5G技术及测试测量的挑战

作者 / 王莹 王金旺 《电子产品世界》编辑(北京 100036)

摘要： 5G发展日新月异，目前已具备可实现的目标和可实施的标准，通信行业将要开始5G部署工作。与此同时，业内会面临许多技术及测试测量方面的挑战。为此，本媒体邀请部分5G从业厂商，探讨5G最新技术进展及解决方案。

5G芯片及IP

5G MIMO系统能力将持续提升

　　目前，5G行业的焦点在于增强移动宽带，向更高网络容量和更高吞吐量发展。增加蜂窝基站容量可通过三大措施实现：获得新频谱、提高基站密度和改善频谱效率。虽然我们看到新频谱继续增加，网络密度不断提高，但仍然需要改善频谱的使用。大规模MIMO已被证实能够使移动数据吞吐量提高3至5倍，并且还将继续提高。目前全球许多移动运营商已开展5G大规模MIMO试验，预计在2019年至2020年，各个地区将开始该技术的商业部署。

　　5G的部署无论是对小蜂窝系统还是大规模MIMO系统都面临功耗、尺寸和重量等多方面的挑战。例如在小蜂窝系统中过去的单频段到现在需要支持三四个频段，在大规模MIMO系统中将从普通8T8R TDD RRU(射频拉远单元，8个发射器，8个接收器)扩展为64 T64R系统或128T128R系统，系统尺寸、重量和功耗都可能成倍增长。

　　ADI 5G产品策略及解决方案

　　ADI在2014年收购了讯泰(Hittite)这家微波技术企业后，射频微波技术获得了更大的加强，产品组合覆盖从DC至100 GHz的频率范围的整个信号链，针对通信、测试与测量仪器仪表、工业以及航空航天市场应用，ADI提供了完整的信号链解决方案。此外，ADI收购linear后能够对整个通信系统提供全套的高性能电源解决方案。

　　为帮助客户克服未来通信技术面临的挑战，ADI打造了RadioVerseTM无线技术及设计生态系统。在RadioVerse的设计环境里面的软件、仿真器可以很好地帮助客户在整个一站式服务中更快地完成系统设计。

　　RadioVerse生态系统提供的器件组合能帮助企业快速完成5G产品开发。例如AD9371集成收发器就将集成度突破性地大幅提高，把将近20个芯片等外围的分立器件集成到单个芯片中，成功地把整个系统的面积缩小近一半，而且把信号链的功耗降低一半，可以在5G小蜂窝中发挥很大的作用。另外一款器件——AD9375是ADI 2017年发布的集成数字预失真(DPD)的高度集成宽带射频收发器，可以很大程度上减少系统功放的功耗，并减少和前面数字处理器的很多高速串行接口的功耗。

硅基氮化镓为5G带来更高效的方案

　　5G的出现促使人们重新思考从半导体到基站系统架构，再到网络拓扑的无线基础设施。在半导体层面上，硅基氮化镓的主流商业化为显著提高射频性能敞开了大门，其中包括增加功率放大器的功率密度，以及缩小器件尺寸，并最终节省系统空间。此外，与传统技术相比，硅基氮化镓可以提供更高的效率，从而降低整体功耗。在硅片生产平台上实现氮化镓可以在批量生产水平上达到与LDMOS相当的经济实惠的成本结构，并且在某些射频市场上低于碳化硅基氮化镓的成本结构。与此同时，氮化镓的用例已经扩展到面向宏基站等大功率射频应用的分立式晶体管。氮化镓作为独立MMIC(单片微波集成电路)器件时发挥着关键作用，同时也是5G和M-MIMO系统模块的关键元件。

　　硅基氮化镓的突出特点是能够最终集成芯片级的增强功能，可以实现额外的性能优势和空间优化。其硅基底支持氮化镓器件和基于CMOS的器件未来在单一芯片上均匀集成，由于固有工艺限制，氮化硅基氮化镓不具备该能力。这为多功能数字辅助射频MMIC集成片上数字控制和校准以及片上配电网络等奠定了基础。

   MACOM支持5G实现的射频产品

　　MACOM丰富的5G产品涵盖从分立元件到全集成前端模块的各种解决方案。其中包括获得专利的硅基氮化镓技术、专有开关技术以及相干波束成形技术。

　　预计MACOM的产品组合将支持6 GHz以下的无线基础设施(宏基站或大规模MIMO架构)，其全面的技术和产品阵列可以为发射和接收链路提供理想的解决方案。随着5G转向毫米波，MACOM还拥有提供高频技术的工具，以支持应对遇到的挑战性设计问题。对于开发支持5G波束成形能力的高级天线阵列的客户而言，射频创新的这种传统是十分宝贵的资产。

Massive MIMO无线解决方案更适用于5G

　　基于5G的发展和需求， Massive MIMO(mMIMO)无线解决方案一直被认为是5G的关键技术之一，是唯一可以十倍或以上提升系统容量的无线技术。针对mMIMO无线解决方案，从之前的原型机到今后的实验网乃至大规模商用部署，低成本、高集成、高效率成为mMIMO无线解决方案的几个重要趋势。

　　顾名思义，mMIMO是基于多通道的解决方案，在sub-6GHz的mMIMO方案中，会有64通道、32通道以及16通道等方式。在微波频段的mMIMO方案中，甚至会大于64通道。相比目前的4G网络，5G通道数量将有明显增加，这将直接导致整机的成本大幅提高。在这样的背景下，对于大规模商用部署，低成本方案就变得尤为重要。

　　对于整机设备的小型化、轻型化要求，提供高集成度的芯片解决方案成为5G演进过程中的迫切需求。目前全球各个主流设备商都在不断探索新的、更高集成度的解决方案以适应市场的需求。另一方面，高集成度也是降低整个系统成本的有效方式。

　　对于5G网络的覆盖和整体网络性能的提升，足够的发射功率是一个必要的指标。目前限制整机发射功率的一个关键因素是mMIMO系统的效率还有待进一步提高，降低热耗，以实现更高的输出功率，满足各大运营商对于网路优化的诉求。

　　Qorvo一直致力于提供5G无线射频的全套解决方案。并在低成本、高集成、高效率等方面持续开拓。采用譬如SOI、新一代GaAs等新工艺来降低芯片成本。推出Sub-6GHz和微波频段的5G射频前端模块。并且运用GaN和GaAs工艺，实现超低功耗的5G射频放大器和射频驱动器。实现整个通道效率的优化。

Xilinx的RFSoC应对5G更高性能要求

　　采用 Massive MIMO 等新技术以及分离基站架构的 5G 空中接口日趋复杂化，这将导致远端射频单元的成本与功率损耗大幅增加。实际上这一挑战是一个机遇，而不是阻力，赛灵思(Xilinx)能够借此机会推广新型集成技术(RFSoC)，该技术的设计用于应对5G发展面临的集成、功耗和复杂性态势。

　　该趋势将增加远端射频单元的复杂性。这会增加远端射频单元的成本和功耗。从芯片角度来看，我们正在实现更高水平的集成，多个RF部件(DAC/ADC)的集成需要经过广泛的仿真和测试。

　　针对此，赛灵思公司推出了全新系列集成数据转换器。高速DAC和ADC的集成不仅能减少构建系统所需的组件数量，而且对整体系统的成本和功耗也会产生巨大影响。

　　RFSoC可将多达16个DAC/ADC集成到单一芯片之中，从而提供可满足5G市场发展要求的高效、优化(功耗/成本/面积)解决方案。在量产器件(2018 年 6 月)投放市场之前，赛灵思已对一组测试芯片进行了使用测试。目前，5G市场中多家关键的领先系统供应商已经采用了该芯片。

5G的应用场景的多样性要求软硬件功能平衡

　　5G-NR所针对应用情况的多样性是CEVA认为最具挑战性的特性。虽然eMBB现在于版本15中相当稳定，但mMTC和URLLC很可能会带来新的基带调制解调器挑战，这可能要求我们当前的eMBB和蜂窝IoT平台进行重大的架构改变。

　　5G-NR终端调制解调器IP的主要设计挑战就是构思最佳的体系结构，不仅要应对涵盖5G-NR用户和数据平面带来的巨大计算复杂性，还要能够灵活适应全新3GPP版本，且具有multi-RAT能力，能够同时运行5G-NR sub-6GHz和mmWave调制解调器或传统LTE和3G调制解调器，以及eMBB终端所需的低功耗特性，同时以最佳折衷实现上述功能。

　　这需要使用经过精心设计的CPU、DSP、专用任务处理器和硬件加速器来实现软件和硬件功能的合适平衡。

　　CEVA的5G解决方案

　　为解决这些UE 5G-NR基带调制解调器难题，CEVA提出了许多创新举措，比如：

　　1)当使用先进的高阶MIMO均衡算法时，使用基于神经网络的AI处理器用于5G-NR链路的自适应任务;

　　2)用于大规模MIMO波束成形和信道估计处理的可编程矢量协处理器;

　　3)利用增强的矢量DSP指令集实现更高效的5G-NR CSI和均衡任;

　　4)用于LDPC和Polar编码器和解码器的硬件加速器。

5G测试

Massive MIMO天线及毫米波终端测试进展

　　为了实现在未来5G规划的3个场景：eMBB、 mMTC和uRLLC，在5G的网络框架和空中接口都必须是灵活的结构，以应对不同的场景需求，需要更多的频谱。在5G的频谱规划中，有低频段的Sub-6 GHz，又有规划中的毫米波如26 GHz、39 GHz频段等，中国政府基本明确了未来的5G频谱规划。

　　5G标准与OTA测试方法

　　按照产业成熟的先后顺序，有了5G标准，最先推出的应该是5G网络系统设备，而5G芯片和终端应该是商用的最后环节。测试设备是5G生态必不可少的一环，终端设备的标准符合性或者一致性测试是移动通信技术商用的基石之一。测试设备应该与芯片和终端商用同期推出， 来支撑5G商业化的发展。

　　5G的新技术之一是基站的Massive MIMO，如何测试和评价基站Massive MIMO系统的性能对5G商业化中实现和满足设计的系统容量和效率的提高有很重要的作用。由于天线阵面较大，传统的远场测试成本很高，寻求行业内达成共识的较低成本的测试方法同时能够正确地评估Massive MIMO性能很重要。

　　5G网络部署是一个漫长的过程，5G不会独立存在， 5G和4G等技术的演进关系和融合组网都很重要，尤其对于终端测试而言，测试仪表与4G等技术的融合显得格外重要，5G和4G的频谱组合场景非常复杂。5G-NR构造了全新的5G灵活空中接口，eMBB需要更高的传输带宽，URLLC需要更低的时延，还要兼顾到未来的5G 毫米波的高带宽，5G终端测试会更加复杂。

　　未来5G毫米波的测试将难以采用传统的连线测试，只能采用OTA的测试方法。OTA的测试方法和测试技术正在快速的发展中。

　　R&S公司5G测试解决方案

　　传统上微波毫米波频段主要应用在国防军工领域，R&S(罗德与施瓦茨)公司已经向中国市场提供过超过500 GHz的测试设备用于科学研究等方面。在应对5G未来测试挑战方面，R&S公司已经和全球合作伙伴一起进行了大量的5G预研工作。R&S公司的矢量信号源SMW200A能够提供内置2 GHz带宽的各种标准的和5G-NR信号，单台最高频率达到40 GHz，在更高的频段可以采用R&S的信号源频率扩展单元SZU来产生更高的毫米波频段5G信号。R&S公司的矢量信号分析仪FSW能够提供2 GHz的分析带宽，在极高的接收灵敏度和线性范围下分析和测试5G-NR信号，时域及调制域的特性，单台频谱分析仪FSW能够达到85 GHz的应用频率，完全满足5G的各种射频信号的测试要求。R&S公司的矢量网络分析仪ZVA系列能够提供到500 GHz的各种毫米波参数的测试，矢量网络分析仪ZNBT多通道矢量网络分析仪能够提供单台48通道的射频参数测试，可以用来校准5G的大规模阵列天线的射频收发单元。

　　在Massive MIMO天线的OTA测试方面，R&S公司正在推广R&S的5G基站阵列天线的OTA测试方案。在5G毫米波方面，可利用AST1000内置转台的小暗室实现5G毫米波终端的OTA测试。

5G的sub-6GHz及毫米波频段测试方案

　　从频段的角度，我们看到的5G的发展趋势有sub-6GHz(低于6 GHz频段)和毫米波频段通信。由于频段特性的区别，两种方式需要的测量方式和测试挑战也有一定区别。

　　Sub-6GHz的测量方式和原有4GHz的测试方式是比较类似的，使用传导测试或者射频线缆相连的方式进行测量。测试测量的的难度集中在两点，协议的变化和测量带宽的增加。针对这两部分，NI于2018年初就推出了最新的RFmx NR测量参考设计方案，符合3GPP NR协议。在硬件架构上，使用最新一代的矢量信号收发仪PXIe-5840支持1 GHz信号带宽的收发，符合3GPP中对于sub-6GHz 400M带宽的需求。 另一方面，NI也关注到了5G测试中的一个隐形的测试需求，由于带宽和协议复杂性的增加，必须有新的测试方法和测试技巧来减低测试时间，保证测量效率的提升。NI 矢量信号收发仪中集成FPGA模块，通过FPGA运算来减低原有CPU运算所需的测试时间，从而提升整体测试效率。通过上述的架构，NI能帮助诸如Qorvo在内的芯片公司实现目前在实验室的5G芯片的研发，使用同样的测试方案，也可以更顺利地过渡到未来的量产测试中。

　　毫米波频段测量，由于毫米波频段芯片的尺寸将大大的降低，目前我们看到业界的毫米波芯片会集成毫米波天线，从而在6 GHz以下使用的传导测试等方案不在使用于毫米波频段芯片的测量，毫米波频段通常需要OTA (Over-the-air)的测试方法。在毫米波频段上，我们看到以下几个趋势：

　　● 3GPP规定的毫米波频段为非连续频段，不同国家和地区有不同的频段选择;

　　● 毫米波频段需要满足高带宽的需求;

　　● 测试成本是毫米波频段芯片测量中必须要考量的关键点之一。

　　实际上从2010年开始，NI就开始了射频领先用户计划，关注5G技术在内的前沿通信技术，毫米波通信无疑是一个重点方向。在通过和Nokia、Samsung、ATT、Verizon等设备商和运营商的合作中，共同推进毫米波系统协议、信道测量、测量技术和测量IP的发展。比如在2017年，NI就和Verizon实现了第一个V5G协议的硬件原型化系统;在2018年MWC(世界移动通信大会)上，也有NI和三星公司在外场测试的合作计划。通过模块化硬件的方式，可以最优实现毫米波频段的信号原型和信道测量工作。在未来的芯片测试方案，NI模块化毫米波平台也可以帮助客户很好的实现从实验室验证到量产测试的全覆盖，提高测试效率，降低测试成本。

　　参考文献：

　　[1]王志勤,余泉,潘振岗,等.5G架构、技术与发展方式探析[J].电子产品世界,2016(1):14-17.

　　[2]Ron Wilson.5G：能听到我的呼唤吗?[J].电子产品世界,2017(5):15-17.

　　[3]屠方泽.5G面临的测试挑战及解决方案[J].电子产品世界,2017(5):18-19.

　　[4]王莹.5G的影响、战略与机遇[J].电子产品世界,2017(9):4-7.

　　[5]李峰.5G毫米波和超宽带功率放大器EVM测试的挑战和解决方案[J].电子产品世界,2017(10):31-34.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第6期第10页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。