IC-Substrat - Herausforderungen bei Effizienz und Machbarkeit bei 5G OTA-Tests

Der Weg zum Aufbau eines wirtschaftlich tragfähigen 5G over the air (OTA)-Testszenarios ist nicht sehr klar. Da 5G-Standardentwicklung, Netzwerkbereitstellung und Geräteherstellung unter enormem Druck stehen, konnten wir die damit verbundenen praktischen Probleme noch nicht durch das 5G OTA-Testsystem lösen. Dieser Artikel diskutiert einige der Herausforderungen und diskutiert mögliche Lösungen. Die neue Funktechnologie (NR, new radio) hat sich zu einer Gesamtlösung für alle aktuellen Anforderungen an drahtlose Kommunikation entwickelt, einschließlich Erreichen eines hohen Durchsatzes, niedriger Latenz und Verbesserung der Servicequalität (QoS, Quality of Service) für Endbenutzer. Und Qualität der Erfahrung (QoE, Qualität der Erfahrung). Die Hauptaufgabe besteht darin, dem exponentiellen Wachstum der Nutzer- und Servicekapazitäten in der mobilen Breitbandkommunikation gerecht zu werden. Der weltweite Mobilfunkverkehr wird in 2016 von 7.201 Gigabyte pro Monat auf etwa 48.270 Gigabyte pro Monat in 2021 steigen, eine Wachstumsrate von 670%. Es wird erwartet, dass 1 NR auch verwendet wird, um die massive Anzahl von Geräten zu verarbeiten, die mit IP-Netzwerken verbunden sind, deren Anzahl in 2021 etwa dreimal so hoch sein wird wie die Weltbevölkerung (auch steigen von 2,3-Netzwerkgeräten pro Kopf in 2016 auf 3,5 pro Kopf in 2021). Zu den Schlüsselmerkmalen von 5G gehören auch 99,999% wahrgenommene Verfügbarkeit und Ultra-Zuverlässigkeit, die die Komplexität erhöht.

Im Zuge des Wettbewerbs verschiedener Unternehmen um Wachstum, Konnektivität, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit haben sich 3GPP und CTIA zu einer standardisierenden Organisation entwickelt, die es ermöglicht, neue Technologien vollständig OTA-Tests durchzuführen, bevor sie in großem Maßstab eingesetzt werden. Basierend auf den bisherigen Erfahrungen der 4G OTA-Teststandardisierung ist die Schlüsselfrage, was durch den konsensusbasierten OTA-Teststandardisierungsprozess erreicht werden kann und wie er verwendet werden kann, um die praktischen Herausforderungen in der 5G-Bereitstellung und im Betrieb zu lösen. Mit dem Aufkommen neuer 5G-Konzepte wie MIMO-Technologie, Beamforming und weit verbreiteter Millimeterwellenfrequenzbänder sind 5G OTA-Tests in den letzten zehn Jahren zur größten Herausforderung in der drahtlosen Kommunikationsindustrie geworden und es ist auch ein wichtiger Meilenstein für die erfolgreiche Realisierung von 5G-Bereitstellung und -Betrieb.

5G OTA-Prüfverfahren

Das 3GPP TR 38.810 Protokoll diskutiert die Antennenkonfiguration von drei verschiedenen 5G-Geräten im Test (Prüfling, Prüfling) und mehreren 5G-OTA-Testmethoden, die in Tabelle 1 zusammengefasst sind. Unter ihnen eignet sich das Reverberation Chamber (RC)-Verfahren sehr gut zur Messung isotroper Key Performance Indicators (KPI), insbesondere der Gesamtstrahlungsempfindlichkeit (TIS) und Fehlemissionen. Neuere Forschungsergebnisse haben die Fähigkeit der Richtungsmessung durch Zeitumkehr oder Dopplererkennungseffekt2 erkannt, wie in Abbildung 1 gezeigt. Gleichzeitig entwickeln die Menschen auch einige neue Verwendungen von Nachhallräumen für 5G OTA-Tests, insbesondere für Geräte 3 in einer direktionalen Kanalumgebung und Echtzeit-OTA-Tests von Durchsatz und Verzögerung. Die Hall Room Methode hat einige positive Auswirkungen auf 5G Non-Standalone (NSA, Non-Standalone) und unabhängige (SA, Standalone) OTA Tests. Zum Beispiel, wenn es zur Lösung komplexer Multi-Carrier-Anforderungen verwendet wird, ist es im Vergleich zu anderen Lösungen erheblich reduziert. Einrichtungskosten. Obwohl das komplexe Mehrpfadsystem bedeutet, dass einige räumliche Informationen verloren gehen können, reicht es aus, um die Verzögerung und die Gesamtdurchsatzleistung in der isotropen 3D-Simulation auszugleichen. Letzteres kann der Nutzer schließlich in einem angemessenen Zeitfenster wahrnehmen. von. 5G OTA hat jedoch wenig Fortschritte bei der Anwendung der Nachhallraummethode für isotrope 5G-Kanalmodellsimulation gemacht. Gleichzeitig ist es, da die Hallraummethode keine starke Unterstützung in 3GPP aufweist, noch keine 5G standardisierte Testmethode.

Die Erweiterung von Multirobe-Anechoic (MPAC) auf 5G bedeutet die Notwendigkeit, 3D-Kanalmodelle und Millimeterwellen einzuführen, was die Komplexität und die Anzahl der erforderlichen Detektoren und unterstützenden Kanalsimulator-Ports erheblich erhöht, was die bereits reduzierte Ruhezone stark beeinflusst, so dass das Schema nicht durchführbar ist. Obwohl einige Forscher einige vereinfachte partitionierte Varianten der Multi-Sonde-Methode vorgeschlagen haben, müssen sie im Fernfeld betrieben werden. Diese zusätzliche Anforderung begrenzt zumindest die Anwendung des Multi-Probe-Verfahrens auf 5G OTA im Millimeterwellenfrequenzband. Einbeziehung von Radiated Two-Stage (RTS) in den Prozess der standardisierten 5G OTA-Prüfung, dank der offensichtlichen Koordination des Multi-Probe-Verfahrens unter Verwendung von 7 4G LTE FDD-Geräten in einem einzigen 2*2 Single-Carrier MIMO OTA-Modus. Die Antenneneigenschaften des "drahtlosen Kabels" des zu testenden Geräts sind jedoch nicht klar, und diese Eigenschaften müssen im Voraus gemessen werden, bevor diese Methode angewendet werden kann. Darüber hinaus ist die zweistufige Methode vorübergehend nicht in der Lage, 5G-Benutzerausrüstung (UE, Benutzerausrüstung) zur Verwendung der Beam Lock Test Funktion (UBF) zu unterstützen, was offensichtlich ein limitierender Faktor für standardisierte OTA-Tests ist. Andererseits wird die elektrische Größe des zu prüfenden Geräts nur durch die Größe der Prüfkammer beeinflusst.

Mit Hilfe eines Reflektors kann das Indirect Fernfeld (IFF) Compact Antenna Test Range (CATR)-Verfahren ein ebenes Wellenfeld auf kleinerem Raum erzeugen als das Direct Fernfeld (DFF)-Verfahren. Es scheint sehr geeignet für 5G-Millimeterwellen-OTA-Tests zu sein, kann aber nicht verschiedene Frequenzbänder bereitstellen. Aufgrund der aktuellen Situation hat das CTIA-Komitee kürzlich beschlossen, das IFF-Gesetz bei der Ausarbeitung des CTIA 5G NSA Millimeterwellen-OTA-Testplans v1.0, Version 4, der im zweiten Quartal von 2019 veröffentlicht wird, besonders zu berücksichtigen. Die NFTF-Methode weist Mängel bei der Prüfung der tatsächlichen Ausrüstung im Betrieb auf. Zunächst wurde mit dem NFTF-Testsystem die gleichwertige isotrope Strahlungsleistung (EIRP, Equivalent Isotrope Strahlungsleistung) und die gesamte Strahlungsleistung (TRP, Total Radiated Power) gemessen. Die DFF-Methode muss den Fraunhofer-Fernfeldabstand kennen, der im Millimeterwellenfrequenzbereich aufgrund von Raum- und Kostenbedarf und Verbindungsbudget nicht möglich ist. Aus Abb. 2 ist ersichtlich, dass mit zunehmender Größe des Arrays auch der Fernfeldbereich einer Reihe von N*N-Arrays mit halbem Wellenlängenabstand signifikant zunimmt. Die hybride Anwendung von DFF kann jedoch für das 5G Sub-6GHz Frequenzband sehr nützlich sein, da andere Methoden Mängel bei solchen niedrigen Frequenzen aufgedeckt haben. Offensichtlich gibt es derzeit keine einzige OTA-Methode, die alle Herausforderungen des 5G-Tests lösen kann. Als Reaktion auf die vielen Probleme, mit denen 5G OTA konfrontiert ist, fordern einige Unternehmen und Institutionen die Entwicklung neuer oder hybrider Testmethoden, um diese effektiv zu bewältigen. Das kürzlich veröffentlichte CATR+DFF+SNF 5G OTA Testsystem ist eine gute Wahl, wie in Abbildung 3 gezeigt. Ein optimiertes spezielles Reflektordesign kann den Millimeterwellenbereich (FR2 Frequenzband) und einen Teil des Sub-6 GHz Bereichs (FR1 Frequenzband) abdecken, und ein hybrider DFF/SNF Tower stellt sicher, dass FR1+FR2 OTA Tests gleichzeitig durchgeführt werden. Herausforderungen der 5G OTA-TestenVollständig integrierte AntennenarrayAnders als frühere Generationen ist 5G-Benutzerausrüstung nicht nur mit dichten Antennen gefüllt, wie in Abbildung 4 gezeigt, sondern auch nicht mit anderen Hochfrequenzports aufgrund seiner geringen Größe und der hohen Frequenz in einigen Frequenzbändern verbunden. Das Testen von Antennen-Arrays ohne Steckverbinder ist offensichtlich ein schwieriges Problem, weshalb wir OTA-Hochfrequenztests und -Kalibrierungen in einer streng kontrollierten Umgebung durchführen müssen. Neben der Signalleistungsprüfung und Leistungsmessung ist in der Regel eine Phasenkalibrierung zwischen den Verbindungen erforderlich. Die mögliche Kopplung und die Begrenzung der Form des Prüfobjekts führen dazu, dass die kohärente Kalibrierung jeder HF-Verbindung nicht notwendigerweise den optimalen Strahl bildet. Die Aufwärtskonvertierung des Millimeterwellenfrequenzbandes macht auch die Detektionsausrüstung komplizierter.