5G требует нового подхода к тестированию беспроводной сети

Чарльз Шредер

5G может существенно изменить нашу жизнь, говорит Чарльз Шредер, научный сотрудник National Instruments по бизнесу и технологиям. От улучшения бизнес-коммуникаций до более умных домов и заводов и до достижений в области автономных транспортных средств. Чтобы обеспечить такие преобразования, беспроводные устройства 5G должны быть быстрее, иметь меньшую задержку и иметь беспрецедентные возможности подключения по сравнению с предыдущими поколениями. В результате они будут более сложными по своему составу, и поэтому потребуется новый подход к тестированию

Раньше инженеры-испытатели повторяли принятый набор измерений и методов для тестирования технологий беспроводной связи в больших объемах, от радиочастотных полупроводников до базовых станций и мобильных телефонов. С 5G технология внутри этих беспроводных устройств станет более сложной, поэтому необходимо будет переосмыслить высокооптимизированные методы, которые использовались для тестирования предыдущих поколений. Для проверки эффективности технологии 5G потребуется тестирование компонентов и устройств 5G с помощью беспроводных (OTA) методов вместо используемых в настоящее время кабельных методов.

Новые технологии для увеличения пропускной способности

Одна из основных целей стандарта 5G - значительно увеличить емкость данных до 10 Гбит / с на пользователя, чтобы удовлетворить возросшие потребности пользователей в данных. Но для этого внедряются новые технологии. Во-первых, спецификация 5G включает технологию Multiuser MIMO (MU-MIMO), которая позволяет пользователям одновременно использовать одну и ту же полосу частот с помощью технологии формирования луча, создавая уникальные, целенаправленные беспроводные соединения для каждого пользователя. Во-вторых, стандарт 5G добавляет больше беспроводного спектра, расширяясь до частот сантиметрового и миллиметрового (mmWave) диапазона.

В физических реализациях технологий MU-MIMO и mmWave используется значительно больше антенных элементов, чем в стандартах сотовой связи предыдущих поколений. Законы физики диктуют, что сигналы на миллиметровых частотах будут ослабляться значительно быстрее при прохождении через свободное пространство, чем сигналы на текущих сотовых частотах. Таким образом, при аналогичном уровне передаваемой мощности сотовые частоты миллиметрового диапазона будут иметь гораздо меньший диапазон, чем современные сотовые диапазоны.

Чтобы преодолеть эти потери на трассе, передатчики и приемники 5G будут использовать антенные решетки, работающие одновременно и использующие технологию формирования луча для увеличения мощности сигнала вместо одной антенны на полосу в существующих устройствах. Хотя эти же антенные решетки и методы формирования диаграммы направленности важны для увеличения мощности сигнала, они имеют решающее значение для реализации методов MU-MIMO.

Чтобы установить все эти антенны в мобильные телефоны завтрашнего дня, антенны на миллиметровых волнах будут намного меньше, чем антенны сотовой связи, используемые для текущих стандартов. Новые упаковочные технологии, такие как "антенна в упаковке" (AiP), упростят интеграцию этих антенн в ограниченное пространство современного смартфона, но массивы антенн могут быть полностью закрыты без каких-либо контрольных точек с прямым контактом.

Как OTA может решать новые задачи

Для инженеров-испытателей повышенные частоты, новые технологии упаковки и большее количество антенн затруднят поддержание высокого качества, ограничивая при этом увеличение как капитальных затрат (стоимость испытательного оборудования), так и эксплуатационных расходов (время для тестирования каждого устройства). Новые методы OTA помогут преодолеть эти проблемы, но также создают несколько проблем.

Во-первых, возникнет проблема с точностью измерения. В отличие от испытаний по кабелю, при проведении измерений OTA инженеры-испытатели будут иметь дело с дополнительной неопределенностью измерения, связанной с калибровкой и точностью антенны, допуском крепления и отражениями сигнала. Во-вторых, новые измерения должны быть интегрированы в планы испытаний устройств для интеграции безэховой камеры, определения характеристик луча, расчета оптимальной кодовой книги и определения параметров антенны.

В-третьих, по мере того, как полосы пропускания РЧ продолжают увеличиваться, потребности в обработке для калибровки и проведения измерений в этих широких полосах пропускания также возрастают, что увеличивает проблемы, связанные со временем тестирования. Наконец, менеджеры по тестированию должны учитывать дополнительные бизнес-соображения, чтобы гарантировать качество продукции, сводя к минимуму влияние на время выхода на рынок, капитальные затраты, эксплуатационные расходы и площадь пола (для размещения камер OTA).

Хотя OTA создает проблемы, он также предлагает преимущества. Во-первых, OTA - единственный вариант для технологий AiP, потому что антенные решетки интегрированы внутри корпуса без возможности прямого подключения кабеля к элементам массива. Даже если бы инженеры-испытатели могли связаться с отдельными антенными элементами, используя методы проводимых испытаний, они столкнутся с трудным выбором:тестировать их параллельно или тестировать последовательно (за счет эксплуатационных расходов на время тестирования и пропускную способность). Многие технические проблемы еще предстоит решить, но тест OTA предлагает возможность тестирования массива как системы вместо набора отдельных элементов, что может привести к более высокой эффективности тестирования на уровне системы.

В прошлом поставщики испытательного оборудования и инженеры успешно справлялись с задачей повышения производительности и сложности испытаний при одновременном сокращении времени выхода на рынок и стоимости испытаний. Итак, я абсолютно уверен, что они смогут сделать это снова для 5G. Хотя сегодня задачи тестирования 5G выглядят сложными, инженеры по всему миру добиваются больших успехов в разработке новых инструментов и методов тестирования, таких как OTA, которые необходимы для обеспечения коммерческого успеха 5G завтра.

Автор - Чарльз Шредер, научный сотрудник по бизнесу и технологиям, National Instruments