【導讀】為5G毫米波接口進行特性分析并不容易，過程中工程師必定會遭遇許多新的挑戰。本文探討其中一些挑戰及考慮因素，協助工程師輕松迎戰這些難題。
5G有許多頗具挑戰性的目標——括增加網絡容量、提升峰值數據速率以及讓行動通訊服務變得更可靠。其中有些目標需要將現今效能提高10倍、100倍或1,000倍，這在現有低于6GHz的頻譜中是無法達成的。因此，研究人員必須在高達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行特性分析，工程師面臨許多前所未有的新挑戰。本文探討其中一些挑戰及考慮因素，協助工程師輕松迎戰這些難題。
為了制訂新的無線接口標準，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來收集“通道脈沖響應”(CIR)數據，以便利用信道參數估算算法擷取信道參數，接著再將擷取到的數據用于新信道模型的建構，如圖1所示。
信道探測量測系統可分為各種不同類型，從簡單到復雜的都有，端視估算的參數而定。量測支持多路徑傳播的時變(time-varying)通道時，必須了解內含時間及相位信息的復雜脈沖響應。此外，能夠在類似條件下，利用不同的量測系統來復制或驗證量測，是一項重大的挑戰。
圖1：無線傳輸信道的模型是由信道探測、信道參數估算以及統計資料所組成
重要技術挑戰包括：
• 以大于500MHz帶寬及多通道支持，在毫米波頻率下進行信號產生及分析
• 數據擷取及儲存
• 通道參數估算
• 校驗及同步化
接下來討論有助于因應這些挑戰的一些重要考慮。
信號產生與分析
為了滿足使用者對于5G的高帶寬需求，無線接口標準將涵蓋高達100GHz的毫米波頻率，帶寬為500MHz至2GHz，而且支持多個通道。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。
這些量測系統必須能滿足前述的核心需求，并提供可重復的量測。重要系統組件包括基于基頻任意波形產生器(AWG)的寬帶數字模擬轉換器(DAC)，以及可當作寬帶數字轉換器或示波器使用的模擬數字轉換器(ADC)，以支持所需帶寬，并具備足以支持擷取信號所需動態范圍的分辨率。
同樣地，由于5G標準尚未制訂，測試設備應具備相當的靈活性，如此才可隨著測試要求及標準演進，而進行配置或重新配置。
數據擷取與儲存
透過具多信道功能的寬帶量測系統來收集原始數據時，單單一項8通道、1GHz帶寬的量測，便可在短短一秒內耗用高達數Gigabyte的數據，并迅速將磁盤驅動器塞爆。不僅如此，研究人員還必須擷取ADC的數據，然后存入儲存裝置。想要實時擷取并且以串流方式傳輸數據，根本是不可能的任務。唯一感到開心的是磁盤驅動器制造商，因為他們可以賣出更多的儲存裝置，但這種方法并不可行。
另外，還可考慮使用兩種可減少數據收集量的擷取方法：
• 若探測信號少于一個傳送周期，即可僅擷取有效數據、或僅擷取執行CIR計算所需的數據。這種方法可大幅減少所需收集的數據量。
• 接下來，則可利用內建的實時自動關聯及信號處理功能量測寬帶，以便在量測系統內產生有效CIR數據。此時只需儲存CIR結果，因而可大幅節省儲存空間，并加速提供CIR結果。
通道參數估算
截至目前為止，大多數的研究都是在單通道中完成的。MIMO通道引進了空間與關聯的概念，因而衍生出估算空間參數的主要問題。例如，研究人員需估算到達角(AoA)、出射角(AoD)、以及擴展角(AS)等參數。目前可用的信道參數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、同調性以及估算效能，ML估算算法是效能極佳的MIMO通道參數估算法。其中尤以運算量較低的SAGE算法(最大似然為基礎)最受研究人員的歡迎。
校驗與同步化
校驗與同步遠比取得準確、可重復的結果更為重要。藉由使用兩個銣頻率，為發射器和接收器提供穩定、高度精密的10MHz同步參考頻率，可實現發射器及接收器子系統的同步化，如圖2所示。此外，還必須透過觸發，將探測激發信號的產生及擷取同步化。
建構圖2所示的毫米波量測系統時，必須考慮校驗的效益：
• 系統校驗亦稱為“背對背”校驗，可將發射器連接到接收器，以對齊頻率參考與系統頻率，進而取得準確的振幅、相位及抵達時間估算。
• 基頻AWG的差動IQ輸出可能具有時序、增益及正交誤差，這會對信號質量造成影響。IQ失配校驗可修正AWG輸出之同相與正交相位信號之間的失衡。
• 多信道、寬帶數字轉換器或示波器可能在通道間出現時間及相位變異，因而將對量測結果造成影響。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信道在大頻率范圍內的振幅及相位差，并套用寬帶修正濾波器。
• 天線及功率校驗也必須列入考慮。您可查看天線制造商的校驗數據。若未提供，則可在微波試驗室內進行天線數組相位場型量測，并與天線數組的理論效能加以比較。
圖2：此量測系統包括用于精確Tx與Rx同步化的銣頻率，以及可將信號產生與數據擷取維持一致的擷取觸發器
結語
總之，想要對新的5G毫米波接口進行特性分析并不容易，過程中會遭遇許多新的挑戰。為了分析支持多路徑傳播的時變通道，必須使用復雜的量測系統，其中包含支持毫米波、寬帶信號及多個信道的測試設備；全面的校驗；以及同步化功能，以便利用有效的信道參數估算算法，進行真實且準確的信道模型特性分析，進而獲得準確且可重復的量測。
