С появлением сверхбольших систем MIMO число каналов выросло до 16, 32, 64 и даже до 128, что значительно увеличило время тестирования и, как следствие, стоимость. Производители сетевого оборудования вынуждены существенно повышать скорость тестирования, одновременно не допуская разрастания производственных площадей и обеспечивая масштабирование производственных испытаний.
В то же время частоты миллиметрового диапазона порождают проблемы энергетического баланса линий связи из-за больших потерь мощности на этих частотах и в связи с необходимостью тестирования по радиоэфиру, поскольку антенны подключаются непосредственно к ИС приёмопередатчика без промежуточного кабеля. Всё это приводит к сужению динамического диапазона. Выполнение точных измерений становится очень трудным. Для производителей сетевого оборудования жизненно важно снизить стоимость изготовления базовых станций, в то время как перечисленные проблемы требуют применения дополнительного оборудования, такого как камеры для тестирования по радиоэфиру и измерительные приборы с максимальными техническими характеристиками.
Практические решения тестирования по радиоэфиру для производства базовых станций
С появлением 5G и требований к увеличению полосы пропускания каналов производители сетевого оборудования были вынуждены покинуть привычный, но, увы, перегруженный спектр ниже 6 ГГц и перейти в свободные диапазоны более сложного миллиметрового спектра. Частоты ниже 6 ГГц, названные в стандарте 5G New Radio (5G NR) частотным диапазоном 1
(FR1), разительно отличаются от печально известного миллиметрового диапазона 2 (FR2), простирающегося от 24,25 до 52,6 ГГц.
Менее загруженный, по сравнению с частотами ниже 6 ГГц, миллиметровый диапазон позволяет достичь нужных пользователям скоростей передачи данных за счёт расширения полосы канала, поскольку этот диапазон практически не используется другими приложениями. И хотя этот аспект очень привлекателен, о характеристиках распространения миллиметровых волн этого не скажешь. В связи с большей дифракцией, глубиной проникновения и потерями в атмосфере этим частотам свойственно высокое затухание, что снижает дальность передачи радиосигналов. Это вынуждает применять фазированные антенные решётки и исключает возможность реализации контрольных точек для подключения пробников. В результате технологии 5G привели к резкому переходу от контактных замеров к измерениям через эфир (известным также как тестирование по радиоэфиру).
В схемах тестирования по радиоэфиру дополнительное затухание на пути от тестируемого устройства (ТУ) до измерительного прибора снижает отношение сигнала к шуму (С/Ш), что ухудшает такие параметры, как модуль вектора ошибки (EVM) и относительный уровень мощности в соседнем канале (ACPR). Значение ACPR играет критически важную роль в минимизации помех, гарантируя, что излучение устройства не выходит за пределы назначенного ему канала.
Для компенсации потерь в миллиметровом диапазоне инженеры-исследователи могут использовать высококачественные СВЧ-приборы. В производственных условиях применение таких приборов может оказаться неоправданным и привести к значительному росту стоимости тестирования. Вероятно, вместо этого лучше применить узкополосное решение, объединяющее приборы более низкого частотного диапазона с внешним миллиметровым трансивером и позволяющее сбалансировать стоимость и производительность. Это решение использует повышающее и понижающее преобразование частоты в измерительной плоскости, что снижает вносимые потери, обеспечивая нужные характеристики в существенно более широком диапазоне мощности. Такой подход позволяет создать значительно более экономичные и гибкие решения для производственного тестирования 5G на высоких частотах (см. рис. 1).
Применение масштабируемых приборов для увеличения числа частотных диапазонов и расширения полосы пропускания
Частотные диапазоны 5G NR разбиты на несколько поддиапазонов, пронумерованных от 1 до 255 для FR1 и от 257 до 511 – для FR2. Максимальная полоса канала расширена до 100 МГц для частот до 6 ГГц и до 400 МГц – для частот миллиметрового диапазона. Такая ширина канала в 5-20 раз превышает ширину канала стандарта LTE, поскольку LTE, LTE-A и LTE-A Pro имеют максимальную полосу канала 20 МГц. Максимальная ширина агрегатированного канала в 5G NR тоже существенно расширена (почти в 2 раза по сравнению с LTE) и достигает 400 МГц для FR1 и 1,6 ГГц – для FR2 по сравнению со 100 МГц в LTE-A и 640 МГц в LTE-A Pro.
Для минимизации стоимости тестирования сетевого оборудования 5G производители должны оснастить рабочие места приборами, способными гибко работать с большим числом частот (включая миллиметровый диапазон) и более широкими каналами 5G NR. Масштабируемость приборов помогает ограничить занимаемое ими пространство и, следовательно, сократить площади производственных помещений и арендную плату за них.
Увеличение ширины канала предъявляет также особые требования к модулю вектора ошибки (EVM), равномерности АЧХ и динамическому диапазону, которые значительно труднее удовлетворить. Производителям сетевого оборудования нужны приборы, обладающие превосходными радиочастотными параметрами и амплитудно-частотными и фазо-частотными характеристиками на низких частотах, что необходимо для снижения отношения сигнала к шуму (С/Ш) в результате коррекции. Кроме того, не следует забывать и о других факторах, влияющих на точность измерений, таких как электронные компоненты, коммутаторы и кабели в измерительной системе, и не забывать измерять АЧХ тестовых оснасток, кабелей, разъёмов и смесителей. Всех этих проблем можно избежать, применив выносную излучающую головку.
Модульные приборы ускоряют тестирование многоантенных систем
Для повышения спектральной эффективности и расширения зоны покрытия стандарт 5G использует MIMO и концепцию формирования диаграммы направленности. В ходе проверки конструкции многоантенные радиочастотные системы усложняют схему тестирования и требуют больше времени для достижения необходимой синхронизации. На этапе производства главной целью является гарантия нормальной работы каждого канала. Поэтому все каналы тестируются индивидуально.
Производителям сетевого оборудования нужны контрольно-измерительные решения, обеспечивающие быстрое тестирование и способные масштабироваться по мере перехода от устройств 4G с числом портов от 4 до 8 к устройствам 5G с числом каналов 16, 32, 64 или 128. Им нужны решения, поддерживающие многоканальное и многообъектное тестирование, а также обеспечивающие высокую пропускную способность. Например, в векторном трансивере (VXT) компании Keysight векторный генератор сигналов (VSG) и векторный анализатор сигналов (VSA) интегрированы в одном двухслотовом модуле формата PXIe. 18-слотовое шасси PXI высотой 4 единицы (4U) допускает установку до восьми модулей VXT. Кроме того, программные и аппаратные ускорители повышают скорость тестирования во всех диапазонах мощности и частот для нескольких каналов и радиоформатов.
Выбирая контрольно-измерительные решения для производства устройств 5G, следует обращать внимание на эффективность их работы в промышленной среде, учитывая полосу генерации и анализа сигналов, выходную мощность, фазовый шум, точность по амплитуде, значения EVM и ACLR (коэффициент утечки мощности в соседний канал), наличие автоматических функций, особенности калибровки и занимаемое место (см. рис. 2).
Сокращение разрыва между верификацией проекта и производством для ускорения выхода на рынок
В процессе производства оборудования 5G инженеры сталкиваются с серьёзными техническими проблемами, ведущими в итоге к удорожанию и срыву сроков выхода продукции на рынок. Масштабируемость, компактность и высокие радиочастотные характеристики применяемых контрольно-измерительных решений критически важны для охвата обоих диапазонов FR1 и FR2, перехода к MIMO более высокого порядка и сокращения процента пропущенного брака. Однако общая стратегия, способная сократить разрыв между интеграцией, верификацией проекта и серийным производством, может дать преимущество в борьбе за ускорение такого перехода. Общий интерфейс для программирования приложений (API) делает чудеса, облегчая интеграцию в производственные системы, а общее программное обеспечение помогает резко сократить трудоёмкость разработки, ускоряя выход на рынок. Кроме того, согласованные измерительные алгоритмы и общее оборудование могут обеспечить корреляцию данных на протяжении всего жизненного цикла продукта, позволяя сократить время перехода и ускорить диагностику проблем.
«Кто боится быть побеждённым, уверен
в поражении»
Цена проблем тестирования 5G далеко не шуточная. Большее число частотных диапазонов, большая полоса каналов и сложные многоантенные конфигурации могут существенно повысить затраты, потребовав применения более производительных приборов и увеличения времени тестирования. Но производители сетевого оборудования могут эффективно решить эти проблемы, установив партнёрские отношения с экспертами в области контрольно-измерительных технологий, способными предложить инновационные решения для преодоления технических сложностей стандарта 5G, одновременно контролируя их влияние на стоимость и время. Как сказал когда-то Наполеон Бонапарт: «Кто боится быть побеждённым, уверен в поражении». Не стоит позволять проблемам 5G тормозить продвижение к лидерству на рынке.
Дополнительная информация о проблемах и решениях для производственного тестирования 5G размещена на сайте компании Keysight Technologies [1]. Там же можно узнать больше о тестировании базовых станций в условиях крупносерийного производства [2].
Литература
https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-3659EN.pdf?id=3027259.
https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-3334EN.pdf?id=3004723.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
