5G標準未定給測試設備帶來哪些挑戰？

5G的三大主要應用場景包括增強型移動寬頻（eMBB）、大連接物聯網（mMTC）及低時延高可靠通信（uRLLC），不但能夠提升人與人之間的通信體驗，還能實現物與物的連接。不過，5G也面臨頻譜、傳輸網、時延、能耗、基站形態、天線等帶來的挑戰。在晶元、設備、運營商都積極推進5G商用的環境下，面對仍未完成的5G標準化和多樣靈活的應用，測試測量設備將如何加速5G商用步伐？

5G市場前景廣闊 測試設備重要性也隨之凸顯

GSMA預測，僅從移動網路看，5G將推動2020年全球移動業務從2016年的3.3萬億美元增至4.2萬億美元，屆時5G人口覆蓋率將超過三分之一。到2025年，5G連接將佔整體通訊行業的12%，連接數達11億，運營商收入的年複合增長率將達2.5%，即2025年創收1.3萬億美元。從宏觀經濟上看，5G在工業數字化和自動化的應用將推動未來五年全球GDP增長5%。

對此，法國MVG (Microwave Vision Group )集團ORBIT/FR歐洲有限責任公司總經理兼5G項目負責人AleksisAnterow在接受《華強電子》雜誌採訪時表示：「5G時代，它不僅會實現人與人的連接，智能手機與5G網路的連接，而是實現所有的物體的互聯。可以看到，不同的市場都有相關的應用，大量的物體都會通過無線連接到5G，這對於各行各業來說都是一個非常大的市場機遇。」

法國MVG集團ORBIT/FR歐洲有限責任公司總經理兼5G項目負責人AleksisAnterow

巨大的市場機遇自然會吸引產業鏈各方的積極布局，無論是射頻廠商陸續推出的GaN材料5G器件，還是去年高通推出的全球首款支持5G網路的晶元。國內三大電信運營商也不示弱，6月底，中國移動在廣州大學城開通全國首個5G基站，中國聯通首個5G新空口外場測試站點正式開通，中國電信則將在2019年建成若干規模預商用網。值得注意的是，測試測量設備在晶元商、通信設備商、電信運營商推動5G發展的過程中都發揮著重要作用。美國國家儀器（NI）負責射頻與無線業務的技術市場工程師屠方澤先生接受採訪時表示：「測試未到，原型先行，早在2010年，NI就和國內外知名的通信設備廠商和院校科研機構展開領先用戶的合作計劃。對於5G中提出的關鍵技術，包括Massive MIMO、高頻毫米波傳輸系統，超高密度網路(UDN)，以及多載波濾波(FBMC)在內的新型波形進行深入的合作，並推出原型樣機和軟體的參考設計平台。」

從需求的角度來看，5G測試設備的重要性又如何體現？「首先， 5G的標準隨著時間的推移，還會不斷地完善和發展，各個公司也希望他們的產品能跟著5G一起進入更多的市場，因此需要新的或者更多的測試設備。其次，針對5G需要做毫米波的測試，原來的傳統RF的測試（即同軸電纜的測試方式）已經不適用，真正需要的是在天線測試暗室進行毫米波的RF測試，因此無線測試設備的需求會增加。第三，到了5G時代，很多公司以前沒有應用無線、天線的經驗，這些公司也更加需要測試工具。MVG可以提供很好的解決方案和交鑰匙的系統工程，例如我們即將上市的測試產品StarLab 50GHz, 是全球首款用於高頻段測試的攜帶型一體多探頭系統，兼具多探頭系統的超精準性、超快速，同時可以測試高達50GHz的高頻段。」 Aleksis Anterow表示。

美國國家儀器（NI）負責射頻與無線業務的技術市場工程師屠方澤

標準未定給5G測試設備帶來哪些挑戰？

不同於4G標準化完成後再進行測試，5G標準化至今仍未完成。據悉，3GPP計劃在今年12月前把5G NR（New Radio）非獨立（NSA）標準凍結，2018年年中左右完成5G NR獨立（SA）模式的標準化。正如Aleksis Anterow所說，隨著5G標準的不斷完善和發展，很多公司需要更多的設備來應對，當然，測試測量設備廠商也面臨挑戰。屠方澤表示：「在之前2/3/4G協議的不斷演進和目前5G的標準進程中，我們可以觀察到：第一，測試硬體強調靈活性可以實現不同階段測試性能的提升，來滿足協議的不斷演進；第二，5G需要覆蓋sub-6GHz和毫米波的頻段，並且不同國家目前定義的毫米波頻段覆蓋也有不同，這就要求測試廠商可以有靈活可擴展的毫米波前端來支持多測件、多頻段範圍的需求；第三，對於測試效率的要求在不斷的提升，需要使用FPGA軟體定義信號處理的方式來提升測試效率。」

就5G的頻率問題，Aleksis Anterow補充到：「5G將部署在6GHz以上和以下的頻率。5G標準化正引領著在6GHz以上頻率範圍（毫米波頻譜）下進行射頻測試的革命性。過去使用RF連接器和同軸電纜進行的RF參數的測試將必須轉為通過OTA（空中有源）測試來進行。實施5G設備中的射頻技術架構將不具有射頻和天線之間的傳統射頻連接點，從而將傳統射頻測試實驗室的測試設置改變為使用天線測試範圍來測量射頻系統參數。這樣的參數示例是EVM（調製質量）、功率譜掩模、ACLR（相鄰信道泄漏比）和發射功率對時間。測試系統的設計必須能夠處理所需的測試是至關重要。這不僅需要覆蓋所需的頻帶，而且還要在測量室中的測試設備位置具有與5G Rf一致性要求規範兼容的動態範圍和絕對功率電平。」

因此，屠方澤表示：「實際上，3GPP在今年推出了比較激進的標準化進程，這就意為著無論是原型樣機還是測量儀錶，如果要跟隨協議的研究，需要進行快速的迭代。那麼軟體在5G測試中最重要的體現就是軟體定義無線電的架構。」

攻5G毫米波/MIMO關鍵技術 測試 廠商各出妙計

5G標準化的未完成已經給5G測試帶來了挑戰，為實現5G的高可靠、低延時、低功耗、大連接等特性，毫米波通道探測、Massive MIMO、超高密度網路，以及多載波濾波等關鍵技術的驗證挑戰也不可避免。「早在2010年NI成立射頻領先計劃的時候就把上述技術在內的新型波形研究作為關鍵技術。同時，在原型化的階段，我們也看到了這些關鍵技術對於未來測試設備帶來的挑戰，其中最重要的就是需要在測試設備上快速響應協議的變化，推出可以靈活擴展通道數量，自定義測試IP，靈活覆蓋射頻頻段的需求。」屠方澤對《華強電子》記者表示。

他同時表示：「以毫米波通道探測技術舉例，毫米波頻段的信道特性研究一直是5G運營商和科研機構的一個熱點，通過全面了解毫米波信道的特性才能更好的制定相關的通信協議。毫米波信道探測實際上是為了全面了解毫米波信道的特性。美國的運營商AT&T和NI合作推出了基於模塊化平台的毫米波信道測量平台。通過模塊化的硬體設計並加入FPGA處理能力，靈活的從SISO擴展到MIMO，並且正是由於FPGA的處理能力，所以將原來需要15分鐘的測量時間縮短到了150毫秒，完全實時的顯示測量結果，大大縮短測量信道的時間。另外，通過和國內外領先的通信設備供應商合作，NI推出了靈活的毫米波原型樣機已經提供可以覆蓋40GHz以上和40GHz以下的2GHz帶寬最大可擴展8X8 MIMO的毫米波原型樣機，並且提供相對應的單載波和OFDM的參考設計系統，從而面對New Radio的原型化和測試挑戰。」

Aleksis Anterow表示，一般來說將5G無線測試分為兩類：UERF測試和UE RRM（無線電資源管理）測試。UE RF測試作為視線測試執行，將測量參數整合為全部或部分球體，或在單個點測量。一些UE RRM測試需要更複雜的測試設置，在測試室內創建真實環境的通道模型。原因是RRM測試與用戶設備在真實網路中如何執行（例如從一個基站（gNB）移動到另一個基站）或者在大規模MIMO場景中被波束跟蹤的情況有關。潛在地，接入點可以用於通過導頻信道來廣播UE配置信息，例如使用與在現場實際網路設備部署相同的概念來指示UE固定波束。在表徵天線解決方案執行情況方面，僅測量過去使用的傳統天線參數（例如LTE中的TRP和TIS）是不夠的。相反，能夠快速找到光束的正確方向，用UE設備鎖定目標，通過波束成形等自適應地避免強幹擾源將是需要測量的重要系統參數，以確保產品性能得到優化。因此，測試系統需要能夠處理各種各樣的測試用例，從模擬動態通道環境中的相對簡單的RF參數到複雜的系統性能測試。用於5G毫米波的3GPP信道模型已經標準化，但該模型主要應用於系統級網路設計和網路規劃。對於設備開發的實驗室測試，還需要能夠在DUT（Device Under Test）位置模擬通道模型。在實際測試應用中，標準的3GPP模型太複雜，無法在實驗室環境中直接應用，它需要進行簡化。而如何定義與高級標準模型相關聯的這種簡化的信道模型，以期可在測試實驗室中更有效地實施起來，暫時還在3GPP的討論中。其最終的目標是能夠模擬設備在現場的表現。

因此，Aleksis Anterow認為：「Massive MIMO驅動了UE和gNB的複雜性增加。為了能夠測試具有移動設備和干擾源的設備中的性能和演算法，需要在測試實驗室中的DUT位置模擬多個gNB以及其他UE設備。而且這也需要能夠在結合其他移動設備和網路的干擾源的實際環境中，觀察測試設備如何執行，包括其演算法。」

5G應用場景靈活多樣 軟體無線電發揮重要作用

除了標準和關鍵技術，5G靈活多樣的應用場景也將給5G測試帶來不小的挑戰。Aleksis Anterow表示：「5G將在廣泛的市場和行業實現無線連接，遠遠超越LTE所及。這將帶來越來越多的測試場景和可執行的測試用例。有意思的是，5G被定義為可以針對許多不同應用進行優化的靈活標準，因此，測試系統需要靈活和可升級，以滿足現在和將來的需求。」

他由此認為：「軟體是產品的靈魂，將生命授予硬體，並將所有硬體連接到交鑰匙系統中。憑藉5G標準的靈活性和應用程序的多樣性，軟體變得至關重要，尤其需要確保開發產品的工程師能高效直觀地運行測試系統。本質上，軟體是測試設備的系統集成商，在實現一個靈活可升級的測試系統的同時帶來單盒一體的交鑰匙系統的效率。還需要強調的是，軟體需要確保升級和擴展，以支持5G協議的不斷演進以及越來越多的測試用例。MVG的軟體平台WaveStudio 是一款提供天線測量的數據和分析的專用軟體套件，它支持CTIA的所有無線通信協議並且符合3GPP測試標準，更能滿足和支持5G測試的特性。WaveStudio是通過帶有多探頭天線測量系統的自動化OTA測試實現的。它加快了輻射、傳導功率以及敏感性的測量，並且生成了符合標準機構提出的每項要求的報告例如CTIA和3GPP。」

屠方澤也表示，在如今的5G時代，軟體定義無線電的架構會起著舉足輕重的作用。通過軟體定義模塊化硬體的功能，用戶可以快速實現不同的測試功能，並應用定製數據分析演算法和創建自定義的用戶界面。相比於傳統儀器固定的功能限制和只是「測試結果」的呈現，以軟體為核心的模塊化儀器系統能夠賦予用戶更多的主動權，甚至將自主的知識產權（IP）應用到測試系統中。

另一方面，軟體定義無線電的架構也需要硬體設備有非常自主的開放性，可以靈活的更改相對應的功能模塊。例如，基於PXI/PXIe協議的開放平台通過靈活的更改PXIe機箱內的相關板卡就可以實現不同功能的測試，並且可以將射頻以及非射頻的測試需求在一個測試儀器中就完全滿足。

Aleksis Anterow還認為，除了測試系統中的技術挑戰之外，還存在與測試系統便利性和易用性有關的其他挑戰。以前沒有創建無線連接設備經驗的行業和公司將開始推出無線產品，這些企業將受益於高效和易於使用的交鑰匙測試系統，因為他們可以專註於創造優秀的產品而不是花時間學習和運作複雜的定製測試設置。隨著5G測試用例數量的增加，測試系統的速度也將變得至關重要，因為它會影響研發機構的靈活性和新產品發布的上市時間。

未來，測試的重要性也將顯著增加，這不僅體現在智能手機上進行語音通話或瀏覽互聯網的功能的測試，無人駕駛汽車、智能工廠的測試，還體現在健康和安全公共服務等關鍵應用中保證一切如預期般運作起來，讓設備和系統之間不受干擾，並在穩定的無線鏈接的情況下，把測試應用範圍從標準模型的認證測試延伸至與現實生活用例相關的全面測試。性能卓越的測試產品不僅適用於研發、原型驗證階段，也可以應用於生產階段，或者是售後支持階段的5G測試產品，通過軟體定義無線電架構應對不斷發展的標準以及多樣靈活的應用，最終加速5G的商用。

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