5G 正裹挾著萬億級的移動產(chǎn)業(yè)鏈和千萬級的就業(yè)機(jī)會向我們迎面撲來，一時通信武林風(fēng)起云涌，江湖群雄趨之若鶩，超過 81 個國家中多達(dá) 192 個運營商宣布投入 5G。
5G 時間軸——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，物理層規(guī)格在一步步形成，整個 R15 規(guī)范側(cè)重于增強(qiáng)型移動寬帶（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)計人員帶來諸多新的挑戰(zhàn)。
下面我們就來探討下 5G 設(shè)備設(shè)計和測試最主要的四個方面：
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，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，也帶來了復(fù)雜的信道編碼，信號質(zhì)量挑戰(zhàn)以及繁多的測試用例。
相對 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，最終可以通過可擴(kuò)展的時隙間隔來提供不同等級的吞吐率、時延和可靠性服務(wù)。
5G 三大場景之一的超高可靠超低時延（uRLLC）部分就是通過 mini-slot 來實現(xiàn)的，Mini-slot 可提供比標(biāo)準(zhǔn)時隙更短的時延和載荷。NR 子幀結(jié)構(gòu)還允許在同一子幀內(nèi)動態(tài)分配 OFDM 符號鏈路方向和控制。
通過使用這種動態(tài) TDD 機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)可以動態(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)的時隙和 Mini-slot 及其相關(guān)的持續(xù)時間
子帶寬部分(BWP)是 5G NR 標(biāo)準(zhǔn)新定義的一個概念, 是指載波的系統(tǒng)帶寬可以根據(jù)不同場景需要分成若干子帶寬。每個 BWP 可以具有不同的參數(shù)集, 并且信令控制也是獨立的。
一個載波可以包含若干混合的參數(shù)集來支持不同層級的業(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 和毫米波頻段通過軟硬件結(jié)合來生成更大帶寬的用于不同測試用例的波形并從時域、頻域和調(diào)制域來分析 5G NR 波形就尤為重要。
使用矢量信號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于對于信號質(zhì)量的影響變得更為顯著，從而滿足信號質(zhì)量也變得愈加困難。
部分 Sub-6GHz 和毫米波頻段及預(yù)計商用時間
諸多因素會影響信號質(zhì)量，包括基帶信號處理、調(diào)制、濾波和上變頻等。雖然帶來更大的連續(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信號的干擾。而因為 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)制信號的失真。
在毫米波 OFDM 系統(tǒng)中，相位噪聲的影響尤為明顯，過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)致信號的嚴(yán)重失真。此外，寬帶信號電路中的任何偏離，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。從而性能的優(yōu)化和問題的解決只能靠每個器件在寬帶和毫米波頻段的良好設(shè)計優(yōu)化來保障。
對于測試驗證設(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試結(jié)果。另外，在高頻寬帶測試系統(tǒng)中，測試夾具、線纜、濾波器、耦合器、功分器、預(yù)放以及切換開關(guān)等的性能和指標(biāo)將對測量結(jié)果造成至關(guān)重要的影響，因此需要在測試前對包含配件的系統(tǒng)進(jìn)行整體校準(zhǔn)。
5G NR 器件 / 設(shè)備綜合測試平臺（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 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)、新的參考信號和新的傳輸模型來支持 5G eMMB 的數(shù)據(jù)吞吐率，同時也給終端設(shè)計工程師帶來了新的難題。這些難題包括：
3D 天線波束方向圖設(shè)計和驗證
3D 波束性能驗證包括構(gòu)建并驗證天線的 3D 輻射方向圖并確保整個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。由于毫米波原型系統(tǒng)構(gòu)建價值不菲，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)計階段中減少重復(fù)和反復(fù)性的工作和花費。
系統(tǒng)級的仿真系統(tǒng) SystemVue 可幫助設(shè)計者在原型階段快速迭代和驗證
在設(shè)計打樣出來之后，設(shè)計師則可以通過實際的環(huán)境來評估和驗證終端 / 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、足夠的零點深度以及增益來實現(xiàn)最大化的輻射效率。而這需要用到的就是 OTA 的測試方法。
毫米波鏈路完整性
為了克服因為使用窄波束所導(dǎo)致的位置確認(rèn)問題，R15 定義了新的接入初始化流程。由于基站通過掃描的方式在同步信道中傳送信道信息，終端則會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。
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，連接的建立可能要花費更多的時間。設(shè)計師需要實施、驗證和優(yōu)化所有這些功能，否則用戶端可能產(chǎn)生掉話等不良體驗。
真實環(huán)境下的終端性能評估和優(yōu)化
吞吐率和時延是無線通信系統(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現(xiàn) 5G 系統(tǒng)的時延和吞吐率目標(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)模擬器來控制 DUT 并測量其反饋信號。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，通過在系統(tǒng)中串入信道模擬器，更能夠在實驗室環(huán)境下模擬真實的信號傳輸問題，包括路徑損耗和多徑衰落等問題，從而表征真實環(huán)境下的系統(tǒng)性能。
基站模擬器 UXM 搭配信道模擬器 PropsimF64，
讓你評估真實環(huán)境下的終端性能
04 OTA 測試難題
由于毫米波、MIMO、波束控制和管理等技術(shù)的引入，對于設(shè)備和終端的整體性能的評估和測試已離不開 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、測試場地的尺寸等選擇一個合適的 OTA 方案亦成為一個難題。典型的 OTA 測試方案包含：暗室、探頭或天線以及測試設(shè)備。目前對于終端 OTA 測試，主要有三種方案：
① 直接遠(yuǎn)場法（DFF）
對于直接遠(yuǎn)場法，被測件被固定于一個可以在水平和垂直角度轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)臺上面，從而可以在 3D 的投影面上進(jìn)行任意角度的測量。雖然直接遠(yuǎn)場法可以獲得最直接、綜合的天線遠(yuǎn)場測試結(jié)果，但是需要最大尺寸的暗室。對于一個 15cm 尺寸的被測件，在 28GHz 頻段需要長達(dá) 4.2m 的暗室來支持遠(yuǎn)場測試，從而帶來難以接受的測試路徑損耗。
直接遠(yuǎn)場法測試環(huán)境
② 間接遠(yuǎn)場法（IDF）
間接遠(yuǎn)場法基于緊縮場的測試方法，使用一個拋物面的反射器來將信號從近場球面波轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)場平面波，從而創(chuàng)造出遠(yuǎn)場的測試環(huán)境。這種方案能夠提供相對直接遠(yuǎn)場法更加緊湊且低路徑損耗的測試環(huán)境，也是目前唯一一個被 3Gpp R4 認(rèn)可的 OTA 測試方案。
緊縮場測試環(huán)境
③ 近場轉(zhuǎn)遠(yuǎn)場法（NFTF）
近場轉(zhuǎn)遠(yuǎn)場的方案是在近場環(huán)境下采集電磁場相位和幅度，并通過算法預(yù)測遠(yuǎn)場條件下的輻射方向圖。雖然這不失為一種緊湊的測試方案，但由于在近場條件下容易受到發(fā)射器的干擾從而影響測試精度，同時也只能支持單視距測量。