2021年無線測試趨勢
2021-10-26
作者
Adam Smith，LitePoint
雖然在過去的一年中遇到了許多挑戰，但筆者更想著重介紹我們所取得的進展並展望後續的創新和未來的需求，以確保成功部署採用無線技術的更多設備和應用。
全球疫情爆發讓我們認識最為深刻的一點是，無線通訊比以往任何時候都更為重要。疫情之下，許多人都需要居家工作、居家學習和居家生活，通訊工具的使用和無線連接的接入讓我們能夠進行創新，適應日常生活中的新常態。雖然在過去的一年中我們遇到了許多挑戰，但筆者更想著重介紹我們所取得的進展並展望後續的創新和未來的需求，以確保成功部署採用無線技術的更多設備和應用。
5G時代已開啟，但仍處於起步階段
2020年，5G蜂巢技術逐漸得到應用，全年智慧型手機出貨量約為2億支。這意味著在5G推出的第二年，5G手機銷量就實現同比成長10倍以上。202年，5G智慧型手機的出貨量可望達到4.5億支左右，在供應鏈零組件短缺的情況下，仍能實現同比成長兩倍。對於5G技術進展的判斷，手機出貨量是一個值得關注的指標，但該指標並不能全面反映實際情況。
資料消耗是推動5G技術不斷發展及快速應用的一個主要因素。全球對無線數據的需求仍以每年平均25%的速度持續成長，這對網路基礎設施帶來了巨大壓力，換句話說，以目前的成長速度，網路數據容量需要實現每2~3年成長兩倍才能滿足需求。5G是擴展容量的絕佳平台，但5G技術並不是能夠滿足這些需求的唯一解決方案——實現網路擴容的方法有多種。
每支手機行動資料量統計。
(來源：愛立信行動報告，2021年6月)
首先，可以採用5G「新無線電」(NR)技術，該技術旨在以高於之前LTE技術的效率運作。從效率(每赫茲位元)的角度來看，5G NR的運作效率相比LTE高出約30%。單純採用5G NR這一種方法就可以提高網路中的數據容量，這是讓無線服務供應商迅速採用5G技術的原因之一。許多服務供應商已重新開發其2G或3G頻譜，甚至在與LTE相同的頻譜中部署了5G NR。然而，單純重用現有頻譜並不能滿足數據消耗需求。
增加5G資料容量後，所產生的最大影響在於需要為5G部署開放更多頻譜。目前，已提供平行方案，開放3GHz~5GHz範圍內的更多中頻段頻譜作為「頻率範圍1」(FR1)頻譜，並開放24GHz~47GHz範圍內的更多毫米波頻譜作為「頻率範圍2」(FR2)頻譜。在全球內，雖然不同國家/地區在其5G建設中的著重點有所不同，或著重於FR1，或著重於FR2，但目標都相同，即增加網路可用容量；最終，大多數國家/地區在其5G策略中都將採用這兩種頻率範圍。
例如，在美國，最初的5G策略是重新開發低頻段頻譜，然後針對無線服務供應商開放毫米波頻譜。所帶來的性能令人驚歎，行動裝置能夠實現數千兆位數據連接，但開發頻譜後毫米波訊號的可用性有些不足。去年，Apple決定在其所有美版最新款手機中搭載毫米波5G技術，以此證明了技術的實用性。未來，美國各城市將繼續有條不紊地建設毫米波5G基礎設施。
2021年，美國已將重點轉向中頻段FR1頻譜，吸引了無線服務供應商進行大量投資。在2021年年初的第一次中頻段拍賣中，3.7GHz~4GHz頻譜的成交價格達到了驚人的810億美元，主要由美國前三大無線營運商拍得。相比之下，在美國，對所有當前可用毫米波頻譜的投資還不到10億美元，顯然，營運商將中頻段視為整個計劃的關鍵部分。
在測試要求方面，毫米波頻段帶來了一些值得關注的設備測試挑戰。毫米波頻率範圍以前對於消費性產品而言有些不同尋常，但更有趣的是，這些訊號的基本物理特性和天線封裝已經徹底改變了測試策略。這類產品的大部分測試都採用OTA測試，由於OTA測試與傳導(或有線)測試相比具有可變性，一直以來未被採用，在製造領域更是如此。然而，毫米波訊號的波長較短，實際上與4G或5G FR1訊號相比更適合採用OTA測試，從而實現高度的可重複性。
對於FR1頻段，製造測試面臨的挑戰有所不同。在某種程度上，5G測試技術是從4G測試技術發展而來，而4G技術主要採用傳導測試。行動產品面臨的主要挑戰在於，這類產品支援5G FR1，同時產品中的Wi-Fi和藍牙等其他連接技術要求其支援600MHz~6GHz頻段(某些地區甚至高達7.3GHz)。若要覆寫此頻率範圍，就需要增加產品中的天線數量。
除了採用5G NR技術提高效率及開放更多頻譜之外，無線營運商可採用第三種方法提高網路中的數據容量，即頻譜重用。縮小無線覆蓋區域的範圍，在人口稠密的區域設立更多的「蜂巢基地台」是實現頻譜重用的一種有效方法。多年來，人們用城域蜂巢(Metrocell)、微蜂巢(Microcell)、微微蜂巢(Picocell)和毫微微蜂巢(Femtocell)等多種方式來描述小型蜂巢基地台，但之前市場上並未廣泛採用這些產品，這是因為LTE在很大程度上能夠滿足過去10年中的覆蓋和容量需求。隨著5G時代的來臨，多種因素都在推動小型蜂巢基地台的戰略部署。對於FR1，小型蜂巢基地台可為頻譜重用提供一種解決方案——將基地台覆蓋範圍減半可有效地將容量加倍。對於FR2，小型蜂巢基地台有助於解決毫米波訊號的一些高衰減問題，尤其是在室內獲取毫米波訊號的問題。
行動通訊技術基地台佈建數量統計。
(來源：小型蜂巢論壇市場預測，2021年7月)
部署小型蜂巢基地台和微蜂巢基地台面臨著諸多挑戰，網路設備的資本成本便是其中之一。開放RAN (O-RAN)聯盟正在引領「鼓勵消費」網路設備的產業趨勢。O-RAN的願景是促進不同的無線電和基頻供應商提供完全可互操作的設備，同時簡化全新5G功能的應用並降低其成本。以智慧方式拆分基礎設施設備的架構後，基地台軟體可以遷移到雲端進行虛擬化，而無線電和基頻硬體可以配備通用介面，以此在不同供應商之間無縫通訊。O-RAN設備能否廣泛部署取決於互操作性，因此，不同供應商將遵循通用的O-RAN規範並積極參與插拔測試活動以確保相容性。隨著採用O-RAN標準的行動網路架構發生轉變，營運商可以分解RAN軟體和硬體元件，以此降低前期資本成本和營運成本，從而從中獲益。O-RAN無線電單元的製造測試需要採用一種基於O-RAN網路開放前傳通訊介面的新非信令方案，而非垂直整合RAN系統中採用的專有介面。
雖然5G的部署主要是在行動客戶的推動下才走向市場，但它也為網路營運商部署固定無線寬頻服務提供了機會，這在光纖部署比較困難或成本過高的農村或近郊地區尤其適用。最終目標是實現這樣一種模式：最終客戶可以在家中或辦公室中自行安裝用戶端設備(CPE)，從而為營運商節省大量啟動成本。這些CPE將具備高速寬頻服務所需的高階功能，例如5G NR非獨立組網和獨立組網，以及多頻段功能。下一代CPE設計將採用更多接收器和天線來提高設備靈敏度，同時還會採用支援波束成形天線技術的更高功率發射器以自動鎖定網路訊號。
Wi-Fi技術不斷向前發展
2020年，受疫情影響，Wi-Fi的重要作用更勝以往。遠端學習和遠端辦公對我們的家庭網路連接造成了壓力，視訊會議增加導致出現網路堵塞。與前些年單純流式傳輸大量視訊下載數據相比，視訊會議揭示了上行鏈路數據通訊對家庭寬頻服務，以及家中同時運作的多台Wi-Fi裝置的重要意義。
在此契機下，最新一代Wi-Fi (即Wi-Fi 6)走向市場。Wi-Fi 6裝置採用更高效的通訊方式，支援多台設備同時與家庭存取點通訊。Wi-Fi 6與前幾代Wi-Fi不同，家中的裝置無需再排隊等候連接，因此可讓人感覺現有寬頻連接速度變快。Wi-Fi 6目前正隨手機、PC和存取點裝置大量出貨。
在Wi-Fi 6推出後不久，便於2021年年初推出了Wi-Fi 6E裝置。「6E」是指採用6GHz頻段中免授權頻譜的Wi-Fi 6裝置。該6GHz頻段(5.9GHz~7.1GHz)於2020年開始在北美使用，並逐漸在全球興起。這一新頻譜僅供支援Wi-Fi 6的裝置使用，從而極大地改善了用戶體驗，並為下一代Wi-Fi裝置的創新鋪平了道路。雖然Wi-Fi 6E的底層技術並無不同，但使用6GHz頻譜確實會為射頻校準和測試帶來一些新的挑戰：通道更寬、發射器需要達到更高品質並滿足更高發射要求，以及運作頻率高達7.1GHz等。
Wi-Fi Alliance Wi-Fi 6E分佈圖。
(來源：Wi-Fi聯盟，2021年8月)
然而，我們沒有時間原地踏步。儘管Wi-Fi 6E裝置尚未廣泛應用，但基於下一代IEEE Wi-Fi標準(802.11be)的Wi-Fi 7已進入開發階段，這一代Wi-Fi的主要目標是實現「極高傳輸量」(EHT)和低延遲。設想一下，資料速率達到30Gbps，以及延遲低至數毫秒的情形。
如果我們仔細研究IEEE規範，瞭解具體的實現方法，則會發現該標準是在Wi-Fi 6的基礎上將各項參數增加一倍：頻寬、調變速率、MIMO流……160MHz通道增加到320MHz通道，1,024 QAM調變技術提高到4,096 QAM，8×8 MIMO增加到16×16 MIMO，並且該標準支援多個同步鏈路(稱為「多鏈路操作」)，類似4G和5G蜂巢技術中的載波聚合。請注意，實現更寬通道的關鍵推動因素是6GHz免授權頻段的可用性——5GHz頻段中不能使用320MHz頻道。雖然Wi-Fi 7的開發工作已經開始，但在數年內該技術無法應用於商業產品。
若要驗證Wi-Fi 7晶片的設計性能，需要對測試裝置性能進行一些重大升級。在射頻領域，頻寬和訊噪比(SNR)就像是受擠壓氣球相對的兩側，在低頻寬下實現高SNR、甚至在低SNR下實現高頻寬都「很容易」，但同時實現高頻寬和高SNR無異於在大頭針的針頭上實現平衡。我們通常在誤差向量幅度(EVM)測量中量化這種數據性能，若將挑戰簡單化，因為Wi-Fi 7將頻寬加倍，將數據深度加倍(4,096 QAM)，則意味著測量Wi-Fi 7裝置EVM性能的儀器相較於測量Wi-Fi 6E裝置的儀器至少需要優異4倍——就EVM測量而言，這表示裝置EVM底噪需要留出6dB的額外餘量，從而要求儀器性能優於-50dB。
此外，對Wi-Fi 7裝置的MIMO和多鏈路操作(MLO)模式進行測試時，可能需要建構有些複雜的測試裝置。想像一下，單個裝置內有16個同步無線電，它們以相同頻率運作，或者以聚合多個不同頻段切片的組合頻率運作，Wi-Fi 7測試設備必須具備相應的性能、靈活性，並且(必定)具有成本效益。
設備感知自身位置的能力增強
採用可以偵測位置和運動的無線技術後，產品和感測器的情景感知能力將有所增強。該功能的應用場景包括安全(即建築物進入控制、汽車數位鑰匙、行動支付)、追蹤和工業安全。如果裝置可以安全地檢測自身位置，也就能夠在確保安全的情況下用於驗證位置。若要在無線技術中達到這種安全等級，設備需要採用全新方式確定位置。
超寬頻(UWB)是一種成熟的無線技術，該技術的再次興起是為了應對安全挑戰。目前，該技術在手機、汽車和穿戴式裝置中的應用越來越廣泛，UWB無線技術實際上已經存在了一百多年，但最新一代技術的目標是實現安全、準確的定位，而不是實現大量數據的無線傳輸。UWB已基於IEEE 802.15.4z標準進行量身訂做，可實現非常準確(< 10cm)、安全的距離和方向測量。該技術的工作原理是，發送一系列非常短的編碼脈衝，這些脈衝支援兩台裝置確定發送和接收這
些消息所需的時間。這些訊號以光速傳播，確定時間後，便可輕鬆確定兩台裝置之間的距離。與其他採用訊號強度確定距離的無線技術不同，UWB使用的時間戳記方法要安全得多——訊號強度可以透過記錄和重新廣播訊號來「破解」，而時間戳記很難偽造。
UWB技術已開始被導入汽車應用中。
UWB的另一項特性在於，它使用非常寬的頻寬訊號(至少500MHz寬)，其名稱也體現了這一點。 其他無線技術依賴頻寬傳輸大量數據，UWB有所不同，該技術利用頻域中較寬的頻寬對應時域中較短的時間這一事實。由於具備精細的時間解析度，UWB所能實現的定位精準度要優於其他定位技術(例如藍牙)。
UWB裝置的測試和測量與其他無線技術有一些相似之處。然而，與5G蜂巢或Wi-Fi裝置不同，EVM並不是我們關注的測量指標。對於UWB，我們關注的是飛行時間(ToF)測量，測量ToF要求測試設備具有精確的觸發機制，從而能夠重複報告發出訊號的設備(也稱為「標籤」)或響應設備(也稱為「錨點」)的測量時間。
UWB技術非常適合採用三角測量方法，其中標籤設備會比較多個錨點設備的回應時間，以此確定位置。然而，為了讓設備在更多的點對點應用場景中運作，設備不僅需要測量距離，還需要確定發送或接收訊號的角度。這種角度稱為到達角(AoA)，使用AoA測量時要求裝置具有多根天線(至少2根)並且天線間的間距已知。透過測量每個天線所接收訊號之間的微小差異，可以計算出方向，為了準確校準和驗證設備的角度測量精準度，測試設備必須能夠提供非常精細的解析度來生成和測量訊號偏移(數皮秒量級)。
各種各樣的UWB產品和應用帶來了值得關注的各種挑戰。我們如何確保所有這些產品都具有互操作性？FiRa聯盟(精細測距)的成立就是為了解決這一挑戰。該組織的願景是，利用可互操作UWB技術的安全精細測距和定位功能來提供無縫的用戶體驗，該組織正在制定一項認證計劃，以期協助UWB裝置生態系統的健康、蓬勃發展。該認證計劃包括RF PHY和MAC一致性測試案例，旨在實現不同晶片組、設備和解決方案之間的操作相容性。
無線技術是一段旅程，而非目的地
2020年，我們高度依賴技術來保持聯繫，在這充滿挑戰的一年中，無線技術對於維持我們的正常工作、學習和生活發揮了巨大作用。隨著技術不斷發展，未來我們將著重於進一步增強5G、Wi-Fi和其他連接技術的性能。5G需要借助一些工具來擴展網路覆蓋範圍，如小型蜂巢基地台、中繼器和FR1和FR2頻段的CPE等。6GHz頻段中免授權頻譜的可用性是解鎖新功能的關鍵，下一代Wi-Fi技術已進入開發階段，要求裝置和測試設備性能實現巨大飛躍。此外，進一步增強設備的位置感知能力將有助於提高便利性和安全性。在我們繼續邁向2022年的過程中，5G和Wi-Fi 6/6E裝置的應用將大幅增加，從而為無線技術成為應對日常挑戰的實用解決方案奠定基礎。
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年10月號
