迈向分层网络架构 5G通讯系统引发量测技术变革 - 全文

作者：Hongwei Kong 是德科技中国北京实验室

5G无线通信系统将运用极密集网络布建方式达成更高带宽与传输速率，因而须以分层式网络架构进行管理，以提高网络效率与服务质量；而此一架构的转变已引发全新量测挑战，促使仪器开发商加紧研发新一代测试方案，迎合5G发展需求。

无线通信产业正与全世界研究5G关键促成技术的学者紧密合作。本文将探讨5G技术的驱动因素及相较于前一代无线通信标准，是那些特点让5G成为革命性行动通讯科技，并探讨即将带动重大变革的5G关键促成技术。

此外，文中将检视系统的重大变革，针对这些新技术，深入探讨量测挑战，同时提出一些范例与构想，说明如何有效克服5G关键技术的量测挑战。

5G牵动网络技术革命

5G预期将成为带动无线产业革命的行动通讯网络，并即将于2020年转变成商业化的通讯技术。驱动5G技术发展的原动力，是为了满足急遽变化的行动通讯需求，这些需求涵盖了数据流量、联机装置数量、节能和频谱效率、低延迟，以及有保障的用户体验。

前述种种需求，将促成无线网络、装置和零件设计的破坏性创新，以便达到最终目标。事实上，5G是一项革命，而非演进(图1)，为了让5G技术能满足通讯产业的期望，5G网络和终端装置需进行基本的改变，主要变革如下：
全新网络架构

图1　5G网络并不是替换用的标准，而是革命性的提升。

5G网络的目标是要支持超过一千倍的数据流量，要支持超过一千倍的流量，网络致密化就是一种方式。

另一方面，为了有效支持行动性还有覆盖范围，大型基地台须搭配高密度小型基地台(Small Cell)一起运作，于是网络就会具有分层结构。5G的目标是要在任何地方都能提供有保障的用户体验，这代表不能出现像现在基地台边缘效能降低的情形(其原因是基地台边缘干扰)，因此网络架构会由传统的蜂巢式架构转向分层式、非蜂巢式架构。

新的无线接口

对5G来说，网络不只是用来连接人用装置和终端设备，还要连接具有通讯功能的机器，在线的机器数量可能会比人用装置更多，不过这时候机器对机器(M2M)通讯可能会很零星，且数据流量低，现有的蜂巢式网络透过用户和基地台之间专用的信令互动，确保用户的上行链路讯号传输达到同步，因此可以支持多用户存取。

另外，还有专用的资源分配程序，可以为每个用户分配网络资源，对于零散低数据流量的M2M通讯来说，同步信令以及资源分配程序的负担太大，也无法扩充到足以满足所支持的机器数量，总之，在5G网络中，质量需求大不相同的各种不同应用将会并存，因此需要新的无线界面才能有效率地支持所有应用。

新的终端设计

在5G网络中，终端装置会面对多种无线存取技术(RAT)，例如3G/4G/5G、802.11n或11ac等，这些装置将会更聪明，可决定要使用哪种无线存取技术来满足效能要求并降低功耗，终端装置的定位准确度会提高，因此对于其所在位置将会更灵敏有智慧，像是要选用哪种无线存取技术技术这种工作，就会运用位置信息来帮助装置作出明智的决定。

在5G网络中，装置将可以进行装置对装置(D2D)通讯，而不需要利用基地台进行数据传输，支持更多无线存取技术技术、增强定位功能和D2D，这代表终端装置会变得越来越复杂，因此需要更多整合式系统单芯片(SoC)设计，并提升功耗管理技术。

新的网络优化及用户体验衡量标准

5G已提出许多新的网络优化衡量标准，这对5G网络设计有深远的影响，新的衡量标准包括，在每个地方都能提供有保障的数据速率，其直接影响就是重新思考蜂巢式架构；特定区域支持的装置数量；能源效率；毫秒级端对端延迟等，对于使用5G网络的用户来说，他们将会体验到前所未有的全新服务质量，例如极低的服务延迟、每个地方都有公平且有保障的服务质量、以及大幅提升的电池使用时间等。

新的商业模式和新的应用

有了5G技术和网络之后，可能就会有新的商业模式。举例来说，有了低延迟、有保障的高速无线服务之后，电信业者可以把租赁无线存取链结当作一项业务。D2D还可以促成新的商业模式，电信业者和用户可以合作提供更好的本地数据交换服务。对5G网络来说，会有许多新的应用可以期待，例如无线远程机器控制、透过5G网络来强化虚拟现实、D2D及M2M应用等(图2)。

图2　可支持5G无线存取网络关键变革的关键技术

5G 将形成分层式网络架构
近期的研究显示分层网络架构很有前景，分层网络包含两层，其一为大型基地台层，可用来支持行动性和覆盖范围；其二为大型基地台之下的高密度小型基地台，能为用户提供高速的数据存取。分层网络架构必须要应付干扰问题，有几种技术被提出来解决此问题，包括大规模多重输入多重输出(Massive MIMO)处理搭配预先编码、用于高密度小型基地台的毫米波(mmWave)技术，以及干扰协调和干扰消除等。

为了支持分层网络架构并有效率使用前面提到的技术来应付干扰问题，就须要有集中式基频处理设施，目前对于CRAN(集中式无线存取网络或云端无线存取网络)的概念已有广泛讨论。

大规模MIMO

无论是在分层网络架构还是在大型基地台，大规模MIMO技术是5G的关键技术之一。大型基地台和大规模MIMO处理使用数量庞大的天线，在良好的信道状态下，多位用户可使用相同的时间频率资源而不会相互干扰，藉由在分层架构中采用大规模MIMO处理和预先编码技术，基地台之间的干扰也会大幅降低，于是，大规模MIMO就可以大幅提升频谱效率以及能源效率。

毫米波宽带

毫米波频段具有宽广的频谱可进行宽带应用，近期研究已证实，运用毫米技术再搭配波束成形天线就能克服毫米频段的高传播损失，许多研究正探讨毫米波频段的传播特性，以便用在5G系统设计上。

全双工

现有的2G/3G/4G全都采用半双工传输，因为发射器对本身接收器的干扰很大，到了5G网络，研究人员正尝试透过自动干扰消除技术来进行全双工传输，全双工可以提升频谱效率，因此会更容易进行频谱重整(Refarming)，而在分层架构中因为要应付高密度小型基地台回程网络的挑战，所以此技术特别有吸引力，自动干扰消除还能大幅简化多频段收发器的设计。

异步多重存取

如同前面所提到的，5G必须支持数量庞大的机器以进行M2M通讯，若要有效率地支持M2M通讯，异步多重存取技术是其中的关键技术，因为它不须要有准确的同步，因此不需要进行信令互动来达到良好的同步运作。目前有许多异步多重存取技术的研究都正在进行中(图3)，像是滤波器组多载波(FBMC)、非正交多重存取(NOMA)等，那些异步多重存取技术具有另一项优点，即原本就能支持多频段讯号传输。

图3　多重存取技术(例如OFDM)vs.多载波波形频谱(使用不同的滤波重迭因子)、多载波波形零散频谱、原型滤波器设计

高速、高密度光纤无线存取

对于5G网络架构来说，其中有数量庞大的无线头端设备会透过光纤连接到基频处理池，大规模MIMO与高密度部署小型基地台都需要庞大的数据流量，以便在基频处理池和无线头端设备之间传输同相/正交(I/Q)数据，例如一百二十八个具有500MHz带宽的大规模MIMO天线数组会需要256GB/s的数据传输速率，如此便须要使用高速光纤无线存取。

5G RAT引发量测重大挑战

5G无线存取网络的这些关键技术已造成量测的重大挑战。接下来将探讨一些主要的挑战。

分层式网络测试复杂度遽增

全新的分层网络架构造成量测的重大挑战。首先，分层网络如何有效率支持用户，从行动性、覆盖范围、效能、延迟等各种面向都须要进行量测；其次，分层网络之下的多用户效能也须要量测，针对多用户的数量如何定义和执行压力测试；第三，对于全新的网络架构来说，如何处理干扰问题是一个重要的部分，而针对其运作的情形进行测试是另一种挑战，对于分层网络来说，它需要量测解决方案帮忙辨别效能问题并锁定问题。由于5G网络将会与其他无线存取网络并存相当长的时间，测试不同的无线存取技术技术如何一起运作，并服务5G装置是另一种挑战。

大规模MIMO须采用多通道OTA测试

大规模MIMO是一种复杂的系统，包含大规模MIMO基频处理、多通道射频前端、大规模MIMO天线数组等，所有这些组件会决定大规模MIMO系统的效能，大规模MIMO的第一种量测挑战，就是这些组件都须要有对应的测试解决方案，且不同的组件会有不同的测试接口。第二，为了评估系统效能(包括所有的组件在内)，因此还须要进行空中传输(OTA)测试，大规模MIMO系统的OTA测试须考虑到天线数组大小和OTA要求；第三，对于大规模MIMO测试来说，评估效能须要了解通道特性，并有效率仿真大规模MIMO通道特性。大规模MIMO系统本质上是一种多用户系统，因此测试多用户效能会带来另一种量测突破，对于所有大规模MIMO量测解决方案来说，都会面临通道数量扩充性和整个测试系统成本的挑战。

毫米波信道探测垫高仪器成本门坎

使用毫米波宽带会产生许多量测挑战，首先，若要设计具有多重天线的5G毫米波通讯系统，便须要进行毫米波通道量测，如此需要使用通道探测(Channel Sounding)解决方案，须支持宽广的带宽、MIMO量测、涵盖宽广的毫米波频率范围、具备很大的量测范围并支持长时间的连续量测。

第二，从测试仪器效能的观点来看，毫米波宽带通讯会对量测仪器造成巨大的挑战，讯号产生器和讯号分析仪都需要有500MHz到几GHz的带宽，对毫米波宽带功率放大器(PA)量测与线性测试来说，仪器须有3倍以上的讯号带宽才能撷取交互调变。

第三，互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程的进展，使得在芯片上实现毫米波系统更加可行。然而，CMOS制程变异和其他因素让这种系统单芯片(SoC)的良率非常低，特殊的自调适电路设计能应付制程变异和系统的其他瑕疵，藉以提升良率，例如自我修复(Self-healing)，但目前并无这种自调适系统的量测解决方案。相较于量测仪器对效能的要求，毫米波组件和系统测试则是在寻找具有成本效益的解决方案，目前的毫米波测试解决方案并非很具成本效益。

全双工系统注重干扰消除

全双工对于自动干扰消除效能有严格的要求，依照发射器功率来看，须有110dB以上的消除能力。这通常会透过三阶段的消除加以实现，包括天线、射频消除和基频。全双工系统须要准确估计自动干扰以便做好消除工作，其中一种就是自动干扰可能来自于装置和环境的交互作用，而这样的交互作用会持续进行动态改变，在真实的应用情境下撷取和仿真装置特性的动态，对全双工测试来说是一大挑战，提供准确的模型来仿真天线、射频接收器和基频的自动干扰是另一种量测挑战。全双工系统是一种自调适系统，如何定义压力测试并提供压力测试解决方案，以确保全双工系统在所有的目标应用情境下能满足效能要求，又是另一种挑战。 异步多重存取加重讯号分析负担。对于异步多重存取量测来说，须要具备讯号产生和讯号分析能力，然而，到目前为止，异步多重存取还没有标准化，量测必须朝向有效率地支持客制化的异步多重存取波形设计和分析。

高速高密度光纤无线存取接口标准纷杂

高速高密度光纤将用来连接基频处理池和无线头端设备，这对5G量测来说是重要的测试点，遇到的挑战如下。

第一，高速复数光学调变的量测解决方案，可用以确保高速光学链结和光纤处于良好状态；第二，量测高密度光纤接口上的射频讯号，以便确保射频讯号在不同的光纤接口上都经过妥善校验；第三，将讯号产生与分析仪器装入光纤无线接口，以测试基频处理和无线头端设备的效能。

目前光纤无线接口具有多种标准，而不同的网络设备制造商(NEM)在光纤无线接口上都有自己的附加组件，因此，要成为量测的标准接口非常困难。

接着，我们针对所面临的5G关键无线存取技术的量测，探讨其中的各种挑战。(图4)若要有效率应付5G的量测挑战，下列方法将非常重要。

图4　是德科技针对5G量测挑战所建构的平台

善用专业知识　解决5G量测问题

首先，在不同领域之中妥善利用量测的专业知识，以应付5G的量测挑战，举例来说，光学领域、雷达(RADAR)领域、无线通信领域、集成电路(IC)领域、射频(RF)领域和毫米波领域的专业知识，对于应付5G量测所面临的问题很重要。 第二，将现有解决方案延伸到新的应用情境，并着手解决新的应用情境所衍生的问题；第三，当现有解决方案无法运作且很难延伸到新的情境时，就开创不同的量测方法。

大规模MIMO系统效能测试

大规模MIMO系统测试(图5)必须支持多个不同接口的测试点，并涵盖相位天线数组、射频、光纤无线接口、大规模MIMO、OTA等不同领域的专业，是第一种方法很好的范例。

图5　大规模MIMO系统测试分析图

毫米波通道探测

对于毫米波通道探测(图6)来说，如果可以满足毫米波宽带要求，就能使用与MIMO通道探测相同的方法，因此，我们使用宽带毫米波仪器搭配MIMO信道探测算法，以实现MIMO毫米波通道探测解决方案，宽带毫米波通道探测的串流要求明显较高，这可透过实时预处理加以克服。

图6　毫米波通道探测图

大规模MIMO射频前端测试

很明显地，对于大规模MIMO射频前端测试来说，现有的测试解决方案从扩充性、测试速度和成本观点看来，并不是一种可行的解决方案，于是，此种测试需要一些不同的测试方法。

根据以上内文，我们探讨5G技术的驱动因素及相较于前一代的无线通信技术，并说明5G成为革命性技术的原因，进一步探讨5G关键促成技术，以及促成技术会面临的量测挑战的关键因素，最后在文章后段，提供三个范例加以说明量测构想。