5G降临无线测试新时代

5G带来广阔前景的同时，也使得测试日益复杂化。必须开发新的技术来测试5G设备。需要成本更低的空口测试技术。

——NI 业务和技术首席Charles Schroeder

自蜂窝通信出现开始以来，测试工程师一直在使用一组公认的测量和技术，对从RF半导体到基站和移动手机等无线通信技术进行大量测试。但是对于5G，这些无线设备采用的技术将更加复杂，用于测试前几代设备且已经过高度优化的测试技术必须重新考量。为验证5G技术的性能，需要使用空口（over-the-air，OTA）方法而不是当前使用的线缆直连的方法来测试5G组件和设备。作为工程领导者，我们需要新的测试方法来确保5G产品和解决方案在许多行业和应用中的商业化可行性。

增加带宽

5G标准的主要目标之一是大幅提高数据容量，这是因为用户数据需求在持续不断地增长，但为了实现每用户10 Gbps的目标峰值速率，需要引入新技术。首先，5G规范包括多用户MIMO（MU-MIMO）技术，该技术允许用户通过波束成形技术同时共享相同的频带，为每个用户建立唯一的集中无线连接。其次，5G标准增加了更多的无线频谱，扩展到了厘米和毫米波（mmWave）频率。

MU-MIMO和mmWave技术的物理实现需要使用比前几代蜂窝标准更多的天线元件。根据物理学定律，mmWave频率的信号在通过自由空间时将比当前蜂窝频率的信号衰减得更快。因此，在发射功率电平近似的情况下，mmWave蜂窝频率的范围将比当前蜂窝频带小得多。为了克服这种路径损耗，5G发射器和接收器将利用并行工作的天线阵列，并使用波束成形技术来提升信号功率，而不是像目前的设备那样每个频带使用一个天线。这些天线阵列和波束成形技术不仅对于增加信号功率很重要，对于实现MU-MIMO技术也同样至关重要。

那如何将所有这些天线安装到未来的手机中？幸运的是，mmWave频率的天线将比用于当前标准的蜂窝天线小得多。新的封装技术，如集成天线封装（antennain package，AiP，即天线阵列位于芯片的封装内），将使得这些天线更容易集成到现代智能手机的小空间内，但天线阵列可能完全封闭，没有任何可直接接触的测试点。

使用OTA解决新挑战

对于测试工程师而言，增加的频率范围、新的封装技术和更多的天线数量使其很难在维持高质量的同时，尽可能避免资本成本（测试设备的成本）和运营成本（测试每个设备的时间）的增加。新的OTA技术可以帮助解决这些问题，但同时也带来了挑战。首先，测量精度是一大挑战。与有线测试不同，在进行OTA测量时，测试工程师需要处理天线校准和精度、连接件公差和信号反射等引起的额外测量不确定性。其次，设备测试计划必须纳入全新的测量方法，以进行消声室集成、波束特性分析、最佳码本计算和天线参数特性分析。第三，随着RF带宽不断增加，在RF带宽上进行校准和测量所需的处理量也会增加，进而导致测试时间增加。最后，测试经理必须考虑额外的业务因素，以在确保产品质量的同时，最大限度地减少对上市时间、资本成本、运营成本和占地面积（以适应OTA测试暗室的面积）的影响。在接下来的几年里，测试和测量行业将通过许多创新技术来快速应对这些挑战。因此，测试团队应考虑高度灵活的软件定义测试策略和平台，以确保其当前的资本支出能够跟上这一快速创新周期。

虽然OTA提出了诸多挑战，但同时也带来了许多好处。首先，OTA是AiP技术的唯一选择，因为天线阵列集成在封装内，无法通过导线直接连接阵列元件。即使测试工程师可以使用传导测试方法连接各个天线元件，他们也面临着选择并行测试（购买更多仪器带来的资本支出）还是连续测试（测试时间和吞吐量增加带来的运营成本）的困难。虽然许多技术问题仍有待解决，但OTA测试提供了将阵列作为一个系统而不是一组独立元件进行测试的可能性，这有望提供系统级测试的高效率。过去，测试设备供应商和测试工程师已经遇到了在测试日益增加的性能和复杂性的同时，最大限度缩短产品上市时间和测试成本的挑战，而对于5G，他们仍面临着相同的挑战。尽管当今的5G测试挑战看起来很复杂，但世界各地的工程师们已经在开发新的测试仪器和方法，如OTA，这些都是5G成功进行商业部署所必需的。

3G、4G和5G网速对比