5G 正裹挾著萬(wàn)億級(jí)的移動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈和千萬(wàn)級(jí)的就業(yè)機(jī)會(huì)向我們迎面撲來(lái)，一時(shí)通信武林風(fēng)起云涌，江湖群雄趨之若鶩，超過(guò) 81 個(gè)國(guó)家中多達(dá) 192 個(gè)運(yùn)營(yíng)商宣布投入 5G。

5G 時(shí)間軸——關(guān)鍵里程碑事件

規(guī)范層面，從 17 年 12 月份 5G NSA 凍結(jié)以來(lái)，物理層規(guī)格在一步步形成，整個(gè) R15 規(guī)范側(cè)重于增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）和超高可靠超低延遲通信（uRLLC）。這些新規(guī)范給器件和元件設(shè)計(jì)人員帶來(lái)諸多新的挑戰(zhàn)。

下面我們就來(lái)探討下 5G 設(shè)備設(shè)計(jì)和測(cè)試最主要的四個(gè)方面：

01 靈活且繁復(fù)的參數(shù)集

R15 規(guī)定了最高 400 MHz 的最大載波帶寬和最多 16 個(gè)分量載波，這些載波可以匯聚到高達(dá) 800 MHz 的帶寬。與此同時(shí)，5G NR 提供了可靈活配置的波形、參數(shù)集、幀結(jié)構(gòu)和帶寬組合，也帶來(lái)了復(fù)雜的信道編碼，信號(hào)質(zhì)量挑戰(zhàn)以及繁多的測(cè)試用例。

相對(duì) 4G，5G NR 允許可擴(kuò)展的 OFDM 參數(shù)集其子載波間隔可由 2uX15kHz 控制，最終可以通過(guò)可擴(kuò)展的時(shí)隙間隔來(lái)提供不同等級(jí)的吞吐率、時(shí)延和可靠性服務(wù)。

5G 三大場(chǎng)景之一的超高可靠超低時(shí)延（uRLLC）部分就是通過(guò) mini-slot 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，Mini-slot 可提供比標(biāo)準(zhǔn)時(shí)隙更短的時(shí)延和載荷。NR 子幀結(jié)構(gòu)還允許在同一子幀內(nèi)動(dòng)態(tài)分配 OFDM 符號(hào)鏈路方向和控制。

通過(guò)使用這種動(dòng)態(tài) TDD 機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)可以動(dòng)態(tài)地平衡上行和下行業(yè)務(wù)需求，并且在同一子幀中包含控制和確認(rèn)。

子幀內(nèi)的時(shí)隙和 Mini-slot 及其相關(guān)的持續(xù)時(shí)間

子帶寬部分(BWP)是 5G NR 標(biāo)準(zhǔn)新定義的一個(gè)概念, 是指載波的系統(tǒng)帶寬可以根據(jù)不同場(chǎng)景需要分成若干子帶寬。每個(gè) BWP 可以具有不同的參數(shù)集, 并且信令控制也是獨(dú)立的。

一個(gè)載波可以包含若干混合的參數(shù)集來(lái)支持不同層級(jí)的業(yè)務(wù)，并支持傳統(tǒng)的 4G 設(shè)備和新的 5G 設(shè)備。

BWP 可以在載波中支持不同業(yè)務(wù)的復(fù)用

綜上，5G NR 具有靈活可擴(kuò)展的參數(shù)集伴隨著不同的子載波間隔、動(dòng)態(tài) TDD 和 BWP，增加了創(chuàng)建和分析波形的復(fù)雜度。因此，在 sub-6GHz 和毫米波頻段通過(guò)軟硬件結(jié)合來(lái)生成更大帶寬的用于不同測(cè)試用例的波形并從時(shí)域、頻域和調(diào)制域來(lái)分析 5G NR 波形就尤為重要。

使用矢量信號(hào)分析軟件分析相鄰頻段里 5G NR 和 4G LTE 波形

02 毫米波段的使用

為了實(shí)現(xiàn)宏偉的數(shù)據(jù)吞吐率目標(biāo)，5G NR 不單在 Sub-6GHz 定義了新的頻段，更是將工作頻段擴(kuò)展到了毫米波頻段，從而大大拓寬了可用的信道帶寬。而在毫米波頻段信道對(duì)于對(duì)于信號(hào)質(zhì)量的影響變得更為顯著，從而滿(mǎn)足信號(hào)質(zhì)量也變得愈加困難。

部分 Sub-6GHz 和毫米波頻段及預(yù)計(jì)商用時(shí)間

諸多因素會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量，包括基帶信號(hào)處理、調(diào)制、濾波和上變頻等。雖然帶來(lái)更大的連續(xù)可用帶寬，毫米波頻段的基帶和 RF 組件也更容易受到常見(jiàn)信號(hào)的干擾。而因?yàn)?OFDM 系統(tǒng)的固有特性，諸如 IQ 調(diào)制損害、相位噪聲、線性和非線性失真以及頻率誤差都可能導(dǎo)致調(diào)制信號(hào)的失真。

在毫米波 OFDM 系統(tǒng)中，相位噪聲的影響尤為明顯，過(guò)大的相位噪聲將直接導(dǎo)致子載波間的相互干擾最終導(dǎo)致信號(hào)的嚴(yán)重失真。此外，寬帶信號(hào)電路中的任何偏離，如相位、幅度或噪聲，最終都將在系統(tǒng)的 EVM 等指標(biāo)當(dāng)中呈現(xiàn)出來(lái)。從而性能的優(yōu)化和問(wèn)題的解決只能靠每個(gè)器件在寬帶和毫米波頻段的良好設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)保障。

對(duì)于測(cè)試驗(yàn)證設(shè)備則需要具有全面的功能和更好的性能以確保正確呈現(xiàn)諸如星座圖、EVM、雜散功率、雜散泄露、占用帶寬和鄰道功率比等的測(cè)試結(jié)果。另外，在高頻寬帶測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試夾具、線纜、濾波器、耦合器、功分器、預(yù)放以及切換開(kāi)關(guān)等的性能和指標(biāo)將對(duì)測(cè)量結(jié)果造成至關(guān)重要的影響，因此需要在測(cè)試前對(duì)包含配件的系統(tǒng)進(jìn)行整體校準(zhǔn)。

5G NR 器件 / 設(shè)備綜合測(cè)試平臺(tái)（包含整體系統(tǒng)校準(zhǔn)方案）

03 天線系統(tǒng)的革新

MIMO 和 Beamforming 是 5G 當(dāng)中被談?wù)摰米疃嗟募夹g(shù)，IMT2020 希望它的引入能夠帶來(lái) 100X 的數(shù)據(jù)吞吐率和 1000X 的信道容量。

為此 5G  NR 標(biāo)準(zhǔn)提供物理層幀結(jié)構(gòu)、新的參考信號(hào)和新的傳輸模型來(lái)支持 5G eMMB 的數(shù)據(jù)吞吐率，同時(shí)也給終端設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了新的難題。這些難題包括：

3D 天線波束方向圖設(shè)計(jì)和驗(yàn)證 

3D 波束性能驗(yàn)證包括構(gòu)建并驗(yàn)證天線的 3D 輻射方向圖并確保整個(gè)工作頻段和帶寬范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生正確的增益、旁瓣和零點(diǎn)。由于毫米波原型系統(tǒng)構(gòu)建價(jià)值不菲，仿真必不可少并提前發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的重大問(wèn)題。而合理構(gòu)建天線系統(tǒng)并結(jié)合信道模型和基站連接進(jìn)行仿真能夠在原型設(shè)計(jì)階段中減少重復(fù)和反復(fù)性的工作和花費(fèi)。

系統(tǒng)級(jí)的仿真系統(tǒng) SystemVue 可幫助設(shè)計(jì)者在原型階段快速迭代和驗(yàn)證

在設(shè)計(jì)打樣出來(lái)之后，設(shè)計(jì)師則可以通過(guò)實(shí)際的環(huán)境來(lái)評(píng)估和驗(yàn)證終端 / 設(shè)備是否在工作頻段和帶寬范圍內(nèi)產(chǎn)生了正確的波瓣寬度、足夠的零點(diǎn)深度以及增益來(lái)實(shí)現(xiàn)最大化的輻射效率。而這需要用到的就是 OTA 的測(cè)試方法。

毫米波鏈路完整性 

為了克服因?yàn)槭褂谜ㄊ鶎?dǎo)致的位置確認(rèn)問(wèn)題，R15 定義了新的接入初始化流程。由于基站通過(guò)掃描的方式在同步信道中傳送信道信息，終端則會(huì)判斷和決定最合適的信道并告知基站，從而最終將通信鏈路建立起來(lái)。

5G 接入初始化和波束管理流程

在這里定義了波束同步、跟蹤、管理和失敗恢復(fù)等程序。而當(dāng)混合的參數(shù)集在其中被使用時(shí)，連接的建立可能要花費(fèi)更多的時(shí)間。設(shè)計(jì)師需要實(shí)施、驗(yàn)證和優(yōu)化所有這些功能，否則用戶(hù)端可能產(chǎn)生掉話(huà)等不良體驗(yàn)。

真實(shí)環(huán)境下的終端性能評(píng)估和優(yōu)化 

吞吐率和時(shí)延是無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。協(xié)議堆棧的不同層必須相互配合才能實(shí)現(xiàn) 5G 系統(tǒng)的時(shí)延和吞吐率目標(biāo)。這里面需要理解終端在波束管理各狀態(tài)下的表現(xiàn)，包括波束同步、切換以及回落回 4G。

一種評(píng)估端到端吞吐率最有效的方式，就是使用網(wǎng)絡(luò)模擬器來(lái)控制 DUT 并測(cè)量其反饋信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)模擬器可以配置小區(qū)連接、更改同步和參考信號(hào)的功率、設(shè)置 Beamforming 參數(shù)和控制發(fā)射和接收的資源塊。此外，通過(guò)在系統(tǒng)中串入信道模擬器，更能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬真實(shí)的信號(hào)傳輸問(wèn)題，包括路徑損耗和多徑衰落等問(wèn)題，從而表征真實(shí)環(huán)境下的系統(tǒng)性能。

基站模擬器 UXM 搭配信道模擬器 PropsimF64，
讓你評(píng)估真實(shí)環(huán)境下的終端性能

04 OTA 測(cè)試難題

由于毫米波、MIMO、波束控制和管理等技術(shù)的引入，對(duì)于設(shè)備和終端的整體性能的評(píng)估和測(cè)試已離不開(kāi) OTA 方案，這包含：射頻性能、吞吐率、RRM 和信令。

該如何綜合考慮路徑損耗、測(cè)試場(chǎng)地的尺寸等選擇一個(gè)合適的 OTA 方案亦成為一個(gè)難題。典型的 OTA 測(cè)試方案包含：暗室、探頭或天線以及測(cè)試設(shè)備。目前對(duì)于終端 OTA 測(cè)試，主要有三種方案：

① 直接遠(yuǎn)場(chǎng)法（DFF）

對(duì)于直接遠(yuǎn)場(chǎng)法，被測(cè)件被固定于一個(gè)可以在水平和垂直角度轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)上面，從而可以在 3D 的投影面上進(jìn)行任意角度的測(cè)量。雖然直接遠(yuǎn)場(chǎng)法可以獲得最直接、綜合的天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，但是需要最大尺寸的暗室。對(duì)于一個(gè) 15cm 尺寸的被測(cè)件，在 28GHz 頻段需要長(zhǎng)達(dá) 4.2m 的暗室來(lái)支持遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試，從而帶來(lái)難以接受的測(cè)試路徑損耗。

直接遠(yuǎn)場(chǎng)法測(cè)試環(huán)境

② 間接遠(yuǎn)場(chǎng)法（IDF）

間接遠(yuǎn)場(chǎng)法基于緊縮場(chǎng)的測(cè)試方法，使用一個(gè)拋物面的反射器來(lái)將信號(hào)從近場(chǎng)球面波轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)場(chǎng)平面波，從而創(chuàng)造出遠(yuǎn)場(chǎng)的測(cè)試環(huán)境。這種方案能夠提供相對(duì)直接遠(yuǎn)場(chǎng)法更加緊湊且低路徑損耗的測(cè)試環(huán)境，也是目前唯一一個(gè)被 3Gpp R4 認(rèn)可的 OTA 測(cè)試方案。

緊縮場(chǎng)測(cè)試環(huán)境

③ 近場(chǎng)轉(zhuǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)法（NFTF）

近場(chǎng)轉(zhuǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)的方案是在近場(chǎng)環(huán)境下采集電磁場(chǎng)相位和幅度，并通過(guò)算法預(yù)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的輻射方向圖。雖然這不失為一種緊湊的測(cè)試方案，但由于在近場(chǎng)條件下容易受到發(fā)射器的干擾從而影響測(cè)試精度，同時(shí)也只能支持單視距測(cè)量。