5G有許多頗具挑戰性的目標——括增加網路容量、提升峰值資料速率以及讓行動通訊服務變得更可靠。其中有些目標需要將現今效能提高10倍、100倍或1,000倍,這在現有低於6GHz的頻譜中是無法達成的。因此,研究人員必須在高達100GHz釐米波(cm)及毫米波(mmWave)頻率中研究新的無線介面。

為了對射頻(RF)通道之毫米波頻率進行特性分析,工程師面臨許多前所未有的新挑戰。本文探討其中一些挑戰及考量因素,協助工程師輕鬆迎戰這些難題。

為了制訂新的無線介面標準,研究人員必須能夠評估RF通道的特性,才能瞭解RF訊號透過通道傳遞的方式。研究人員目前使用通道探測技術來收集「通道脈衝響應」(CIR)資料,以便利用通道參數估算演算法擷取通道參數,接著再將擷取到的資料用於新通道模型的建構,如圖1所示。

通道探測量測系統可分為各種不同類型,從簡單到複雜的都有,端視估算的參數而定。量測支援多路徑傳播的時變(time-varying)通道時,必須瞭解內含時間及相位資訊的複雜脈衝響應。此外,能夠在類似條件下,利用不同的量測系統來複製或驗證量測,是一項重大的挑戰。

20161228 Keysight TA31P1 圖1:無線傳輸通道的模型是由通道探測、通道參數估算以及統計資料所組成

重要技術挑戰包括:

  • 以大於500MHz頻寬及多通道支援,在毫米波頻率下進行訊號產生及分析
  • 資料擷取及儲存
  • 通道參數估算
  • 校驗及同步化

接下來討論有助於因應這些挑戰的一些重要考量。

訊號產生與分析

為了滿足使用者對於5G的高頻寬需求,無線介面標準將涵蓋高達100GHz的毫米波頻率,頻寬為500MHz至2GHz,而且支援多個通道。在此情況下,研究人員需考量非常多的因素,而且亟需高效能的通道探測系統。

這些量測糸統必須能滿足前述的核心需求,並提供可重複的量測。重要系統元件包括基於基頻任意波形產生器(AWG)的寬頻數位類比轉換器(DAC),以及可當作寬頻數位轉換器或示波器使用的類比數位轉換器(ADC),以支援所需頻寬,並具備足以支援擷取訊號所需動態範圍的解析度。

同樣地,由於5G標準尚未制訂,測試設備應具備相當的靈活性,如此才可隨著測試要求及標準演進,而進行配置或重新配置。

資料擷取與儲存

透過具多通道功能的寬頻量測系統來收集原始資料時,單單一項8通道、1GHz頻寬的量測,便可在短短一秒內耗用高達數Gigabyte的資料,並迅速將磁碟機塞爆。不僅如此,研究人員還必須擷取ADC的資料,然後存入儲存裝置。想要即時擷取並且以串流方式傳輸資料,根本是不可能的任務。唯一感到開心的是磁碟機製造商,因為他們可以賣出更多的儲存裝置,但這種方法並不可行。

另外,還可考慮使用兩種可減少資料收集量的擷取方法:

  • 若探測訊號少於一個傳送週期,即可僅擷取有效資料、或僅擷取執行CIR計算所需的資料。這種方法可大幅減少所需收集的資料量。
  • 接下來,則可利用內建的即時自動關聯及訊號處理功能量測寬頻,以便在量測系統內產生有效CIR資料。此時只需儲存CIR結果,因而可大幅節省儲存空間,並加速提供CIR結果。

通道參數估算

截至目前為止,大多數的研究都是在單通道中完成的。MIMO通道引進了空間與關聯的概念,因而衍生出估算空間參數的主要問題。例如,研究人員需估算到達角(AoA)、出射角(AoD)、以及擴展角(AS)等參數。目前可用的通道參數估算演算法包括波束成形、子空間,以及最大似然(Maximum Likelihood,ML)等多種方法。

為了一致性、同調性以及估算效能,ML估算演算法是效能極佳的MIMO通道參數估算法。其中尤以運算量較低的SAGE演算法(最大似然為基礎)最受研究人員的歡迎。

校驗與同步化

校驗與同步遠比取得準確、可重複的結果更為重要。藉由使用兩個銣時脈,為發射器和接收器提供穩定、高度精密的10MHz同步參考時脈,可實現發射器及接收器子系統的同步化,如圖2所示。此外,還必須透過觸發,將探測激發訊號的產生及擷取同步化。

建構圖2所示的毫米波量測系統時,必須考量校驗的效益:

  • 系統校驗亦稱為「背對背」校驗,可將發射器連接到接收器,以對齊頻率參考與系統時脈,進而取得準確的振幅、相位及抵達時間估算。
  • 基頻AWG的差動IQ輸出可能具有時序、增益及正交誤差,這會對訊號品質造成影響。IQ失配校驗可修正AWG輸出之同相與正交相位訊號之間的失衡。
  • 多通道、寬頻數位轉換器或示波器可能在通道間出現時間及相位變異,因而將對量測結果造成影響。您可用各種方法量測整體的通道時脈偏差,其中一種方法是量測各個通道在大頻率範圍內的振幅及相位差,並套用寬頻修正濾波器。
  • 天線及功率校驗也必須列入考量。您可查看天線製造商的校驗資料。若未提供,則可在微波試驗室內進行天線陣列相位場型量測,並與天線陣列的理論效能加以比較。

20161228 Keysight TA31P2 圖2:此量測系統包括用於精確Tx與Rx同步化的銣時脈,以及可將訊號產生與資料擷取維持一致的擷取觸發器

結語

總之,想要對新的5G毫米波介面進行特性分析並不容易,過程中會遭遇許多新的挑戰。為了分析支援多路徑傳播的時變通道,必須使用複雜的量測系統,其中包含支援毫米波、寬頻訊號及多個通道的測試設備;全面的校驗;以及同步化功能,以便利用有效的通道參數估算演算法,進行真實且準確的通道模型特性分析,進而獲得準確且可重複的量測。