【導(dǎo)讀】為5G毫米波接口進(jìn)行特性分析并不容易，過程中工程師必定會(huì)遭遇許多新的挑戰(zhàn)。本文探討其中一些挑戰(zhàn)及考慮因素，協(xié)助工程師輕松迎戰(zhàn)這些難題。
5G有許多頗具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)——括增加網(wǎng)絡(luò)容量、提升峰值數(shù)據(jù)速率以及讓行動(dòng)通訊服務(wù)變得更可靠。其中有些目標(biāo)需要將現(xiàn)今效能提高10倍、100倍或1,000倍，這在現(xiàn)有低于6GHz的頻譜中是無法達(dá)成的。因此，研究人員必須在高達(dá)100GHz厘米波(cm)及毫米波(mmWave)頻率中研究新的無線接口。
為了對射頻(RF)信道之毫米波頻率進(jìn)行特性分析，工程師面臨許多前所未有的新挑戰(zhàn)。本文探討其中一些挑戰(zhàn)及考慮因素，協(xié)助工程師輕松迎戰(zhàn)這些難題。
為了制訂新的無線接口標(biāo)準(zhǔn)，研究人員必須能夠評估RF通道的特性，才能了解RF信號透過信道傳遞的方式。研究人員目前使用通道探測技術(shù)來收集“通道脈沖響應(yīng)”(CIR)數(shù)據(jù)，以便利用信道參數(shù)估算算法擷取信道參數(shù)，接著再將擷取到的數(shù)據(jù)用于新信道模型的建構(gòu)，如圖1所示。
信道探測量測系統(tǒng)可分為各種不同類型，從簡單到復(fù)雜的都有，端視估算的參數(shù)而定。量測支持多路徑傳播的時(shí)變(time-varying)通道時(shí)，必須了解內(nèi)含時(shí)間及相位信息的復(fù)雜脈沖響應(yīng)。此外，能夠在類似條件下，利用不同的量測系統(tǒng)來復(fù)制或驗(yàn)證量測，是一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)。
圖1：無線傳輸信道的模型是由信道探測、信道參數(shù)估算以及統(tǒng)計(jì)資料所組成
重要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：
• 以大于500MHz帶寬及多通道支持，在毫米波頻率下進(jìn)行信號產(chǎn)生及分析
• 數(shù)據(jù)擷取及儲(chǔ)存
• 通道參數(shù)估算
• 校驗(yàn)及同步化
接下來討論有助于因應(yīng)這些挑戰(zhàn)的一些重要考慮。
信號產(chǎn)生與分析
為了滿足使用者對于5G的高帶寬需求，無線接口標(biāo)準(zhǔn)將涵蓋高達(dá)100GHz的毫米波頻率，帶寬為500MHz至2GHz，而且支持多個(gè)通道。在此情況下，研究人員需考慮非常多的因素，而且亟需高效能的信道探測系統(tǒng)。
這些量測系統(tǒng)必須能滿足前述的核心需求，并提供可重復(fù)的量測。重要系統(tǒng)組件包括基于基頻任意波形產(chǎn)生器(AWG)的寬帶數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)，以及可當(dāng)作寬帶數(shù)字轉(zhuǎn)換器或示波器使用的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，以支持所需帶寬，并具備足以支持?jǐn)X取信號所需動(dòng)態(tài)范圍的分辨率。
同樣地，由于5G標(biāo)準(zhǔn)尚未制訂，測試設(shè)備應(yīng)具備相當(dāng)?shù)撵`活性，如此才可隨著測試要求及標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)，而進(jìn)行配置或重新配置。
數(shù)據(jù)擷取與儲(chǔ)存
透過具多信道功能的寬帶量測系統(tǒng)來收集原始數(shù)據(jù)時(shí)，單單一項(xiàng)8通道、1GHz帶寬的量測，便可在短短一秒內(nèi)耗用高達(dá)數(shù)Gigabyte的數(shù)據(jù)，并迅速將磁盤驅(qū)動(dòng)器塞爆。不僅如此，研究人員還必須擷取ADC的數(shù)據(jù)，然后存入儲(chǔ)存裝置。想要實(shí)時(shí)擷取并且以串流方式傳輸數(shù)據(jù)，根本是不可能的任務(wù)。唯一感到開心的是磁盤驅(qū)動(dòng)器制造商，因?yàn)樗麄兛梢再u出更多的儲(chǔ)存裝置，但這種方法并不可行。
另外，還可考慮使用兩種可減少數(shù)據(jù)收集量的擷取方法：
• 若探測信號少于一個(gè)傳送周期，即可僅擷取有效數(shù)據(jù)、或僅擷取執(zhí)行CIR計(jì)算所需的數(shù)據(jù)。這種方法可大幅減少所需收集的數(shù)據(jù)量。
• 接下來，則可利用內(nèi)建的實(shí)時(shí)自動(dòng)關(guān)聯(lián)及信號處理功能量測寬帶，以便在量測系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生有效CIR數(shù)據(jù)。此時(shí)只需儲(chǔ)存CIR結(jié)果，因而可大幅節(jié)省儲(chǔ)存空間，并加速提供CIR結(jié)果。
通道參數(shù)估算
截至目前為止，大多數(shù)的研究都是在單通道中完成的。MIMO通道引進(jìn)了空間與關(guān)聯(lián)的概念，因而衍生出估算空間參數(shù)的主要問題。例如，研究人員需估算到達(dá)角(AoA)、出射角(AoD)、以及擴(kuò)展角(AS)等參數(shù)。目前可用的信道參數(shù)估算算法包括波束成形、子空間，以及最大似然(Maximum Likelihood，ML)等多種方法。
為了一致性、同調(diào)性以及估算效能，ML估算算法是效能極佳的MIMO通道參數(shù)估算法。其中尤以運(yùn)算量較低的SAGE算法(最大似然為基礎(chǔ))最受研究人員的歡迎。
校驗(yàn)與同步化
校驗(yàn)與同步遠(yuǎn)比取得準(zhǔn)確、可重復(fù)的結(jié)果更為重要。藉由使用兩個(gè)銣頻率，為發(fā)射器和接收器提供穩(wěn)定、高度精密的10MHz同步參考頻率，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射器及接收器子系統(tǒng)的同步化，如圖2所示。此外，還必須透過觸發(fā)，將探測激發(fā)信號的產(chǎn)生及擷取同步化。
建構(gòu)圖2所示的毫米波量測系統(tǒng)時(shí)，必須考慮校驗(yàn)的效益：
• 系統(tǒng)校驗(yàn)亦稱為“背對背”校驗(yàn)，可將發(fā)射器連接到接收器，以對齊頻率參考與系統(tǒng)頻率，進(jìn)而取得準(zhǔn)確的振幅、相位及抵達(dá)時(shí)間估算。
• 基頻AWG的差動(dòng)IQ輸出可能具有時(shí)序、增益及正交誤差，這會(huì)對信號質(zhì)量造成影響。IQ失配校驗(yàn)可修正AWG輸出之同相與正交相位信號之間的失衡。
• 多信道、寬帶數(shù)字轉(zhuǎn)換器或示波器可能在通道間出現(xiàn)時(shí)間及相位變異，因而將對量測結(jié)果造成影響。您可用各種方法量測整體的通道頻率偏差，其中一種方法是量測各個(gè)信道在大頻率范圍內(nèi)的振幅及相位差，并套用寬帶修正濾波器。
• 天線及功率校驗(yàn)也必須列入考慮。您可查看天線制造商的校驗(yàn)數(shù)據(jù)。若未提供，則可在微波試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行天線數(shù)組相位場型量測，并與天線數(shù)組的理論效能加以比較。
圖2：此量測系統(tǒng)包括用于精確Tx與Rx同步化的銣頻率，以及可將信號產(chǎn)生與數(shù)據(jù)擷取維持一致的擷取觸發(fā)器
結(jié)語
總之，想要對新的5G毫米波接口進(jìn)行特性分析并不容易，過程中會(huì)遭遇許多新的挑戰(zhàn)。為了分析支持多路徑傳播的時(shí)變通道，必須使用復(fù)雜的量測系統(tǒng)，其中包含支持毫米波、寬帶信號及多個(gè)信道的測試設(shè)備；全面的校驗(yàn)；以及同步化功能，以便利用有效的信道參數(shù)估算算法，進(jìn)行真實(shí)且準(zhǔn)確的信道模型特性分析，進(jìn)而獲得準(zhǔn)確且可重復(fù)的量測。
