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基地台和元件中,部署并测试MIMO和波束成形技术的 3大挑战
[作者 是德科技]   2019年10月09日 星期三 浏览人次: [2564]

随着5G New Radio( NR)从标准和规格制定进入发展阶段, 多输入多输出(MIMO)和波束成形等技术的支援至关重要。工程师可在基地台和装置中,使用相 位阵列天线来部署MIMO和波束成形技术。实际上,这些主动式天线是克服信号传播问题的重要关键,例如毫米波频率的较高路径损耗。它们还能够针对特定使用者进行波束的动态塑形和控制。主动式天线可提供更高灵活性,并有效改善5G(尤其是在毫米波频率)的通讯效能。


在商用级无线通讯中部署主动式相位阵列天线,与前几代技术所使用的被动式天线截 然不同。MIMO和波束成形技术可增加基地台容量和涵盖范围。5G装置和基地台需在多个频段中(从低於6 GHz到毫米波频率)支援多天线技术,并须因应各种情境的要求,包括大量的物联网连接和极高的资料传输速率。


在5G基地台部署MIMO和波束成形,为设计人员带来多项艰钜的新挑战。若干重大障碍包括解决更高的毫米波路径损耗、透过空中传输(OTA)对3D天线波束场型进行射频效能验证,以及在真实条件下将基地台效能最隹化。真实世界的情况。工 程师需小心选择硬体和软体工具来模拟、设计和测试极其复杂的系统,其中包含数十或数百个天线元素。


5G里的MIMO和波束成形

实现MIMO的方式,可以在发射器上使用多个天线(以实现发射分集),在接收器上使用 多个天线(以实现接收分集),或者在发射器和接收器上均使用多个天线来达成。


单使用 者多输入多输出(SU-MIMO)技术,是利用两个或多个天线对一位使用者的资料进行多工处理,以提高特定使用者的资料速率。相对地,多使用者多输入多输出(MU-MIMO), 也就是大规模天线阵列(Massive MIMO)所采用的关键技术,是利用多个天线对多位使用者传输资料,藉此增加基地台容量。Massive MIMO透过在基地台上部署更多(通常数百个),且比基地台支援的使用者还多的天线元件,来实现 MU-MIMO。


5G 将藉由采用 MU-MIMO,从蜂巢式通讯转变成基於波束的无线通讯。波束成形是 MIMO 的一种特殊实现方式,利用多天线阵列,在各天线元件间设置特定间隔及特定相位/ 振幅偏移,以动态控制波束场型。天线元件的数量增加,且波形建设性地叠加,使辐射 能量变得更集中,而能有效增加对使用者的功率输送和信噪比(SNR)。对每个元件上的 信号进行归纳并套用相位偏移,可将波束的指向从正交方向改变为阵列。透过控制相位 偏移,电子式相位偏移可实现快速波束控制,无需机械操作。在波束成形技术中,聚焦波 束可将用户端设备(UE)的信噪比最大化,进而改善用於更高调变编码机制的通讯链路。(如图一所示)。



图一 : 设置更多天线元件和相位偏移来建立波束场型
图一 : 设置更多天线元件和相位偏移来建立波束场型

波束成形利用通道状态资讯(CSI)计算出各天线元件的特定权重,并套用即时状态变化来对目标UE的信号执行最隹化。换句话说,UE量测通道特性并告诉基地台该资讯,使基地台可藉以改变天线元件的相位和振幅,来抵消通道状况的影响。此过程可对发射信号执 行精准的控制,使得信号至目标 UE 达到最强,进而提升基地台的涵盖。



图二 : 4G指向天线和5G波束天线的辐射功率比较
图二 : 4G指向天线和5G波束天线的辐射功率比较

部署和测试MIMO所面临的3个关键挑战

航太与国防雷达和卫星通讯皆使用主动式相位阵列天线。这些天线阵列规模通常很大而且价格高昂,应用於商用级无线通讯更引入诸多全新挑战。



图三 : 典型军用雷达主动式天线阵列和新的毫米波5G天线阵列比较
图三 : 典型军用雷达主动式天线阵列和新的毫米波5G天线阵列比较

例如,第三代合作夥伴计划(3GPP)针对基地台规范的一连串测试,包括辐射发射器测 试和辐射接收器测试。根据基地台的配置,某些频率范围 1(FR1 410 MHz - 7.125 GHz)测试需执行电磁辐射测试,而所有频率范围2(FR2 24.25 - 52.6 GHz)测试皆需执行电磁辐射测试。


各种不同的发射器和接收器测试分类如下:


· 发射器:辐射发射功率、基地台输出功率、输出功率动态范围、发射信号ON/OFF功率、发射信号品质、不必要之发射和发射器交互调变。


· 接收器:叁考灵敏度位准、动态范围、频内选择性和阻塞干扰、频外阻塞干扰、接收器杂散放射、接收器交互调变和通道内选择性。


· PUCCH(实体上行链路控制通道)和 PRACH(实体随机存取通道)的效能测试,可验证基地台接收器对於特定SNR,在不同的多路径衰减传播条件下所能达到的传输速率。


请浏览3GPP技术规范TS 38.141-1和-2文件,以了解量测不确定性、测试方法、测试流程和测试要求。


由於采用了更高频率、更宽频宽和多元件主动式天线,基地台的相符性测试和过去的LTE测试有着明显差别,而且变得更具挑战性。现今的LTE测试解决方案很有限,不适用於5G的频率和频宽。5G NR中所使用的主动式天线阵列,必须采取创新的天线设计,而且需要新的测试方法来执行设计特性分析、先期认证和相符性测试。


以下列出几项重大的测试挑战:


1.对更高的毫米波频率路径损耗进行调适

在毫米波频率,路径损耗增加和信号缺损变得更为严重。毫米波信号传播的问题,大幅减少了信号的有效传播距离。因此,基地台将采用数百个天线元件来设计出高增益的指向型天线。


毫米波产品的测试解决方案,必须针对在更高频率和更宽的通道频宽进行调适,并且还 要解决毫米波频率增加的路径损耗。测试解决方案必须具有足够的SNR,以能准确侦测和解调5G信号。测试发射器时,信号分析仪的SNR至关重要,可确保准确的误差向量振幅(EVM)和邻近通道泄漏比(ACLR)量测。选择具有高动态范围的信号分析仪,对於克服SNR问题会很有帮助。



图四 : 采用系统级校验来修正接收器测试的通道响应
图四 : 采用系统级校验来修正接收器测试的通道响应

为了提高接收器测试解决方案的SNR,必须使用具备高输出功率和低EVM的向量信号产生器(VSG),以确保接收器能够确实侦测到信号并执行信号解调。此外,执行系统级校验很重要,能够修正量测频宽上的系统相位 和振幅偏移。图四绘示修正後的波形对於待测装置(DUT)平面通道响应的影响。这需用到功率计/感测器、信号分析仪,或网路分析仪来量测频率响应。测得的资料随即用於信号发生器,并在整个频宽上预先修正波形。


2.透过空中传输进行 3D 天线波束场型的射频效能验证

绝大多数5G MIMO测试都是透过空中传输(OTA)来进行的。在开发早期,OTA测试解决方案必须在天线涵盖范围内对3D波束特性进行分析,包括完整5G频率和频宽范围的天线增益、旁瓣和零深度等等。


电磁辐射先期认证和相符性测试需要经过校验的OTA测试解决方案,後者须涵盖3GPP TS 38.141文件中的所有规范要求。须执行的关键测试如下所列:


· 辐射发射器特性测试需执行有效的等向性辐射功率(EIRP)OTA量测,以验证频率范围内每个波束是否准确成形和其辐射功率大小。


· 调变品质测试可量测出测得的载波信号和空中传输的叁考信号之间的差异,并以误 差向量振幅(EVM)来表示。


· 频外量测是指测试解决方案必须包含第二谐波,或是目前规范的 OTA 60 GHz,甚至未来还会高达100 GHz 以上。这是因为不断会有新的更高频率操作频段加到规范中。


辐射接收器测试包括如动态范围、选择性和阻塞干扰等等量测,以测试接收器在有相邻 干扰信号的情况下,它在其指定通道频率接收所需信号的能力。此测试设置中需要多个高输出功率的毫米波信号产生器,以克服毫米波的高路径损耗。


毫米波频率的OTA测试系统要求测试设备不仅要满足频率和频宽要求,还要具备(优於待测装置的)高效能,以能正确评估待测装置的射频特性。


3.最隹化基地台在真实世界情况的效能

5G需操作在更高频率,具有更宽的通道频宽,并使用多元件相位阵列MIMO技术来进行存取。这些环境中,信号传播问题比比皆是,例如过高路径损耗、多路径衰减,及恐 严重影响系统性能的延迟传播。工程师在进行5G设计评估时必须考量这些缺损,以确保在真实的衰减和干扰通道条件下能具备有效的系统性能。


要在现场执行这些类型的测试,需花上几周,甚至几个月来评估必须测试的实际地点有 哪些。将通道模拟器加进测试设置可加速您进行评估,并以MIMO技术所使用的真实同调复杂3D传播通道来分析完整的端到端性能。


图五显示透过结合网路模拟器和通道模拟器,可在实验室环境中模拟真实的无线电条件。它还包括毫米波收发模组,可在毫米波 操作频段进行测试。这种测试设置对於进行不同通道条件的MIMO天线特性评估和设计最隹化很有帮助。



图五 : 将网路模拟器结合通道模拟器和射频收发模组。可在真实通道条件下进行基地台效能评估和最隹化
图五 : 将网路模拟器结合通道模拟器和射频收发模组。可在真实通道条件下进行基地台效能评估和最隹化

结语

MIMO和波束成形是5G的关键技术。虽然必须采用主动式相位阵列天线来克服信号传播问题,但这项技术也带来了许多新的测试挑战。


为了部署具备多元件相位阵列天线技术的基地台,设计人员需解决更高的毫米波路径损耗,验证OTA上3D天线波束场形的射频特性,并且在真实条件下将基地台效能最隹化。工程师需要的测试解决方案,需能涵盖宽范围的频率和频宽要求,同时透过高输出功率来 实现更高SNR的多通道配置,使基地台能够侦测到5G信号并执行信号解调。理想的测试解决方案提供灵活性和可扩充性,以满足举凡特性分析到OTA验证的多种5G测试要求,并能采用真实的通道条件将设计的系统性能进行最隹化。


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