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一年5650亿美元,毫米波5G真的来了!

2019-11-06 09:51 5G
关键词:毫米波5G

导读:从上周开始至年底,全球“毫米波5G”领域将有一系列具有“里程碑”意义的事件密集发生。

10月28日开幕的国际电信联盟2019年世界无线电通信大会(WRC-19),把24.25-86 GHz频段的部分毫米波频谱标识用于国际移动通信,以满足5G等在2020年及未来的发展需求。

预计之后,将有越来越多的国家把部分毫米波频段指配给5G系统。此外,我国毫米波5G频谱规划有望在年底出台——工信部无线电管理局《2019年全国无线电管理工作要点》中明确提出“适时发布5G系统部分毫米波频段频率使用规划,引导5G系统毫米波产业发展”。可以预见,全球毫米波5G产业将由此迎来新一波大发展。

毫米波之于5G及未来移动通信的发展具有重要意义,其突出地反映在所能创造的巨大社会经济价值方面。对此,业界正在进行初步探索。

比如,10月份,Verizon在康宁的工厂内部署毫米波5G以助力生产效率提升;目前,AT&T的毫米波5G主要是面向诸多商企客户开发创新型用例。GSMA协会发布报告《在毫米波频段提供5G服务的社会经济效益研究》预测,从2020年到2034年,毫米波5G对全球GDP的贡献将呈指数级增长态势,2034年将贡献5650亿美元的全球GDP、税收达1520亿美元,如下图。

按照ITU-R《5G愿景需求报告》的定义,5G系统至少要支持10-20 Gbps峰值速率。从目前韩国、英国等已经商用的5G网络来看,Sub-6 GHz频段5G系统尚无法达到ITU-R所设定的上述目标。

所幸的是,毫米波已经在几年前就开始成为5G发展的重要研究方向——3GPP在2018年12月发布的Rel-15(5G第一阶段标准)中已经对n257(26.5-29.5 GHz频段)、n258(24.25-27.5 GHz频段)、n260(37-40 GHz频段)、n261(27.5-28.35 GHz频段)的5G NR系统进行了标准化;此外,3GPP Rel-16正在进行52.6 GHz以上频段毫米波5G的标准化研究,将可提供高达2 GHz的带宽,并确定其潜在用例和部署场景。

毫米波5G有着丰富的潜在应用场景。欧盟在2019年10月份发布的《关于使用毫米波频段在欧盟部署5G生态系统的研究》指出,毫米波5G可用于大容量的eMBB服务(固定无线接入、高清视频通信、虚拟/增强/混合现实),5G前传/回传,包括汽车在内的垂直行业服务,其他交通运输(火车和公共汽车),制造/工业自动化,电网通信,智慧城市,医疗应用,公共安全。

GSMA协会的上述报告认为毫米波5G在2034年贡献的5650亿美元GDP中,23%源于工业自动化、18%源于远程对象操控、16%源于VR及会议、15%源于家中及办公室的高速连接、14%源于下一代交通连接、3%源于网络迅速部署/临时连接(如应急通信场景)、11%源于其他场景。

实现这些潜在应用的大前提,就是让毫米波5G通信系统部署成为现实。据5G微信公众平台(ID:angmobile)一直以来的观察,过去几年,Verizon、AT&T、美国国家仪器公司(NI)、高通、诺基亚、爱立信、三星等行业巨头持续扎实进行毫米波5G芯片、网络设备、终端的研发、验证及组网试验,截至目前,美国主流移动通信运营商已经在数十个城市部署了28 GHz、39 GHz频段毫米波5G网络,韩国三大运营商也已于2018年6月获得28 GHz频段的5G毫米波频谱,日本NTT DOCOMO、KDDI等运营商也一直在进行毫米波5G网络外场试验。

另据GSA协会在2019年10月底发布的数据,目前有112家运营商正在对24.25-29.5 GHz频段5G技术进行投资(含试验、预商用、商用),已有60款5G终端支持毫米波频段。

不过,上述还只是初级探索。全球范围来看,截至目前,毫米波5G产业链仍然处于早期阶段,无线网络主设备主要支持受到北美、日韩运营商青睐的毫米波频段,而且仅支持一些基本功能,移动性管理、波束管理等重要功能尚未成熟,高频器件性能、链路特性、波束赋型与波束管理算法、EMC(电磁兼容)等亟待完善。

国内看来,年底发布毫米波5G频谱规划后,产业发展就可以“有的放矢”了,势必要求毫米波5G标准、射频器件、设备研发进度加快,但是行业资深专家指出,在这些环节中很重要的“测试”方面,国内毫米波5G测试方案的可行性、可靠性、准确性、成本、效率等面临很多问题和挑战。

从5G网络设备、网络网关到5G终端,在产品开发到最终生产测试过程中的所有阶段,都需要部署可靠、稳定的测试方案——比如测试调制质量、射频放大器线性度、接收机信噪比、发射机效率等参数是否符合3GPP及运营商的规范,这是决定成败的关键。在基带部分,毫米波5G与中频段5G的成熟度相当,但是在射频部分,毫米波5G设备的功能、性能、测试方法等在目前是令业界很棘手的事。

一直以来,人们都认为射频工程是一项专业性非常强的技能,因为射频技术并不总是如预期那样工作,而射频工程就是为了征服这一技术难题;而且随着5G的出现以及5G所依赖的新通信架构方法的出现,射频工程的重要性也不断凸显出来。

由于使用毫米波来发射和接收信号,测试工程面临着诸多新挑战,比如可能会遇到当前Sub-6GHz移动通信技术未曾遇到的一些传播和信号路径问题,而且在设计新组件和半导体器件方面也会碰到许多全新的难题。技术与经验积累有助于高效解决这些新问题,5G微信公众平台观察到,几年前就积极参与全球主流运营商、芯片商、设备商毫米波5G技术与产品研发/验证/试验/预商用及商用等系列活动、打造了5G PXI平台等经典测试解决方案的NI公司,近期发布了毫米波5G设备测试工程指南,可谓业界的“及时雨”。

如下图所示,在从基带、数模/模数变换、中频到射频的上/下频变换、波束赋型、射频前端(FEM)、大规模天线阵列到空口的毫米波5G新架构中,NI给出了在规划5G设备测试方案时的一些可能测试点。

· IQ与IF测试

基带收发仪使用正交调制IQ波形,NI毫米波5G设备测试工程指南指出,对于此类波形,线性度、IQ信号校准和中频信号调理都是关键测试点。工程师需要能够使用高线性度测试设备,生成5G波形,并获得能够处理高带宽IQ波形的测试集。同样,通过上/下变频将IF转换为毫米波的射频收发仪需要严格的测试。信号完整性、放大器效率、输出功率以及去除无用谐波和相位噪声假象都是可能需要考虑的测试指标。

· 波束赋型与FEM测试

测量方面的挑战在于如何通过这些基于IC的新波束赋形组件(包括混频器、滤波器、功率放大器和低噪声放大器)和FEM来进行特性分析并获得出色性能。NI毫米波5G设备测试工程指南指出,要应对这一挑战,关键在于在维持能效的同时实现高带宽线性度。数字预失真(DPD)通常用于提高传输信号的线性度,但这要求测试设备能够生成和测量带宽5倍于所需值的信号,这远远高于4G测试系统的带宽要求。

此外,发送和接收路径的互易性也需要进行测试。例如,功率放大器进行压缩区时,就会产生幅移和相移。此外,可变衰减器、可变增益放大器和移相器等射频组件的容差可能在通道之间产生不均等的相移,这可能会影响FEM的相位相干性。

用于5G的波束赋形测试系统需要扫描宽频谱,并能够测试每条路径的最大线性输出和压缩行为。快速双向多端口开关测试解决方案是任何5G开发和生产测试环境的先决条件。

NI半导体营销总监David Hall分析,“功率放大器效率”是射频设计在当下的一个关键度量标准,对于由电池供电的设备而言十分重要。包络跟踪和数字预失真等技术可提高发射机功率放大器级的功率效率和线性度。要正确测量包络跟踪对功率放大器效率的影响,就先要对这些概念有基本的了解。

功率放大器通常在峰值输出功率下达到最高运行效率,这时会发生增益压缩。然而,许多移动通信标准采用的是具有较高峰值平均功率比(PAPR)的OFDM等调制技术,效率将显著降低。因此,包络跟踪技术就是为了控制放大器的工作,使其尽可能长时间地处于压缩临界区。通过控制放大器的供电电压,找出瞬时输出功率与最优化供电电压值的对应关系,确保PA接近压缩区。

这种方法提高了效率,但由于放大器的“非线性”行为,PA增益也可能随供电电压而呈函数变化。这种特定的非线性行为称为调幅-调幅(AM-AM)失真,它会随着供电电压的变化而变化。为了补偿AM-AM失真,可以使用数字预失真(DPD)算法,根据AM-AM失真曲线优化功率附加效率(PAE),使其尽可能达到理想值。在高动态环境中,DPD算法通常在高带宽设备上运行,例如现场可编程门阵列(FPGA)。

下图显示了一个基于NI RFIC特性分析解决方案的RFIC测试配置(用于测试RF PA包络跟踪和数字预失真指标)。该配置基于模块化PXI系统,将VSA、VST和其他模块集成到一个18槽PXIe机箱中。通过快速软件控制,该系统可以快速修改一系列参数,进而快速运行不同的测试。

截图的左上角显示了运行数字预失真算法的发射机(蓝线)和不运行数字预失真算法的发射机(红线)的功率输出曲线,以及射频调幅(绿线)对应供电电压(紫线)的包络跟踪曲线。底部面板显示了在不同输入功率条件下,采用(蓝线)和不采用(红线)DPD算法的幅度(AM-AM)和相位(AM-PM)差异曲线。最后一个面板显示了所执行测量的概要。

在测试解决方案中集成PXI嵌入式控制器模块(如下图),便可使用多个不同输入参数进行测试。控制器减轻了矢量信号收发仪(VST)等主要测试模块的测试任务控制负担。与台式计算机的自动化测试相比,使用嵌入式控制器可以大幅缩短每次测试的周期时间。

· OTA测试

大规模天线阵列技术在毫米波5G通信中的应用,使得被测设备的通道数极大幅度地增加,天线单元间的距离不断缩小,传统的传导测试方式已无法满足多天线设备的测试需求,OTA测试方式成为重要手段。

NI毫米波5G设备测试工程指南指出,空口(OTA)测试非常适合测量和分析毫米波5G波束形成器和FEM的实际性能特性。这些测试可用于确定待测设备(DUT)将其功率输出聚焦于特定方向上的能力,并检查波束赋型的质量。这需要利用空间扫描功能从0到360度扫描其中一个正交坐标,然后从0到180度扫描另一个正交坐标。

NI毫米波OTA参考解决方案(如下图)就是一种能很好满足上述要求的OTA测量系统。该系统包含用于波形生成和分析的NI高带宽毫米波矢量信号收发仪(VST)、高增益天线以及具有高精度实时运动控制定位器的射频电波暗室。

借助测试序列生成器,工程师可以对该解决方案配置,以便分析5G毫米波DUT波束成形功能的特性并对其进行验证。该解决方案还包含一套完整的软件,为测得的数据提供了一系列可视化选项,如下图中的范例所示。

【写在最后】笔者预计,随着WRC-19大会成功把毫米波频段标识给5G等国际移动通信使用,中国、欧洲、美国等主要移动通信市场将进一步加速出台毫米波5G频谱规划、加速标准化、加速高频器件研发和整机测试进度,亟需先进的测试解决方案予以支撑,NI毫米波5G设备测试工程指南的发布正当其时,极具应用价值。