NI解讀5G產(chǎn)業(yè)測試趨勢，平臺化方案有效應對研發(fā)挑戰

　　都說(shuō)2020年是5G商用元年。而在剛剛過(guò)去的2016年里，HUAWEI、Nokia、Ericsson、Qualcomm、AT&T、Optus、CMCC等設備商與運營(yíng)商積極合作測試5G，早已蠢蠢欲動(dòng);ITU也很及時(shí)地公布了5G時(shí)間表等重要消息，憧憬萬(wàn)物互聯(lián)應用巨大市場(chǎng)的業(yè)界對5G可說(shuō)更是期待萬(wàn)分。

　　而業(yè)內公認2018年5G將確立統一標準，這之前將是一場(chǎng)大角力?！霸诂F階段原型化在5G的標準推進(jìn)過(guò)程中是非常重要的一個(gè)步驟，可以推動(dòng)5G從概念到落地實(shí)現!”NI中國區市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理姚遠先生在不久前召開(kāi)的第六屆EEVIA年度中國ICT媒體論壇暨2017產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會(huì )上這樣說(shuō)道。他從SDR原型挑戰入手，同時(shí)結合5G的高帶寬、爆炸性萬(wàn)物互連測量需求以及任務(wù)關(guān)鍵性應用場(chǎng)景的極低時(shí)延Timing要求，詳細闡述了5G測試趨勢和最先進(jìn)的平臺化方案。

　　圖1：NI中國區市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理姚遠EEVIA年度論壇發(fā)表演講。

　　如何克服開(kāi)發(fā)語(yǔ)言多樣化的原型階段障礙

　　軟件定義無(wú)線(xiàn)電SDR(SoftwareDefinedRadio)是目前進(jìn)行原型化的重要手段，IEEE對SDR技術(shù)的定義是“部分或者全部物理層功能通過(guò)軟件定義完成”，簡(jiǎn)易框圖如下圖所示。右側的射頻硬件部分，由于集成度、頻率范圍、可調帶寬以及功耗等方面的局限性，在過(guò)去是一個(gè)瓶頸。但近幾年，一些頂尖廠(chǎng)商推出了高集成度、高頻率范圍和高通道帶寬的標準化可編程射頻收發(fā)器產(chǎn)品，在很大程度上解決了這個(gè)問(wèn)題。所以，存在于CPU、GPP、DSP、FPGA中待開(kāi)發(fā)的下圖左側軟件部分，其重要性也愈發(fā)顯現出來(lái)。

　　圖2：軟件定義無(wú)線(xiàn)電架構。

　　但對許多開(kāi)發(fā)者而言，在SDR系統中，利用軟件代碼去定義硬件前端是一個(gè)首要的挑戰。因為可供選擇的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言種類(lèi)眾多、標準不一。Matlab、C、C++、Assembly、VHDL、Verilog等眾多開(kāi)發(fā)語(yǔ)言都可以應用在5G、SDR等開(kāi)發(fā)場(chǎng)景與技術(shù)構想中。最后實(shí)現5G系統的過(guò)程中，并不限于某一種語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)者與科研工作者浪費了大量寶貴的時(shí)間在學(xué)習不同的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言與開(kāi)發(fā)工具上，這顯然不是一個(gè)高效率的做法。目前，NI可提供一整套完整的實(shí)現SDR原型化的工具系列，包含LabVIEW在內的開(kāi)發(fā)工具，提供LTE、WiFi及物理層的一些開(kāi)源源代碼，開(kāi)發(fā)者可在此基礎上利用，這一優(yōu)勢毋庸置疑。

　　圖3：NI可提供完整的無(wú)線(xiàn)快速原型化的革命性平臺工具。

　　搭一個(gè)應對5G高頻高帶寬的高精度超級儀器!

　　如前邊提及到的，很多設備廠(chǎng)商在測試5G，比如Nokia在2014年就使用NILabVIEW和PXI基帶模塊來(lái)開(kāi)發(fā)實(shí)驗用的5G概念驗證系統。后續也利用NI的毫米波信號收發(fā)器系統，開(kāi)發(fā)了第一代10Gbps可處理流數據的毫米波通信鏈路。姚遠在演講中，介紹了Nokia在幾個(gè)重要場(chǎng)合展示的基于NI平臺方案的5G峰值速率等測試。

　　圖4：Nokia與NI合作進(jìn)行的5G峰值速率等測試

　　同樣是使用73GHz頻段的信號，Nokia在2014年的測試展示中，通過(guò)one-by-one的單入單出架構，采用16QAM的調制方式，在1GHz的帶寬中實(shí)現了2.3Gbps的峰值速率。而在2015年和2016年的實(shí)驗中，通過(guò)MIMO的二乘二架構，或采用更復雜的64QAM調制方式，分別實(shí)現了10Gbps和14.5Gbps的峰值速率。請注意，這是傳輸碼元的速率。單論峰值速率這一點(diǎn)，已經(jīng)達到了5G的標準。

　　速率的突破是5G勢如破竹的利劍，而高效精確的測試測量方案則是5G保駕護航的盾牌!對于科研工作者而言，如何去測試這些高頻率范圍、高通道帶寬的通訊信號呢?NI公司推出的矢量信號收發(fā)儀(VST)是這一方面的先驅者產(chǎn)品。早在5年前，NI第一次在中國地區發(fā)布了第一版的矢量信號收發(fā)儀，作為NI歷史上最成功的硬件產(chǎn)品之一，結合了RF生成器、RF分析儀、數字I/O以及可使用LabVIEW編程的Xilinx FPGA。

　　圖5：NI的第二代VST(矢量信號收發(fā)儀)。

　　VST2.0將Xilinx FPGA升級為Virtex-7，具有1GHz的及時(shí)帶寬，可用于高級數字預失真(DPD)測試和雷達、LTE-Advanced Pro和5G等高寬帶信號;其高測量精度，該儀器的誤差矢量幅度(EVM)可以達到-50dB。用戶(hù)可以進(jìn)行軟件自定義是其重要核心。因為NI LabVIEW FPGA模塊擴展了LabVIEW系統設計軟件，以便在可重配置I/O硬件上應用FPGA，NI的VST正是其中之一。

　　“而我們知道LabVIEW能夠清楚表現并行架構和數據流的優(yōu)勢，使其非常適用于FPGA程序的編寫(xiě)。甚至你腦洞大開(kāi)，嘗試把四塊VST拼在一起，你將會(huì )看到一個(gè)超過(guò)3.5GHz帶寬的超級儀器!“姚遠指出。

　　圖6：四塊VST拼在一起的超過(guò)3.5GHz帶寬的超級儀器。

　　平臺化測量解決方案應對IoT時(shí)代海量聯(lián)網(wǎng)設備

　　在本屆EEVIA年度論壇上，NI的姚遠引用Gartner在早前的報告中指出，到2020年，接入互聯(lián)網(wǎng)的設備數量將超過(guò)500億。在物聯(lián)網(wǎng)的應用場(chǎng)景中，500億設備都需聯(lián)網(wǎng)與測量;采用低效率的一對一測量方式顯然是無(wú)法滿(mǎn)足需求的。而物聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景中，對數據的采集與分析又是不可或缺的。如何在需求與效率中尋求平衡，實(shí)現大范圍的高精度測量，將是物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中不可繞過(guò)的挑戰!

　　他說(shuō)：“舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，Google收購的Nest公司最為人們熟知的產(chǎn)品是恒溫器，在下圖中，我們可以看到Nest恒溫器的內部結構，從右往左看，分別有各種各樣的Sensor、OFN模塊、電池、ZigBee、藍牙、WiFi模塊等部分。它還肩負了一些其他功能,如煙霧探測器支持IFTTT(功能)，在探測到有害煙霧之后向用戶(hù)的鄰居發(fā)送一條求救短信?；蛘吲c家里的空調和加濕器連接，聯(lián)合控制這些家居設備的開(kāi)關(guān)。又或者通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò )連接LIFX智能燈泡，再由Nest設備來(lái)判斷用戶(hù)的狀態(tài)進(jìn)而調節亮度等等。它的角色更像智能家居的大腦，兼顧處理著(zhù)多種數據，而這一切都是無(wú)線(xiàn)連接的。不難想象，未來(lái)我們面對這樣的無(wú)線(xiàn)場(chǎng)景將是“家常便飯”。所以問(wèn)題來(lái)了，面對這樣復雜的多路通訊，怎么去高效地測量這些信號呢?NI公司基于PXI平臺的模塊化儀器系統為此提供了一種“打破常規”的解決思路。

　　圖7：NI提供測試智能設備的標準平臺.

　　“絕大多數的傳統儀器都是單通道矢量信號發(fā)射或者分析，少數儀器可以擴展成雙通道矢量信號分析，也都是獨立射頻信道，理論上無(wú)異于使用兩臺獨立的臺式儀器。使用獨立的傳統儀器進(jìn)行MIMO測試，遇到的最大困難是，如何讓各個(gè)射頻通道進(jìn)行同步相干采集，并針對原始信號做有效解調及分析。傳統臺式儀器通常是依靠共享同一參考時(shí)鐘的方式來(lái)進(jìn)行同步，其相位精度很難得到保證。這時(shí)，基于PXI平臺的模塊化儀器的優(yōu)勢就顯現出來(lái)，由于模塊化儀器其本振，上/下變頻器，數字化儀以及任意波形發(fā)生器是分開(kāi)的，我們可以很容易的將同一個(gè)本振信號共享給多個(gè)上/下變頻器，獲得一個(gè)更加精準的相位相干多路信號，或者針對MIMO系統的輸出射頻信號進(jìn)行分析?！耙h闡述道。

　　一方面，在成本與體積上，PXI平臺使用現成可用技術(shù)的優(yōu)勢顯而易見(jiàn);另一方面，這是一種軟件定義的模塊化解決方案，其具有非常強大的靈活性與可擴展性，不斷支持演進(jìn)的通信標準。如圖中的NI標準化測試儀器，模塊化使其能夠實(shí)現如VST用于測量WiFi、ZigBee、藍牙等信號，SMU用于測量電池，DAQ則用于測量各種各樣的Sensor，再搭配LabVIEW圖像化編程的優(yōu)勢，這在測量上無(wú)疑是具有突破性的。

　　無(wú)人駕駛等任務(wù)關(guān)鍵型應用的極低時(shí)延仿真探討

　　除了帶寬之外，Timing時(shí)延對未來(lái)很多前景應用也非常重要。尤其是在無(wú)人駕駛、遠程醫療這些任務(wù)關(guān)鍵型的應用，對于延遲和穩定性有非常高的要求。如無(wú)人駕駛，需要分辨人和樹(shù)。緊急情況下，車(chē)可以選擇撞樹(shù)、但絕對不能去撞人。那么在開(kāi)發(fā)過(guò)程中怎么模擬場(chǎng)景，怎么將場(chǎng)景快速地進(jìn)行仿真，就需要有系統性的解決辦法，可以使用不同技術(shù)來(lái)實(shí)現。

　　圖8：兼顧低時(shí)延與靈活性的技術(shù)選擇。

　　“如圖8中最上邊的納秒級別的Backplane同步技術(shù)，精確、時(shí)延低，但靈活性不高;又比如用于開(kāi)發(fā)的LabVIEW軟件，其內部的數據結構，特點(diǎn)是較高的延遲，卻有很好的靈活性。我們需要針對不同的Timing場(chǎng)景，選擇利用不同的技術(shù)?！币h指出。

　　后記

　　測試測量的模塊化架構最早由NI提出，其在這一領(lǐng)域也有超過(guò)10年的積累。產(chǎn)品的豐富性、多樣性、以及與軟件無(wú)縫結合的特點(diǎn)都是其強大的優(yōu)勢。無(wú)論如何，在IMT-2020(5G)推進(jìn)組的組織下，5G研發(fā)與測試正在按照規劃的時(shí)間周期進(jìn)行中，相信在2020年的奧運會(huì )上，5G就會(huì )綻放耀眼的光彩!