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一年5650億美元,毫米波5G真的來了!

2019-11-06 09:51 5G
關鍵詞:毫米波5G

導讀:從上周開始至年底,全球“毫米波5G”領域將有一系列具有“里程碑”意義的事件密集發生。

10月28日開幕的國際電信聯盟2019年世界無線電通信大會(WRC-19),把24.25-86 GHz頻段的部分毫米波頻譜標識用于國際移動通信,以滿足5G等在2020年及未來的發展需求。

預計之后,將有越來越多的國家把部分毫米波頻段指配給5G系統。此外,我國毫米波5G頻譜規劃有望在年底出臺——工信部無線電管理局《2019年全國無線電管理工作要點》中明確提出“適時發布5G系統部分毫米波頻段頻率使用規劃,引導5G系統毫米波產業發展”。可以預見,全球毫米波5G產業將由此迎來新一波大發展。

毫米波之于5G及未來移動通信的發展具有重要意義,其突出地反映在所能創造的巨大社會經濟價值方面。對此,業界正在進行初步探索。

比如,10月份,Verizon在康寧的工廠內部署毫米波5G以助力生產效率提升;目前,AT&T的毫米波5G主要是面向諸多商企客戶開發創新型用例。GSMA協會發布報告《在毫米波頻段提供5G服務的社會經濟效益研究》預測,從2020年到2034年,毫米波5G對全球GDP的貢獻將呈指數級增長態勢,2034年將貢獻5650億美元的全球GDP、稅收達1520億美元,如下圖。

按照ITU-R《5G愿景需求報告》的定義,5G系統至少要支持10-20 Gbps峰值速率。從目前韓國、英國等已經商用的5G網絡來看,Sub-6 GHz頻段5G系統尚無法達到ITU-R所設定的上述目標。

所幸的是,毫米波已經在幾年前就開始成為5G發展的重要研究方向——3GPP在2018年12月發布的Rel-15(5G第一階段標準)中已經對n257(26.5-29.5 GHz頻段)、n258(24.25-27.5 GHz頻段)、n260(37-40 GHz頻段)、n261(27.5-28.35 GHz頻段)的5G NR系統進行了標準化;此外,3GPP Rel-16正在進行52.6 GHz以上頻段毫米波5G的標準化研究,將可提供高達2 GHz的帶寬,并確定其潛在用例和部署場景。

毫米波5G有著豐富的潛在應用場景。歐盟在2019年10月份發布的《關于使用毫米波頻段在歐盟部署5G生態系統的研究》指出,毫米波5G可用于大容量的eMBB服務(固定無線接入、高清視頻通信、虛擬/增強/混合現實),5G前傳/回傳,包括汽車在內的垂直行業服務,其他交通運輸(火車和公共汽車),制造/工業自動化,電網通信,智慧城市,醫療應用,公共安全。

GSMA協會的上述報告認為毫米波5G在2034年貢獻的5650億美元GDP中,23%源于工業自動化、18%源于遠程對象操控、16%源于VR及會議、15%源于家中及辦公室的高速連接、14%源于下一代交通連接、3%源于網絡迅速部署/臨時連接(如應急通信場景)、11%源于其他場景。

實現這些潛在應用的大前提,就是讓毫米波5G通信系統部署成為現實。據5G微信公眾平臺(ID:angmobile)一直以來的觀察,過去幾年,Verizon、AT&T、美國國家儀器公司(NI)、高通、諾基亞、愛立信、三星等行業巨頭持續扎實進行毫米波5G芯片、網絡設備、終端的研發、驗證及組網試驗,截至目前,美國主流移動通信運營商已經在數十個城市部署了28 GHz、39 GHz頻段毫米波5G網絡,韓國三大運營商也已于2018年6月獲得28 GHz頻段的5G毫米波頻譜,日本NTT DOCOMO、KDDI等運營商也一直在進行毫米波5G網絡外場試驗。

另據GSA協會在2019年10月底發布的數據,目前有112家運營商正在對24.25-29.5 GHz頻段5G技術進行投資(含試驗、預商用、商用),已有60款5G終端支持毫米波頻段。

不過,上述還只是初級探索。全球范圍來看,截至目前,毫米波5G產業鏈仍然處于早期階段,無線網絡主設備主要支持受到北美、日韓運營商青睞的毫米波頻段,而且僅支持一些基本功能,移動性管理、波束管理等重要功能尚未成熟,高頻器件性能、鏈路特性、波束賦型與波束管理算法、EMC(電磁兼容)等亟待完善。

國內看來,年底發布毫米波5G頻譜規劃后,產業發展就可以“有的放矢”了,勢必要求毫米波5G標準、射頻器件、設備研發進度加快,但是行業資深專家指出,在這些環節中很重要的“測試”方面,國內毫米波5G測試方案的可行性、可靠性、準確性、成本、效率等面臨很多問題和挑戰。

從5G網絡設備、網絡網關到5G終端,在產品開發到最終生產測試過程中的所有階段,都需要部署可靠、穩定的測試方案——比如測試調制質量、射頻放大器線性度、接收機信噪比、發射機效率等參數是否符合3GPP及運營商的規范,這是決定成敗的關鍵。在基帶部分,毫米波5G與中頻段5G的成熟度相當,但是在射頻部分,毫米波5G設備的功能、性能、測試方法等在目前是令業界很棘手的事。

一直以來,人們都認為射頻工程是一項專業性非常強的技能,因為射頻技術并不總是如預期那樣工作,而射頻工程就是為了征服這一技術難題;而且隨著5G的出現以及5G所依賴的新通信架構方法的出現,射頻工程的重要性也不斷凸顯出來。

由于使用毫米波來發射和接收信號,測試工程面臨著諸多新挑戰,比如可能會遇到當前Sub-6GHz移動通信技術未曾遇到的一些傳播和信號路徑問題,而且在設計新組件和半導體器件方面也會碰到許多全新的難題。技術與經驗積累有助于高效解決這些新問題,5G微信公眾平臺觀察到,幾年前就積極參與全球主流運營商、芯片商、設備商毫米波5G技術與產品研發/驗證/試驗/預商用及商用等系列活動、打造了5G PXI平臺等經典測試解決方案的NI公司,近期發布了毫米波5G設備測試工程指南,可謂業界的“及時雨”。

如下圖所示,在從基帶、數模/模數變換、中頻到射頻的上/下頻變換、波束賦型、射頻前端(FEM)、大規模天線陣列到空口的毫米波5G新架構中,NI給出了在規劃5G設備測試方案時的一些可能測試點。

· IQ與IF測試

基帶收發儀使用正交調制IQ波形,NI毫米波5G設備測試工程指南指出,對于此類波形,線性度、IQ信號校準和中頻信號調理都是關鍵測試點。工程師需要能夠使用高線性度測試設備,生成5G波形,并獲得能夠處理高帶寬IQ波形的測試集。同樣,通過上/下變頻將IF轉換為毫米波的射頻收發儀需要嚴格的測試。信號完整性、放大器效率、輸出功率以及去除無用諧波和相位噪聲假象都是可能需要考慮的測試指標。

· 波束賦型與FEM測試

測量方面的挑戰在于如何通過這些基于IC的新波束賦形組件(包括混頻器、濾波器、功率放大器和低噪聲放大器)和FEM來進行特性分析并獲得出色性能。NI毫米波5G設備測試工程指南指出,要應對這一挑戰,關鍵在于在維持能效的同時實現高帶寬線性度。數字預失真(DPD)通常用于提高傳輸信號的線性度,但這要求測試設備能夠生成和測量帶寬5倍于所需值的信號,這遠遠高于4G測試系統的帶寬要求。

此外,發送和接收路徑的互易性也需要進行測試。例如,功率放大器進行壓縮區時,就會產生幅移和相移。此外,可變衰減器、可變增益放大器和移相器等射頻組件的容差可能在通道之間產生不均等的相移,這可能會影響FEM的相位相干性。

用于5G的波束賦形測試系統需要掃描寬頻譜,并能夠測試每條路徑的最大線性輸出和壓縮行為。快速雙向多端口開關測試解決方案是任何5G開發和生產測試環境的先決條件。

NI半導體營銷總監David Hall分析,“功率放大器效率”是射頻設計在當下的一個關鍵度量標準,對于由電池供電的設備而言十分重要。包絡跟蹤和數字預失真等技術可提高發射機功率放大器級的功率效率和線性度。要正確測量包絡跟蹤對功率放大器效率的影響,就先要對這些概念有基本的了解。

功率放大器通常在峰值輸出功率下達到最高運行效率,這時會發生增益壓縮。然而,許多移動通信標準采用的是具有較高峰值平均功率比(PAPR)的OFDM等調制技術,效率將顯著降低。因此,包絡跟蹤技術就是為了控制放大器的工作,使其盡可能長時間地處于壓縮臨界區。通過控制放大器的供電電壓,找出瞬時輸出功率與最優化供電電壓值的對應關系,確保PA接近壓縮區。

這種方法提高了效率,但由于放大器的“非線性”行為,PA增益也可能隨供電電壓而呈函數變化。這種特定的非線性行為稱為調幅-調幅(AM-AM)失真,它會隨著供電電壓的變化而變化。為了補償AM-AM失真,可以使用數字預失真(DPD)算法,根據AM-AM失真曲線優化功率附加效率(PAE),使其盡可能達到理想值。在高動態環境中,DPD算法通常在高帶寬設備上運行,例如現場可編程門陣列(FPGA)。

下圖顯示了一個基于NI RFIC特性分析解決方案的RFIC測試配置(用于測試RF PA包絡跟蹤和數字預失真指標)。該配置基于模塊化PXI系統,將VSA、VST和其他模塊集成到一個18槽PXIe機箱中。通過快速軟件控制,該系統可以快速修改一系列參數,進而快速運行不同的測試。

截圖的左上角顯示了運行數字預失真算法的發射機(藍線)和不運行數字預失真算法的發射機(紅線)的功率輸出曲線,以及射頻調幅(綠線)對應供電電壓(紫線)的包絡跟蹤曲線。底部面板顯示了在不同輸入功率條件下,采用(藍線)和不采用(紅線)DPD算法的幅度(AM-AM)和相位(AM-PM)差異曲線。最后一個面板顯示了所執行測量的概要。

在測試解決方案中集成PXI嵌入式控制器模塊(如下圖),便可使用多個不同輸入參數進行測試。控制器減輕了矢量信號收發儀(VST)等主要測試模塊的測試任務控制負擔。與臺式計算機的自動化測試相比,使用嵌入式控制器可以大幅縮短每次測試的周期時間。

· OTA測試

大規模天線陣列技術在毫米波5G通信中的應用,使得被測設備的通道數極大幅度地增加,天線單元間的距離不斷縮小,傳統的傳導測試方式已無法滿足多天線設備的測試需求,OTA測試方式成為重要手段。

NI毫米波5G設備測試工程指南指出,空口(OTA)測試非常適合測量和分析毫米波5G波束形成器和FEM的實際性能特性。這些測試可用于確定待測設備(DUT)將其功率輸出聚焦于特定方向上的能力,并檢查波束賦型的質量。這需要利用空間掃描功能從0到360度掃描其中一個正交坐標,然后從0到180度掃描另一個正交坐標。

NI毫米波OTA參考解決方案(如下圖)就是一種能很好滿足上述要求的OTA測量系統。該系統包含用于波形生成和分析的NI高帶寬毫米波矢量信號收發儀(VST)、高增益天線以及具有高精度實時運動控制定位器的射頻電波暗室。

借助測試序列生成器,工程師可以對該解決方案配置,以便分析5G毫米波DUT波束成形功能的特性并對其進行驗證。該解決方案還包含一套完整的軟件,為測得的數據提供了一系列可視化選項,如下圖中的范例所示。

【寫在最后】筆者預計,隨著WRC-19大會成功把毫米波頻段標識給5G等國際移動通信使用,中國、歐洲、美國等主要移動通信市場將進一步加速出臺毫米波5G頻譜規劃、加速標準化、加速高頻器件研發和整機測試進度,亟需先進的測試解決方案予以支撐,NI毫米波5G設備測試工程指南的發布正當其時,極具應用價值。


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