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仿真,測試和驗證三步解決5G RF設計問題

2021-05-08 來源:EEWORLD

本文作者:是德科技Xiang Li


2020年,業界實現了首個毫米波(mmWave)技術的5G網絡部署。實際測試發現,毫米波可實現大于1 Gbps的下行鏈路速度和高達3 Gbps的峰值速度。好消息是5G mmWave網絡上的下載速度比4G LTE網絡上的下載速度快20倍。測試還發現,5G mmWave可以覆蓋整個足球場館范圍,僅一個頻帶就能提供比LTE網絡高十倍的吞吐能力。


mmWave的缺點是:與LTE和5G低頻帶和中頻帶頻率相比,mmWave信號的范圍更短,無法穿透障礙。但是,mmWave的好處遠遠超過了這些缺點。mmWave正在全球范圍內大規模部署。真正的問題是,在5G設備設計方面,我們如何最大程度地減少mmWave的這些障礙?


雜散諧波和互調干擾


功率放大器和混頻器中的非線性會產生不必要的信號,這些信號會出現在分配的通道之外,從而干擾其他通道。我們將這些互調干擾稱為寄生諧波。在圖1中,感興趣的頻帶(基本頻率)之外的所有頻率都變成了不需要的寄生諧波。


由于波長短,很難從mmWave信號中消除寄生諧波。忽略此問題可能會違反有效各向同性輻射功率(EIRP)的FCC發射規則。從操作的角度來看,干擾附近的天線信號束可能會導致其他無線通信設備發生故障。


與無線通信中的其他噪聲信號一樣,您無法消除寄生諧波。很難確定諧波的來源及其所引起的干擾。即使確定了來源,也可能很難減少其影響。


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圖1.放大器的信號輸出功率可能包括雜散諧波干擾。


波束成形的性能驗證


mmWave的優勢不僅來自更廣泛的頻譜可用性,還來自更智能的無線電資源管理方法,例如波束成形。同時支持多個連接的相控陣天線系統的復雜性要求可靠的性能驗證過程。工程師需要考慮所有現實情況,并在部署之前驗證設計是否正常工作。


如何在適當信道模型的情況下,準確驗證波束形成信號和天線的性能。由于基站可能使用復雜的相控陣數字,模擬或混合波束成形技術,因此根據應用,連接的5G設備可能會使用不同類型的天線。因此,驗證連接過程以找到基站與5G設備之間的最佳傳輸通道至關重要,盡管這很困難。對于毫米波的超短波長,基站必須執行計算密集型的基帶預編碼過程,以選擇最佳預編碼調制以應用于每個用戶的信號流。


為了獲得最佳性能,工程師還需要驗證4G和5G兼容性。5G基礎設施和設備都必須支持雙模4G和5G操作,以在混合部署網絡中提供優質的用戶體驗。


此外,我們仍然具有預編碼算法,基站的RF相控陣多輸入多輸出(MIMO)系統架構以及需要驗證的多個手機天線放置和輻射方向圖。如果對5G mmWave的這些方面中的任何一個進行了錯誤的測量,則整個設計將失敗。此外,由于毫米波的波長短,設置驗證也非常具有挑戰性。設備的輕微錯位可能會顯著影響結果。


圖2顯示了常見的mmWave設備實驗室測試環境。被測設備位于中間的盒子中,該盒子將向反射器輻射信號(右側的彎曲物體),然后到達接收天線(此照片中未顯示)。紅線代表信號路徑。假設測試在100 GHz以下。這意味著信號的波長約為3毫米,任何3毫米左右的未對準都會對測試結果的準確性產生重大影響。實際上,反射器上的一個不明顯的凹痕,或者反射器的曲率變化了一小部分,都可能會導致錯誤的測量結果。


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圖2.此實驗室環境使工程師可以測試mmWave設備設計。


因此,通常需要很長時間來設置mmWave驗證測試并校準所有測試設備。實際鎖相環測量可能需要六個小時來設置和校準硬件。完成驗證測試可能需要更長的時間。


通訊協議一攬子問題


回想一下,mmWave信號具有很高的路徑損耗,這意味著它們無法傳播得很遠,也無法很好地穿透障礙物,例如墻壁或樹木。為了提供高數據速率并支持更多流量,5G基站消耗大量能量。


生產更具成本效益和能源效率的基站聽起來相對容易,但并不是這樣。5G mmWave基站比4G基站支持更廣泛的頻譜。另外,與4G基站相比,5G mmWave基站必須支持更多的功能。作為工程師,我們的目標是在不犧牲任何性能的情況下,使5G mmWave基站盡可能緊湊和經濟高效。為了更好地了解所涉及的尺寸,圖3是相控陣芯片組尺寸。


圖3中的部分僅代表5G基站的一小部分。最終,功能齊全的5G mmWave基站應達到100 Gb / s的空中傳輸速率,并具有數公里 覆蓋范圍。在降低部署成本方面,設計人員應利用低成本和傳統的制造技術,而無需使用特殊的包裝工藝和材料。


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圖3.相控陣芯片組構成了基站中的某些組件。


原型故障排除的復雜性


這個挑戰聽起來可能不像以前的挑戰那樣具有技術性,但是在實踐中它同樣普遍,其影響可能比任何技術挑戰都更糟。


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圖4. mmWave開發工作流程中的空白可能會阻礙測試工程師和設計工程師之間的溝通。


如前所述,mmWave設備設計要求工程師測量和驗證盡可能多的RF設備特性,在原型設備進入驗證階段之前,您已經需要考慮許多技術設計挑戰。此外,隨著無線技術和應用程序復雜性的增長,需要不同的技能來進行設備設計和驗證。如今,許多公司經常指定獨立的部門從事設計和測試。在某些情況下,設計團隊和測試團隊甚至位于不同的國家/地區,如圖4所示。因此,在設計團隊和測試團隊之間交換想法,數據和知識可能不是一件容易的事。由于知識,功能甚至地理上的差距,可能需要額外的時間。


例如,測試工程師可以執行天線測量,RF參數測試和功能/協議測試。并非由測試設置引起的性能問題可能很難解決。設計工程師和測試工程師必須合作解決任何設計問題。


仿真


通過仿真,工程師可以應對mmWave帶來的挑戰。隨著mmWave設備變得越來越流行,我們對仿真的依賴將越來越大。仿真可能無法解決上述所有挑戰,但可以肯定地簡化了設計過程。


從雜散諧波和互調干擾開始,設計人員可以使用仿真工具來預測頻率和方向。仿真還可以幫助確定空間輻射雜散諧波的根本原因,包括產生雜散諧波的組件以及RF鏈中使用的信號路徑。設計人員還可以模擬寄生諧波的特性,以評估其影響。


關于波束成形的性能驗證,仿真工具可以解決信號可視化和5G端到端系統許多不同方面的驗證,從而大大縮短開發時間。例如,仿真工具可以使用適當的相控陣天線來仿真5G鏈路級驗證,以驗證波束成形設計的性能。5G仿真工具可用于優化時間,頻率和空間資源。


為了提高基站的成本效率和占用空間,設計人員可以使用仿真工具來仿真其設計的主要組成部分,然后對整個系統進行適當的線性度和噪聲系數以及增益仿真。系統級建模和仿真使設計人員可以針對多個變量測試其設計,而無需實際設置測試設備。


仿真還可以幫助簡化原型設計。工程師可以直接在空中模擬他們的設計,以發現差異并預測結果。如果模擬和測試環境構建在一個通用平臺上,那么測試工程師就可以更輕松地判斷模擬是否與測試結果相符。如果設計工程師和測試工程師不在同一物理位置,則可以更輕松地進行遠程故障排除。


結論


更高頻率的毫米波頻譜可以以低延遲提供更快的數據速率,同時提供更大的通信量。 mmWave的這些優勢釋放了5G的真正潛力。在5G時代,mmWave將發揮作用 

一個非常重要的角色。它將在城市,室內辦公,交通樞紐和工業物聯網中大量使用。


盡管mmWave給設計帶來了巨大挑戰,但它的廣泛部署是不可避免的。設備制造商和網絡設備制造商可以在設計工作流程中采用更多的仿真解決方案,從而加快mmWave設計周期。 同時,他們還需要提高仿真精度,并連接設計仿真和原型測試工作流程。仿真為mmWave市場就緒產品提供了最短的時間,而無需大量投資或犧牲性能。


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