5G部署已經開始,大部分工作仍然集中在基礎設施,即承載所有資料的無線電和網路上。事實上,仍有大量的研發活動在進行,而這些早期的產品——包括數據機、天線陣列、放大器和資料轉換器等——勢必會隨著時間的推移而逐漸完善。測試設備在工程實驗室外也顯示出使用跡象。甚至自動測試設備(ATE)製造商也在為即將到來的大批量元件生產做準備,而5G網路安裝測試設備也已經出現。

5G也為更高的網路層帶來了變化。由於5G可望減少延遲並提高LTE的可靠性,核心網將演變成為軟體定義網路(SDN),會根據應用場景的不同而相應地處理資料。

無線電是關鍵

大部分5G開發都集中在5G新空中介面(5G NR)上,重點是24.25GHz以上的毫米波(mmWave)頻段。這些高頻具有更大的頻寬(高達400MHz),要比現今無線通訊使用的6GHz以下頻段所能提供的頻寬高得多。事實上,Verizon於2018年11月13日宣佈使用早期5G手機在28GHz頻率上傳輸資料的演示仍然基於LTE網路——目前仍將使用LTE來處理控制訊號,而一些資料則會使用毫米波。這類系統由於要依賴於LTE和5G的雙連接,因此被稱為是「非獨立(non-standalone)」。一些6GHz以下的頻段也將用於資料傳輸,特別是在沒有mmWave訊號的區域,因此,TS 138 101-3 V15.2.0(2018-07)等規範規定了雙連接的使用和測試。最終,我們將看到「獨立(standalone)」5G,包括無線接入網路(RAN)和採用SDN的核心網路,而不再需要LTE(圖1)。

20190304NT31P1 圖1 5G一開始會使用非獨立無線網路,然後最終過渡到獨立網路。(圖片來源:Anritsu)

同時使用LTE和5G無線會引起手機功耗問題,因此這首款5G手機才會附帶電池,而電網供電基地台和工業物聯網(IIoT)設備使用5G就不會出現這個問題。此外,透過毫米波通道進行通訊的5G手機可能具有波束控制(beam steering)功能,這在《Beam steering: one of 5G's many technologies》一文中有詳細解釋。基地台和小型基地台(small cell)可能具有多組功率放大器(PA)、資料轉換器、混頻器和其他射頻(RF)元件,以配合包含256個矩陣元的相控陣列天線,而手機可能只有一組這樣的元件來驅動4矩陣元相控陣列天線。

據羅德史瓦茲(Rohde & Schwarz)Andreas Roessler表示,大多數驗證、表徵和合規測試——特別是在頻率範圍1(FR1,450MHz~6GHz)內——所使用的大部分RF測量方法都跟LTE一樣。誤差向量振幅(EVM)、RF訊號功率和相鄰通道功率等測量指標對5G訊號仍然適用。Roessler告訴EDN,具體的測量規範——特別是FR2(24.25GHz~52.6GHz)的規範——仍在制定中,但2019年初應該可以公佈。

PA可能會加重手機設計人員所面臨的功耗問題。ADI的Thomas Cameron解釋,因為單個PA需要驅動LTE和5G NR兩種訊號,所以手機製造商正在推遲在相鄰子載波上同時提供LTE和5G訊號。

對於使用頻段n41(2.502GHz~2.690GHz)的Sprint來說,這一問題尤其嚴重,因為其必須將LTE和5G NR訊號放在該頻段內的相鄰通道上。「這是一個不利因素,」Roessler表示,Sprint將使用三個20MHz LTE下行鏈路子載波,以及兩個LTE上行鏈路子載波和兩個5MHz NR子載波,分別為60MHz、80MHz或100MHz,具體取決於市場。這就要求PA既要能放大LTE訊號,又要能放大5G NR訊號,從而會導致互調失真,而使PA效率下降。Roessler表示,要解決這一問題,Sprint必須阻止手機同時傳輸LTE和5G NR訊號。

測試設備

測試設備(台式和PXI)可以生成和分析LTE和5G NR訊號。圖2為美國國家儀器(NI)的一種PXI系統,它由向量訊號收發器和向量訊號分析儀組成。其他儀器包括用於包絡追蹤的示波器、用於提供功率和測量功耗的電源測量單元(SMU),以及用於待測設備(DUT)控制的數位儀器。

20190304NT31P2 圖2 5G NR測試系統可以生成並分析LTE和5G訊號。(圖片來源:NI)

「5G NR的測試已經進入驗證和表徵的預生產狀態,」NI的Alejandro Buritica說。Buritica已經看到工程師正在使用圖1所示的系統並自己開發系統來測試用於基地台的早期晶片和子系統,而手機測試才剛剛啟動。

「生態系統處於早期生產階段,」是德科技(Keysight)的Roger Nichols說,「我們看到工程師正在測試5G無線電和高速數位鏈路設備。早期的標準一致性測試已經開始。」Nichols指出,工程師不僅要測試實體層,還要進行直到應用層的誤碼測量和協議測試。

OTA

雖然可以使用有線連接來測試5G NR元件,但要測試整合的相控陣列天線系統就需要利用OTA測試整個系統。隨著更多5G NR產品的開發,OTA測試逐漸流行,而且其重要性會不斷增加。

OTA測試需要採用暗室來減小環境訊號的幅度並盡可能降低反射。圖3所示的系統可以讓工程師對整合式波束控制天線(結合了放大器、資料轉換器、混頻器和波束控制IC)進行初始測試。

20190304NT31P3 圖3 整合相控陣列天線(右側白框)的OTA測試需要使用接收天線(左),以及訊號源和訊號分析儀。(圖片來源:是德科技)

羅德史瓦茲ATS1000測試系統(圖4)包括可最大限度減少環境訊號干擾並減少反射的暗室,因此可以直接測量天線訊號。

20190304NT31P4 圖4 羅德史瓦茲ATS1000天線測試系統包含一個暗室,用於將被測天線與環境訊號隔離。(圖片來源:羅德史瓦茲)

圖5顯示了以3.5GHz為中心的通道頻段內和頻段外輸出功率所需的一些測量。星座圖顯示了四個分量載波的平均RMS EVM。

20190304NT31P5 圖5 用自動測試系統和傳統盒式儀器測量頻段內(藍色)和頻段外訊號功率。(圖片來源:NI)

生產即將到來

在將RFIC和其他元件組合成子系統和系統之前,必須先對其進行測試。看到這種測試的需要,ATE系統製造商Cohu和Teradyne正在採取措施來因應這些新的元件。

Cohu宣佈將在其Diamondx和PAx IC測試儀中使用是德科技的PXI測試設備。圖6所示的測試系統將儀器架與測試頭組合在一起,PXI主機殼用於訊號生成和擷取,主機殼下方的電源為DUT供電。

20190304NT31P6 圖6 Cohu將是德科技的PXI 5G訊號源和分析儀連同電源與測試頭整合到一個完整的5G RFIC測試系統中。(圖片來源:是德科技)

「5G市場上有很多動作,」Cohu的Steve Wigley說,「目前,我們看到美國的英特爾(Intel)、高通(Qualcomm)、ADI和Qorvo等公司,以及中國的華為和台灣聯發科(MTK)都有所作為。」大部分的舉動都在FR1頻段,但FR2頻率正在興起,特別是在美國。「源自研發的測量科學正在應用於生產測試。」Wigley補充。

Wigley指出,早期生產會主要是基地台,元件數量在數千萬到數億之間。一旦5G手機在2021年和2022年成為主流,數量將躍升至數十億。隨著時間的推移,ATE公司可能會選擇開發自己的測試板,而不是使用PXI設備。

Teradyne採取了不同的方式。除了測試RFIC之外,Teradyne還解決了有線網路基礎設施問題。5G肯定會影響從銅背板到長途光纖網路的一切,但其他技術也會發揮作用。考慮到這一點,Teradyne宣佈其UltraFlex ATE系統(圖7)現在可以處理高達60Gbps的數位資料速率,可以同時測試設備的RF和數位部分。

20190304NT31P7 圖7 Teradyne的UltraFlex ATE系統現在可以60GHz的資料速率測試設備。(圖片來源:Teradyne)

「由於無線子系統現在涵蓋從數位到RF,我們需要同時測試RF和數位基頻訊號。」Teradyne的Yi Zhang表示,「對於發射器和接收器,市場已從純類比(I/Q)介面轉為數位介面。功能已從基頻收發器IC轉移到RFIC。」Zhang認為,需要自動化測試的有兩大類設備:RF收發器天線頭和使用PAM4調變的前傳/回傳數位資料管道。

圖8顯示了RF收發器的框架圖,該收發器涵蓋了從基頻訊號到天線的一切,另外,高速串列訊號將使用PAM4調變。

20190304NT31P8 圖8 Teradyne測試儀使用內部設計的測試板來測試晶片,覆蓋訊號鏈的RF和基頻部分。

「實現60GHz性能是一個巨大的挑戰。」Zhang說道,「我們的客戶正在進行表徵和生產測試,他們需要很多通道。我們的設備可以支援32個發射器和32個接收器,還必須儘量減少測試板和DUT之間,以及DUT之間發生的訊號損失和串擾。」

網路測量

雖然大多數5G NR測試活動都涉及元件和子系統,但初始部署已經開始了。與前幾代無線網路一樣,營運商的安裝人員需要進行現場測量。專門針對5G而設計的可攜式無線測試儀也開始出現,其中之一就是來自Viavi Solutions的CellAdvisor 5G(圖9)。Celladvisor 5G是一款即時頻譜分析儀,帶有5G分析APP和硬體,它可在FR1和FR2頻段工作(FR2是可選的)。

20190304NT31P9 圖9 世界各地的無線通訊營運商正在使用可攜式測試儀(如Viavi CellAdvisor)來測量FR1和FR2頻率下5G訊號的RF特性。

「營運商在實驗室和現場都在使用CellAdvisor,」Viavi的Kashif Hussain說道,「他們用它來進行波束驗證,並在網路或使用者設備沒有鎖定訊號時使用。」

隨著5G無線開始接入網路,網路本身也在演化中。Spirent和Ixia(現為Keysight的一部分)等網路測試設備公司正在準備測試專為行動應用而最佳化的RAN和SDN、工業測量和控制,以及自動駕駛車等應用。實際上,IIoT應用可能會引領5G的普及。為什麼?因為許多消費者不會熱切地購買早期的5G手機。原因在於,在基礎設施沒有到位之前,他們為什麼要購買5G手機?

(參考原文: 5G test gears up,by Martin Rowe)