5G毫米波接口特性分析面临的挑战

为5G毫米波接口进行特性分析并不容易，过程中会遭遇许多新的挑战。本文探讨其中一些挑战及考虑因素，协助工程师轻松迎战这些难题。

5G有许多颇具挑战性的目标——括增加网络容量、提升峰值数据速率以及让行动通讯服务变得更可靠。其中有些目标需要将现今效能提高10倍、100倍或1，000倍，这在现有低于6GHz的频谱中是无法达成的。因此，研究人员必须在高达100GHz厘米波（cm）及毫米波（mmWave）频率中研究新的无线接口。

为了对射频（RF）信道之毫米波频率进行特性分析，工程师面临许多前所未有的新挑战。本文探讨其中一些挑战及考虑因素，协助工程师轻松迎战这些难题。

为了制订新的无线接口标准，研究人员必须能够评估RF通道的特性，才能了解RF讯号透过信道传递的方式。研究人员目前使用通道探测技术来收集「通道脉冲响应」（CIR）数据，以便利用信道参数估算算法撷取信道参数，接着再将撷取到的数据用于新信道模型的建构，如图1所示。

信道探测量测系统可分为各种不同类型，从简单到复杂的都有，端视估算的参数而定。量测支持多路径传播的时变（time-varying）通道时，必须了解内含时间及相位信息的复杂脉冲响应。此外，能够在类似条件下，利用不同的量测系统来复制或验证量测，是一项重大的挑战。

图1：无线传输信道的模型是由信道探测、信道参数估算以及统计资料所组成

重要技术挑战包括：

· 以大于500MHz带宽及多通道支持，在毫米波频率下进行讯号产生及分析

· 数据撷取及储存

· 通道参数估算

· 校验及同步化

接下来讨论有助于因应这些挑战的一些重要考虑。

讯号产生与分析

为了满足使用者对于5G的高带宽需求，无线接口标准将涵盖高达100GHz的毫米波频率，带宽为500MHz至2GHz，而且支持多个通道。在此情况下，研究人员需考虑非常多的因素，而且亟需高效能的信道探测系统。

这些量测纟统必须能满足前述的核心需求，并提供可重复的量测。重要系统组件包括基于基频任意波形产生器（AWG）的宽带数字模拟转换器（DAC），以及可当作宽带数字转换器或示波器使用的模拟数字转换器（ADC），以支持所需带宽，并具备足以支持撷取讯号所需动态范围的分辨率。

同样地，由于5G标准尚未制订，测试设备应具备相当的灵活性，如此才可随着测试要求及标准演进，而进行配置或重新配置。

数据撷取与储存

透过具多信道功能的宽带量测系统来收集原始数据时，单单一项8通道、1GHz带宽的量测，便可在短短一秒内耗用高达数Gigabyte的数据，并迅速将磁盘驱动器塞爆。不仅如此，研究人员还必须撷取ADC的数据，然后存入储存装置。想要实时撷取并且以串流方式传输数据，根本是不可能的任务。唯一感到开心的是磁盘驱动器制造商，因为他们可以卖出更多的储存装置，但这种方法并不可行。

另外，还可考虑使用两种可减少数据收集量的撷取方法：

· 若探测讯号少于一个传送周期，即可仅撷取有效数据、或仅撷取执行CIR计算所需的数据。这种方法可大幅减少所需收集的数据量。

· 接下来，则可利用内建的实时自动关联及讯号处理功能量测宽带，以便在量测系统内产生有效CIR数据。此时只需储存CIR结果，因而可大幅节省储存空间，并加速提供CIR结果。

通道参数估算

截至目前为止，大多数的研究都是在单通道中完成的。MIMO通道引进了空间与关联的概念，因而衍生出估算空间参数的主要问题。例如，研究人员需估算到达角（AoA）、出射角（AoD）、以及扩展角（AS）等参数。目前可用的信道参数估算算法包括波束成形、子空间，以及最大似然（Maximum Likelihood，ML）等多种方法。

为了一致性、同调性以及估算效能，ML估算算法是效能极佳的MIMO通道参数估算法。其中尤以运算量较低的SAGE算法（最大似然为基础）最受研究人员的欢迎。

校验与同步化

校验与同步远比取得准确、可重复的结果更为重要。藉由使用两个铷频率，为发射器和接收器提供稳定、高度精密的10MHz同步参考频率，可实现发射器及接收器子系统的同步化，如图2所示。此外，还必须透过触发，将探测激发讯号的产生及撷取同步化。

建构图2所示的毫米波量测系统时，必须考虑校验的效益：

· 系统校验亦称为「背对背」校验，可将发射器连接到接收器，以对齐频率参考与系统频率，进而取得准确的振幅、相位及抵达时间估算。

· 基频AWG的差动IQ输出可能具有时序、增益及正交误差，这会对讯号质量造成影响。IQ失配校验可修正AWG输出之同相与正交相位讯号之间的失衡。

· 多信道、宽带数字转换器或示波器可能在通道间出现时间及相位变异，因而将对量测结果造成影响。您可用各种方法量测整体的通道频率偏差，其中一种方法是量测各个信道在大频率范围内的振幅及相位差，并套用宽带修正滤波器。

· 天线及功率校验也必须列入考虑。您可查看天线制造商的校验数据。若未提供，则可在微波试验室内进行天线数组相位场型量测，并与天线数组的理论效能加以比较。

图2：此量测系统包括用于精确Tx与Rx同步化的铷频率，以及可将讯号产生与数据撷取维持一致的撷取触发器

结语

总之，想要对新的5G毫米波接口进行特性分析并不容易，过程中会遭遇许多新的挑战。为了分析支持多路径传播的时变通道，必须使用复杂的量测系统，其中包含支持毫米波、宽带讯号及多个信道的测试设备；全面的校验；以及同步化功能，以便利用有效的信道参数估算算法，进行真实且准确的信道模型特性分析，进而获得准确且可重复的量测。