī)遇[J].電子產(chǎn)品世界,2017(9):4-7.

　　[5]李峰.5G毫米波和超寬帶功率放大器EVM測試的挑戰(zhàn)和解決方案[J].電子產(chǎn)品世界,2017(10):31-34.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第6期第10頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。