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2021年无线测试趋势

时间:2021-12-14 06:52:49 作者:Adam Smith,LitePoint 阅读:
虽然在过去的一年中遇到了许多挑战,但笔者更想着重介绍我们所取得的进展并展望后续的创新和未来的需求,以确保成功部署采用无线技术的更多设备和应用。
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全球疫情爆发让我们认识最为深刻的一点是,无线通信比以往任何时候都更为重要。疫情之下,许多人都需要居家工作、居家学习和居家生活,通讯工具的使用和无线连接的接入让我们能够进行创新,适应日常生活中的新常态。虽然在过去的一年中我们遇到了许多挑战,但笔者更想着重介绍我们所取得的进展并展望后续的创新和未来的需求,以确保成功部署采用无线技术的更多设备和应用。

5G时代已开启,但仍处于起步阶段

2020年,5G蜂窝技术逐渐得到应用,全年智能手机出货量约为2亿支。这意味着在5G推出的第二年,5G手机销量就实现同比成长10倍以上。202年,5G智能手机的出货量可望达到4.5亿支左右,在供应链零组件短缺的情况下,仍能实现同比成长两倍。对于5G技术进展的判断,手机出货量是一个值得关注的指标,但该指标并不能全面反映实际情况。

数据消耗是推动5G技术不断发展及快速应用的一个主要因素。全球对无线数据的需求仍以每年平均25%的速度持续成长,这对网络基础设施带来了巨大压力,换句话说,以目前的成长速度,网络数据容量需要实现每2~3年成长两倍才能满足需求。5G是扩展容量的绝佳平台,但5G技术并不是能够满足这些需求的唯一解决方案——实现网络扩容的方法有多种。

每支手机移动资料量统计。(来源:爱立信移动报告,2021年6月)

首先,可以采用5G“新无线电”(NR)技术,该技术旨在以高于之前LTE技术的效率运作。从效率(每赫兹位)的角度来看,5G NR的运作效率相比LTE高出约30%。单纯采用5G NR这一种方法就可以提高网络中的数据容量,这是让无线服务供货商迅速采用5G技术的原因之一。许多服务供货商已重新开发其2G或3G频谱,甚至在与LTE相同的频谱中部署了5G NR。然而,单纯重用现有频谱并不能满足数据消耗需求。

增加5G数据容量后,所产生的最大影响在于需要为5G部署开放更多频谱。目前,已提供平行方案,开放3GHz~5GHz范围内的更多中频段频谱作为“频率范围1”(FR1)频谱,并开放24GHz~47GHz范围内的更多毫米波频谱作为“频率范围2”(FR2)频谱。在全球内,虽然不同国家/地区在其5G建设中的着重点有所不同,或着重于FR1,或着重于FR2,但目标都相同,即增加网络可用容量;最终,大多数国家/地区在其5G策略中都将采用这两种频率范围。

例如,在美国,最初的5G策略是重新开发低频段频谱,然后针对无线服务供货商开放毫米波频谱。所带来的性能令人惊叹,移动装置能够实现数千兆位数据连接,但开发频谱后毫米波信号的可用性有些不足。去年,Apple决定在其所有美版最新款手机中搭载毫米波5G技术,以此证明了技术的实用性。未来,美国各城市将继续有条不紊地建设毫米波5G基础设施。

2021年,美国已将重点转向中频段FR1频谱,吸引了无线服务供货商进行大量投资。在2021年年初的第一次中频段拍卖中,3.7GHz~4GHz频谱的成交价格达到了惊人的810亿美元,主要由美国前三大无线营运商拍得。相比之下,在美国,对所有当前可用毫米波频谱的投资还不到10亿美元,显然,营运商将中频段视为整个计划的关键部分。

在测试要求方面,毫米波频段带来了一些值得关注的设备测试挑战。毫米波频率范围以前对于消费性产品而言有些不同寻常,但更有趣的是,这些信号的基本物理特性和天线封装已经彻底改变了测试策略。这类产品的大部分测试都采用OTA测试,由于OTA测试与传导(或有线)测试相比具有可变性,一直以来未被采用,在制造领域更是如此。然而,毫米波信号的波长较短,实际上与4G或5G FR1信号相比更适合采用OTA测试,从而实现高度的可重复性。

对于FR1频段,制造测试面临的挑战有所不同。在某种程度上,5G测试技术是从4G测试技术发展而来,而4G技术主要采用传导测试。移动产品面临的主要挑战在于,这类产品支持5G FR1,同时产品中的Wi-Fi和蓝牙等其他连接技术要求其支持600MHz~6GHz频段(某些地区甚至高达7.3GHz)。若要覆写此频率范围,就需要增加产品中的天线数量。

除了采用5G NR技术提高效率及开放更多频谱之外,无线营运商可采用第三种方法提高网络中的数据容量,即频谱重用。缩小无线覆盖区域的范围,在人口稠密的区域设立更多的”蜂窝基站”是实现频谱重用的一种有效方法。多年来,人们用城域蜂窝(Metrocell)、微蜂窝(Microcell)、微微蜂窝(Picocell)和毫微微蜂窝(Femtocell)等多种方式来描述小型蜂窝基站,但之前市场上并未广泛采用这些产品,这是因为LTE在很大程度上能够满足过去10年中的覆盖和容量需求。随着5G时代的来临,多种因素都在推动小型蜂窝基站的战略部署。对于FR1,小型蜂窝基站可为频谱重用提供一种解决方案——将基站覆盖范围减半可有效地将容量加倍。对于FR2,小型蜂窝基站有助于解决毫米波信号的一些高衰减问题,尤其是在室内获取毫米波信号的问题。

移动通讯技术基站布建数量统计。(来源:小型蜂窝论坛市场预测,2021年7月)

部署小型蜂窝基站和微蜂窝基站面临着诸多挑战,网络设备的资本成本便是其中之一。开放RAN (O-RAN)联盟正在引领“鼓励消费”网络设备的产业趋势。O-RAN的愿景是促进不同的无线电和基频供货商提供完全可互操作的设备,同时简化全新5G功能的应用并降低其成本。以智慧方式拆分基础设施设备的架构后,基站软件可以迁移到云端进行虚拟化,而无线电和基频硬件可以配备通用接口,以此在不同供货商之间无缝通讯。O-RAN设备能否广泛部署取决于互操作性,因此,不同供货商将遵循通用的O-RAN规范并积极参与插拔测试活动以确保兼容性。随着采用O-RAN标准的移动网络架构发生转变,营运商可以分解RAN软件和硬件组件,以此降低前期资本成本和营运成本,从而从中获益。O-RAN无线电单元的制造测试需要采用一种基于O-RAN网络开放前传通讯接口的新非信令方案,而非垂直整合RAN系统中采用的专有接口。

虽然5G的部署主要是在移动客户的推动下才走向市场,但它也为网络营运商部署固定无线宽带服务提供了机会,这在光纤部署比较困难或成本过高的农村或近郊地区尤其适用。最终目标是实现这样一种模式:最终客户可以在家中或办公室中自行安装客户端设备(CPE),从而为营运商节省大量启动成本。这些CPE将具备高速宽带服务所需的高阶功能,例如5G NR非独立组网和独立组网,以及多频段功能。下一代CPE设计将采用更多接收器和天线来提高设备灵敏度,同时还会采用支持波束成形天线技术的更高功率发射器以自动锁定网络信号。

Wi-Fi技术不断向前发展

2020年,受疫情影响,Wi-Fi的重要作用更胜以往。远程学习和远程办公对我们的家庭网络连接造成了压力,视频会议增加导致出现网络堵塞。与前些年单纯流式传输大量视讯下载数据相比,视频会议揭示了上行链路数据通讯对家庭宽带服务,以及家中同时运作的多台Wi-Fi装置的重要意义。

在此契机下,最新一代Wi-Fi (即Wi-Fi 6)走向市场。Wi-Fi 6装置采用更高效的通讯方式,支持多台设备同时与家庭存取点通讯。Wi-Fi 6与前几代Wi-Fi不同,家中的装置无需再排队等候连接,因此可让人感觉现有宽带连接速度变快。Wi-Fi 6目前正随手机、PC和存取点装置大量出货。

在Wi-Fi 6推出后不久,便于2021年年初推出了Wi-Fi 6E装置。”6E”是指采用6GHz频段中免授权频谱的Wi-Fi 6装置。该6GHz频段(5.9GHz~7.1GHz)于2020年开始在北美使用,并逐渐在全球兴起。这一新频谱仅供支持Wi-Fi 6的装置使用,从而极大地改善了用户体验,并为下一代Wi-Fi装置的创新铺平了道路。虽然Wi-Fi 6E的底层技术并无不同,但使用6GHz频谱确实会为射频校准和测试带来一些新的挑战:通道更宽、发射器需要达到更高质量并满足更高发射要求,以及运作频率高达7.1GHz等。

Wi-Fi Alliance Wi-Fi 6E分布图。(来源:Wi-Fi联盟,2021年8月)

然而,我们没有时间原地踏步。尽管Wi-Fi 6E装置尚未广泛应用,但基于下一代IEEE Wi-Fi标准(802.11be)的Wi-Fi 7已进入开发阶段,这一代Wi-Fi的主要目标是实现”极高传输量”(EHT)和低延迟。设想一下,数据速率达到30Gbps,以及延迟低至数毫秒的情形。

如果我们仔细研究IEEE规范,了解具体的实现方法,则会发现该标准是在Wi-Fi 6的基础上将各项参数增加一倍:带宽、调变速率、MIMO流……160MHz信道增加到320MHz信道,1,024 QAM调变技术提高到4,096 QAM,8×8 MIMO增加到16×16 MIMO,并且该标准支持多个同步链路(称为”多链路操作”),类似4G和5G蜂窝技术中的载波聚合。请注意,实现更宽通道的关键推动因素是6GHz免授权频段的可用性——5GHz频段中不能使用320MHz频道。虽然Wi-Fi 7的开发工作已经开始,但在数年内该技术无法应用于商业产品。

若要验证Wi-Fi 7芯片的设计性能,需要对测试装置性能进行一些重大升级。在射频领域,带宽和信噪比(SNR)就像是受挤压气球相对的两侧,在低带宽下实现高SNR、甚至在低SNR下实现高带宽都”很容易”,但同时实现高带宽和高SNR无异于在大头针的针头上实现平衡。我们通常在误差向量幅度(EVM)测量中量化这种数据性能,若将挑战简单化,因为Wi-Fi 7将带宽加倍,将数据深度加倍(4,096 QAM),则意味着测量Wi-Fi 7装置EVM性能的仪器相较于测量Wi-Fi 6E装置的仪器至少需要优异4倍——就EVM测量而言,这表示装置EVM底噪需要留出6dB的额外余量,从而要求仪器性能优于-50dB。

此外,对Wi-Fi 7装置的MIMO和多链路操作(MLO)模式进行测试时,可能需要建构有些复杂的测试装置。想象一下,单个装置内有16个同步无线电,它们以相同频率运作,或者以聚合多个不同频段切片的组合频率运作,Wi-Fi 7测试设备必须具备相应的性能、灵活性,并且(必定)具有成本效益。

设备感知自身位置的能力增强

采用可以侦测位置和运动的无线技术后,产品和传感器的情景感知能力将有所增强。该功能的应用场景包括安全(即建筑物进入控制、汽车数字钥匙、移动支付)、追踪和工业安全。如果装置可以安全地检测自身位置,也就能够在确保安全的情况下用于验证位置。若要在无线技术中达到这种安全等级,设备需要采用全新方式确定位置。

超宽带(UWB)是一种成熟的无线技术,该技术的再次兴起是为了应对安全挑战。目前,该技术在手机、汽车和可穿戴设备中的应用越来越广泛,UWB无线技术实际上已经存在了一百多年,但最新一代技术的目标是实现安全、准确的定位,而不是实现大量数据的无线传输。UWB已基于IEEE 802.15.4z标准进行量身订做,可实现非常准确(< 10cm)、安全的距离和方向测量。该技术的工作原理是,发送一系列非常短的编码脉冲,这些脉冲支持两台装置确定发送和接收这些消息所需的时间。这些信号以光速传播,确定时间后,便可轻松确定两台装置之间的距离。与其他采用信号强度确定距离的无线技术不同,UWB使用的时间标记方法要安全得多——信号强度可以透过记录和重新广播信号来”破解”,而时间标记很难伪造。

UWB技术已开始被导入汽车应用中。

UWB的另一项特性在于,它使用非常宽的带宽信号(至少500MHz宽),其名称也体现了这一点。 其他无线技术依赖带宽传输大量数据,UWB有所不同,该技术利用频域中较宽的带宽对应时域中较短的时间这一事实。由于具备精细的时间分辨率,UWB所能实现的定位精准度要优于其他定位技术(例如蓝牙)。

UWB装置的测试和测量与其他无线技术有一些相似之处。然而,与5G蜂窝或Wi-Fi装置不同,EVM并不是我们关注的测量指标。对于UWB,我们关注的是飞行时间(ToF)测量,测量ToF要求测试设备具有精确的触发机制,从而能够重复报告发出信号的设备(也称为”标签”)或响应设备(也称为”锚点”)的测量时间。

UWB技术非常适合采用三角测量方法,其中标签设备会比较多个锚点设备的响应时间,以此确定位置。然而,为了让设备在更多的点对点应用场景中运作,设备不仅需要测量距离,还需要确定发送或接收信号的角度。这种角度称为到达角(AoA),使用AoA测量时要求装置具有多根天线(至少2根)并且天线间的间距已知。透过测量每个天线所接收信号之间的微小差异,可以计算出方向,为了准确校准和验证设备的角度测量精准度,测试设备必须能够提供非常精细的分辨率来生成和测量信号偏移(数皮秒量级)。

各种各样的UWB产品和应用带来了值得关注的各种挑战。我们如何确保所有这些产品都具有互操作性?FiRa联盟(精细测距)的成立就是为了解决这一挑战。该组织的愿景是,利用可互操作UWB技术的安全精细测距和定位功能来提供无缝的用户体验,该组织正在制定一项认证计划,以期协助UWB装置生态系统的健康、蓬勃发展。该认证计划包括RF PHY和MAC一致性测试案例,旨在实现不同芯片组、设备和解决方案之间的操作兼容性。

无线技术是一段旅程,而非目的地

2020年,我们高度依赖技术来保持联系,在这充满挑战的一年中,无线技术对于维持我们的正常工作、学习和生活发挥了巨大作用。随着技术不断发展,未来我们将着重于进一步增强5G、Wi-Fi和其他连接技术的性能。5G需要借助一些工具来扩展网络覆盖范围,如小型蜂窝基站、中继器和FR1和FR2频段的CPE等。6GHz频段中免授权频谱的可用性是解锁新功能的关键,下一代Wi-Fi技术已进入开发阶段,要求装置和测试设备性能实现巨大飞跃。此外,进一步增强设备的位置感知能力将有助于提高便利性和安全性。在我们继续迈向2022年的过程中,5G和Wi-Fi 6/6E装置的应用将大幅增加,从而为无线技术成为应对日常挑战的实用解决方案奠定基础。

责编:Amy

本文同步刊登于《电子工程专辑》台湾版杂志2021年10月刊

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