5G技術(shù)及測試測量的挑戰

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)現的目標和可實(shí)施的標準，通信行業(yè)將要開(kāi)始5G部署工作。與此同時(shí)，業(yè)內會(huì )面臨許多技術(shù)及測試測量方面的挑戰。為此，本媒體邀請部分5G從業(yè)廠(chǎng)商，探討5G最新技術(shù)進(jìn)展及解決方案。

5G芯片及IP

5G MIMO系統能力將持續提升

　　目前，5G行業(yè)的焦點(diǎn)在于增強移動(dòng)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(guò)三大措施實(shí)現：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。大規模MIMO已被證實(shí)能夠使移動(dòng)數據吞吐量提高3至5倍，并且還將繼續提高。目前全球許多移動(dòng)運營(yíng)商已開(kāi)展5G大規模MIMO試驗，預計在2019年至2020年，各個(gè)地區將開(kāi)始該技術(shù)的商業(yè)部署。

　　5G的部署無(wú)論是對小蜂窩系統還是大規模MIMO系統都面臨功耗、尺寸和重量等多方面的挑戰。例如在小蜂窩系統中過(guò)去的單頻段到現在需要支持三四個(gè)頻段，在大規模MIMO系統中將從普通8T8R TDD RRU(射頻拉遠單元，8個(gè)發(fā)射器，8個(gè)接收器)擴展為64 T64R系統或128T128R系統，系統尺寸、重量和功耗都可能成倍增長(cháng)。

　　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，產(chǎn)品組合覆蓋從DC至100 GHz的頻率范圍的整個(gè)信號鏈，針對通信、測試與測量?jì)x器儀表、工業(yè)以及航空航天市場(chǎng)應用，ADI提供了完整的信號鏈解決方案。此外，ADI收購linear后能夠對整個(gè)通信系統提供全套的高性能電源解決方案。

　　為幫助客戶(hù)克服未來(lái)通信技術(shù)面臨的挑戰，ADI打造了RadioVerseTM無(wú)線(xiàn)技術(shù)及設計生態(tài)系統。在RadioVerse的設計環(huán)境里面的軟件、仿真器可以很好地幫助客戶(hù)在整個(gè)一站式服務(wù)中更快地完成系統設計。

　　RadioVerse生態(tài)系統提供的器件組合能幫助企業(yè)快速完成5G產(chǎn)品開(kāi)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(gè)芯片等外圍的分立器件集成到單個(gè)芯片中，成功地把整個(gè)系統的面積縮小近一半，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)布的集成數字預失真(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功放的功耗，并減少和前面數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(lái)更高效的方案

　　5G的出現促使人們重新思考從半導體到基站系統架構，再到網(wǎng)絡(luò )拓撲的無(wú)線(xiàn)基礎設施。在半導體層面上，硅基氮化鎵的主流商業(yè)化為顯著(zhù)提高射頻性能敞開(kāi)了大門(mén)，其中包括增加功率放大器的功率密度，以及縮小器件尺寸，并最終節省系統空間。此外，與傳統技術(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)現氮化鎵可以在批量生產(chǎn)水平上達到與LDMOS相當的經(jīng)濟實(shí)惠的成本結構，并且在某些射頻市場(chǎng)上低于碳化硅基氮化鎵的成本結構。與此同時(shí)，氮化鎵的用例已經(jīng)擴展到面向宏基站等大功率射頻應用的分立式晶體管。氮化鎵作為獨立MMIC(單片微波集成電路)器件時(shí)發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用，同時(shí)也是5G和M-MIMO系統模塊的關(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功能，可以實(shí)現額外的性能優(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(lái)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。這為多功能數字輔助射頻MMIC集成片上數字控制和校準以及片上配電網(wǎng)絡(luò )等奠定了基礎。

   MACOM支持5G實(shí)現的射頻產(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(zhuān)利的硅基氮化鎵技術(shù)、專(zhuān)有開(kāi)關(guān)技術(shù)以及相干波束成形技術(shù)。

　　預計MACOM的產(chǎn)品組合將支持6 GHz以下的無(wú)線(xiàn)基礎設施(宏基站或大規模MIMO架構)，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(zhù)5G轉向毫米波，MACOM還擁有提供高頻技術(shù)的工具，以支持應對遇到的挑戰性設計問(wèn)題。對于開(kāi)發(fā)支持5G波束成形能力的高級天線(xiàn)陣列的客戶(hù)而言，射頻創(chuàng )新的這種傳統是十分寶貴的資產(chǎn)。

Massive MIMO無(wú)線(xiàn)解決方案更適用于5G

　　基于5G的發(fā)展和需求， Massive MIMO(mMIMO)無(wú)線(xiàn)解決方案一直被認為是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，是唯一可以十倍或以上提升系統容量的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。針對mMIMO無(wú)線(xiàn)解決方案，從之前的原型機到今后的實(shí)驗網(wǎng)乃至大規模商用部署，低成本、高集成、高效率成為mMIMO無(wú)線(xiàn)解決方案的幾個(gè)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(huì )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，甚至會(huì )大于64通道。相比目前的4G網(wǎng)絡(luò )，5G通道數量將有明顯增加，這將直接導致整機的成本大幅提高。在這樣的背景下，對于大規模商用部署，低成本方案就變得尤為重要。

　　對于整機設備的小型化、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(guò)程中的迫切需求。目前全球各個(gè)主流設備商都在不斷探索新的、更高集成度的解決方案以適應市場(chǎng)的需求。另一方面，高集成度也是降低整個(gè)系統成本的有效方式。

　　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(gè)必要的指標。目前限制整機發(fā)射功率的一個(gè)關(guān)鍵因素是mMIMO系統的效率還有待進(jìn)一步提高，降低熱耗，以實(shí)現更高的輸出功率，滿(mǎn)足各大運營(yíng)商對于網(wǎng)路優(yōu)化的訴求。

　　Qorvo一直致力于提供5G無(wú)線(xiàn)射頻的全套解決方案。并在低成本、高集成、高效率等方面持續開(kāi)拓。采用譬如SOI、新一代GaAs等新工藝來(lái)降低芯片成本。推出Sub-6GHz和微波頻段的5G射頻前端模塊。并且運用GaN和GaAs工藝，實(shí)現超低功耗的5G射頻放大器和射頻驅動(dòng)器。實(shí)現整個(gè)通道效率的優(yōu)化。

Xilinx的RFSoC應對5G更高性能要求

　　采用 Massive MIMO 等新技術(shù)以及分離基站架構的 5G 空中接口日趨復雜化，這將導致遠端射頻單元的成本與功率損耗大幅增加。實(shí)際上這一挑戰是一個(gè)機遇，而不是阻力，賽靈思(Xilinx)能夠借此機會(huì )推廣新型集成技術(shù)(RFSoC)，該技術(shù)的設計用于應對5G發(fā)展面臨的集成、功耗和復雜性態(tài)勢。

　　該趨勢將增加遠端射頻單元的復雜性。這會(huì )增加遠端射頻單元的成本和功耗。從芯片角度來(lái)看，我們正在實(shí)現更高水平的集成，多個(gè)RF部件(DAC/ADC)的集成需要經(jīng)過(guò)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據轉換器。高速DAC和ADC的集成不僅能減少構建系統所需的組件數量，而且對整體系統的成本和功耗也會(huì )產(chǎn)生巨大影響。

　　RFSoC可將多達16個(gè)DAC/ADC集成到單一芯片之中，從而提供可滿(mǎn)足5G市場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)中多家關(guān)鍵的領(lǐng)先系統供應商已經(jīng)采用了該芯片。

5G的應用場(chǎng)景的多樣性要求軟硬件功能平衡

　　5G-NR所針對應用情況的多樣性是CEVA認為最具挑戰性的特性。雖然eMBB現在于版本15中相當穩定，但mMTC和URLLC很可能會(huì )帶來(lái)新的基帶調制解調器挑戰，這可能要求我們當前的eMBB和蜂窩IoT平臺進(jìn)行重大的架構改變。

　　5G-NR終端調制解調器IP的主要設計挑戰就是構思最佳的體系結構，不僅要應對涵蓋5G-NR用戶(hù)和數據平面帶來(lái)的巨大計算復雜性，還要能夠靈活適應全新3GPP版本，且具有multi-RAT能力，能夠同時(shí)運行5G-NR sub-6GHz和mmWave調制解調器或傳統LTE和3G調制解調器，以及eMBB終端所需的低功耗特性，同時(shí)以最佳折衷實(shí)現上述功能。

　　這需要使用經(jīng)過(guò)精心設計的CPU、DSP、專(zhuān)用任務(wù)處理器和硬件加速器來(lái)實(shí)現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基帶調制解調器難題，CEVA提出了許多創(chuàng )新舉措，比如：

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

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

　　3)利用增強的矢量DSP指令集實(shí)現更高效的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(xiàn)及毫米波終端測試進(jìn)展

　　為了實(shí)現在未來(lái)5G規劃的3個(gè)場(chǎng)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構，以應對不同的場(chǎng)景需求，需要更多的頻譜。在5G的頻譜規劃中，有低頻段的Sub-6 GHz，又有規劃中的毫米波如26 GHz、39 GHz頻段等，中國政府基本明確了未來(lái)的5G頻譜規劃。

　　5G標準與OTA測試方法

　　按照產(chǎn)業(yè)成熟的先后順序，有了5G標準，最先推出的應該是5G網(wǎng)絡(luò )系統設備，而5G芯片和終端應該是商用的最后環(huán)節。測試設備是5G生態(tài)必不可少的一環(huán)，終端設備的標準符合性或者一致性測試是移動(dòng)通信技術(shù)商用的基石之一。測試設備應該與芯片和終端商用同期推出， 來(lái)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(jià)基站Massive MIMO系統的性能對5G商業(yè)化中實(shí)現和滿(mǎn)足設計的系統容量和效率的提高有很重要的作用。由于天線(xiàn)陣面較大，傳統的遠場(chǎng)測試成本很高，尋求行業(yè)內達成共識的較低成本的測試方法同時(shí)能夠正確地評估Massive MIMO性能很重要。

　　5G網(wǎng)絡(luò )部署是一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程，5G不會(huì )獨立存在， 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(chǎng)景非常復雜。5G-NR構造了全新的5G靈活空中接口，eMBB需要更高的傳輸帶寬，URLLC需要更低的時(shí)延，還要兼顧到未來(lái)的5G 毫米波的高帶寬，5G終端測試會(huì )更加復雜。

　　未來(lái)5G毫米波的測試將難以采用傳統的連線(xiàn)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

　　傳統上微波毫米波頻段主要應用在國防軍工領(lǐng)域，R&S(羅德與施瓦茨)公司已經(jīng)向中國市場(chǎng)提供過(guò)超過(guò)500 GHz的測試設備用于科學(xué)研究等方面。在應對5G未來(lái)測試挑戰方面，R&S公司已經(jīng)和全球合作伙伴一起進(jìn)行了大量的5G預研工作。R&S公司的矢量信號源SMW200A能夠提供內置2 GHz帶寬的各種標準的和5G-NR信號，單臺最高頻率達到40 GHz，在更高的頻段可以采用R&S的信號源頻率擴展單元SZU來(lái)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(xiàn)性范圍下分析和測試5G-NR信號，時(shí)域及調制域的特性，單臺頻譜分析儀FSW能夠達到85 GHz的應用頻率，完全滿(mǎn)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通道的射頻參數測試，可以用來(lái)校準5G的大規模陣列天線(xiàn)的射頻收發(fā)單元。

　　在Massive MIMO天線(xiàn)的OTA測試方面，R&S公司正在推廣R&S的5G基站陣列天線(xiàn)的OTA測試方案。在5G毫米波方面，可利用AST1000內置轉臺的小暗室實(shí)現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。由于頻段特性的區別，兩種方式需要的測量方式和測試挑戰也有一定區別。

　　Sub-6GHz的測量方式和原有4GHz的測試方式是比較類(lèi)似的，使用傳導測試或者射頻線(xiàn)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測量參考設計方案，符合3GPP NR協(xié)議。在硬件架構上，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(gè)隱形的測試需求，由于帶寬和協(xié)議復雜性的增加，必須有新的測試方法和測試技巧來(lái)減低測試時(shí)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(guò)FPGA運算來(lái)減低原有CPU運算所需的測試時(shí)間，從而提升整體測試效率。通過(guò)上述的架構，NI能幫助諸如Qorvo在內的芯片公司實(shí)現目前在實(shí)驗室的5G芯片的研發(fā)，使用同樣的測試方案，也可以更順利地過(guò)渡到未來(lái)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(huì )集成毫米波天線(xiàn)，從而在6 GHz以下使用的傳導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(gè)趨勢：

　　● 3GPP規定的毫米波頻段為非連續頻段，不同國家和地區有不同的頻段選擇;

　　● 毫米波頻段需要滿(mǎn)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(kāi)始，NI就開(kāi)始了射頻領(lǐng)先用戶(hù)計劃，關(guān)注5G技術(shù)在內的前沿通信技術(shù)，毫米波通信無(wú)疑是一個(gè)重點(diǎn)方向。在通過(guò)和Nokia、Samsung、ATT、Verizon等設備商和運營(yíng)商的合作中，共同推進(jìn)毫米波系統協(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)現了第一個(gè)V5G協(xié)議的硬件原型化系統;在2018年MWC(世界移動(dòng)通信大會(huì ))上，也有NI和三星公司在外場(chǎng)測試的合作計劃。通過(guò)模塊化硬件的方式，可以最優(yōu)實(shí)現毫米波頻段的信號原型和信道測量工作。在未來(lái)的芯片測試方案，NI模塊化毫米波平臺也可以幫助客戶(hù)很好的實(shí)現從實(shí)驗室驗證到量產(chǎn)測試的全覆蓋，提高測試效率，降低測試成本。

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