邁向分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 5G通訊系統(tǒng)引發(fā)量測技術(shù)變革 - 全文

作者：Hongwei Kong 是德科技中國北京實(shí)驗(yàn)室

5G無線通信系統(tǒng)將運(yùn)用極密集網(wǎng)絡(luò)布建方式達(dá)成更高帶寬與傳輸速率，因而須以分層式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行管理，以提高網(wǎng)絡(luò)效率與服務(wù)質(zhì)量；而此一架構(gòu)的轉(zhuǎn)變已引發(fā)全新量測挑戰(zhàn)，促使儀器開發(fā)商加緊研發(fā)新一代測試方案，迎合5G發(fā)展需求。

無線通信產(chǎn)業(yè)正與全世界研究5G關(guān)鍵促成技術(shù)的學(xué)者緊密合作。本文將探討5G技術(shù)的驅(qū)動(dòng)因素及相較于前一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，是那些特點(diǎn)讓5G成為革命性行動(dòng)通訊科技，并探討即將帶動(dòng)重大變革的5G關(guān)鍵促成技術(shù)。

此外，文中將檢視系統(tǒng)的重大變革，針對這些新技術(shù)，深入探討量測挑戰(zhàn)，同時(shí)提出一些范例與構(gòu)想，說明如何有效克服5G關(guān)鍵技術(shù)的量測挑戰(zhàn)。

5G牽動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)革命

5G預(yù)期將成為帶動(dòng)無線產(chǎn)業(yè)革命的行動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)，并即將于2020年轉(zhuǎn)變成商業(yè)化的通訊技術(shù)。驅(qū)動(dòng)5G技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力，是為了滿足急遽變化的行動(dòng)通訊需求，這些需求涵蓋了數(shù)據(jù)流量、聯(lián)機(jī)裝置數(shù)量、節(jié)能和頻譜效率、低延遲，以及有保障的用戶體驗(yàn)。

前述種種需求，將促成無線網(wǎng)絡(luò)、裝置和零件設(shè)計(jì)的破壞性創(chuàng)新，以便達(dá)到最終目標(biāo)。事實(shí)上，5G是一項(xiàng)革命，而非演進(jìn)(圖1)，為了讓5G技術(shù)能滿足通訊產(chǎn)業(yè)的期望，5G網(wǎng)絡(luò)和終端裝置需進(jìn)行基本的改變，主要變革如下：
全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1　5G網(wǎng)絡(luò)并不是替換用的標(biāo)準(zhǔn)，而是革命性的提升。

5G網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是要支持超過一千倍的數(shù)據(jù)流量，要支持超過一千倍的流量，網(wǎng)絡(luò)致密化就是一種方式。

另一方面，為了有效支持行動(dòng)性還有覆蓋范圍，大型基地臺(tái)須搭配高密度小型基地臺(tái)(Small Cell)一起運(yùn)作，于是網(wǎng)絡(luò)就會(huì)具有分層結(jié)構(gòu)。5G的目標(biāo)是要在任何地方都能提供有保障的用戶體驗(yàn)，這代表不能出現(xiàn)像現(xiàn)在基地臺(tái)邊緣效能降低的情形(其原因是基地臺(tái)邊緣干擾)，因此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)會(huì)由傳統(tǒng)的蜂巢式架構(gòu)轉(zhuǎn)向分層式、非蜂巢式架構(gòu)。

新的無線接口

對5G來說，網(wǎng)絡(luò)不只是用來連接人用裝置和終端設(shè)備，還要連接具有通訊功能的機(jī)器，在線的機(jī)器數(shù)量可能會(huì)比人用裝置更多，不過這時(shí)候機(jī)器對機(jī)器(M2M)通訊可能會(huì)很零星，且數(shù)據(jù)流量低，現(xiàn)有的蜂巢式網(wǎng)絡(luò)透過用戶和基地臺(tái)之間專用的信令互動(dòng)，確保用戶的上行鏈路訊號(hào)傳輸達(dá)到同步，因此可以支持多用戶存取。

另外，還有專用的資源分配程序，可以為每個(gè)用戶分配網(wǎng)絡(luò)資源，對于零散低數(shù)據(jù)流量的M2M通訊來說，同步信令以及資源分配程序的負(fù)擔(dān)太大，也無法擴(kuò)充到足以滿足所支持的機(jī)器數(shù)量，總之，在5G網(wǎng)絡(luò)中，質(zhì)量需求大不相同的各種不同應(yīng)用將會(huì)并存，因此需要新的無線界面才能有效率地支持所有應(yīng)用。

新的終端設(shè)計(jì)

在5G網(wǎng)絡(luò)中，終端裝置會(huì)面對多種無線存取技術(shù)(RAT)，例如3G/4G/5G、802.11n或11ac等，這些裝置將會(huì)更聰明，可決定要使用哪種無線存取技術(shù)來滿足效能要求并降低功耗，終端裝置的定位準(zhǔn)確度會(huì)提高，因此對于其所在位置將會(huì)更靈敏有智慧，像是要選用哪種無線存取技術(shù)技術(shù)這種工作，就會(huì)運(yùn)用位置信息來幫助裝置作出明智的決定。

在5G網(wǎng)絡(luò)中，裝置將可以進(jìn)行裝置對裝置(D2D)通訊，而不需要利用基地臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，支持更多無線存取技術(shù)技術(shù)、增強(qiáng)定位功能和D2D，這代表終端裝置會(huì)變得越來越復(fù)雜，因此需要更多整合式系統(tǒng)單芯片(SoC)設(shè)計(jì)，并提升功耗管理技術(shù)。

新的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及用戶體驗(yàn)衡量標(biāo)準(zhǔn)

5G已提出許多新的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化衡量標(biāo)準(zhǔn)，這對5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)有深遠(yuǎn)的影響，新的衡量標(biāo)準(zhǔn)包括，在每個(gè)地方都能提供有保障的數(shù)據(jù)速率，其直接影響就是重新思考蜂巢式架構(gòu)；特定區(qū)域支持的裝置數(shù)量；能源效率；毫秒級端對端延遲等，對于使用5G網(wǎng)絡(luò)的用戶來說，他們將會(huì)體驗(yàn)到前所未有的全新服務(wù)質(zhì)量，例如極低的服務(wù)延遲、每個(gè)地方都有公平且有保障的服務(wù)質(zhì)量、以及大幅提升的電池使用時(shí)間等。

新的商業(yè)模式和新的應(yīng)用

有了5G技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)之后，可能就會(huì)有新的商業(yè)模式。舉例來說，有了低延遲、有保障的高速無線服務(wù)之后，電信業(yè)者可以把租賃無線存取鏈結(jié)當(dāng)作一項(xiàng)業(yè)務(wù)。D2D還可以促成新的商業(yè)模式，電信業(yè)者和用戶可以合作提供更好的本地?cái)?shù)據(jù)交換服務(wù)。對5G網(wǎng)絡(luò)來說，會(huì)有許多新的應(yīng)用可以期待，例如無線遠(yuǎn)程機(jī)器控制、透過5G網(wǎng)絡(luò)來強(qiáng)化虛擬現(xiàn)實(shí)、D2D及M2M應(yīng)用等(圖2)。

圖2　可支持5G無線存取網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵變革的關(guān)鍵技術(shù)

5G 將形成分層式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
近期的研究顯示分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)很有前景，分層網(wǎng)絡(luò)包含兩層，其一為大型基地臺(tái)層，可用來支持行動(dòng)性和覆蓋范圍；其二為大型基地臺(tái)之下的高密度小型基地臺(tái)，能為用戶提供高速的數(shù)據(jù)存取。分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須要應(yīng)付干擾問題，有幾種技術(shù)被提出來解決此問題，包括大規(guī)模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)處理搭配預(yù)先編碼、用于高密度小型基地臺(tái)的毫米波(mmWave)技術(shù)，以及干擾協(xié)調(diào)和干擾消除等。

為了支持分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并有效率使用前面提到的技術(shù)來應(yīng)付干擾問題，就須要有集中式基頻處理設(shè)施，目前對于CRAN(集中式無線存取網(wǎng)絡(luò)或云端無線存取網(wǎng)絡(luò))的概念已有廣泛討論。

大規(guī)模MIMO

無論是在分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還是在大型基地臺(tái)，大規(guī)模MIMO技術(shù)是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。大型基地臺(tái)和大規(guī)模MIMO處理使用數(shù)量龐大的天線，在良好的信道狀態(tài)下，多位用戶可使用相同的時(shí)間頻率資源而不會(huì)相互干擾，藉由在分層架構(gòu)中采用大規(guī)模MIMO處理和預(yù)先編碼技術(shù)，基地臺(tái)之間的干擾也會(huì)大幅降低，于是，大規(guī)模MIMO就可以大幅提升頻譜效率以及能源效率。

毫米波寬帶

毫米波頻段具有寬廣的頻譜可進(jìn)行寬帶應(yīng)用，近期研究已證實(shí)，運(yùn)用毫米技術(shù)再搭配波束成形天線就能克服毫米頻段的高傳播損失，許多研究正探討毫米波頻段的傳播特性，以便用在5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)上。

全雙工

現(xiàn)有的2G/3G/4G全都采用半雙工傳輸，因?yàn)榘l(fā)射器對本身接收器的干擾很大，到了5G網(wǎng)絡(luò)，研究人員正嘗試透過自動(dòng)干擾消除技術(shù)來進(jìn)行全雙工傳輸，全雙工可以提升頻譜效率，因此會(huì)更容易進(jìn)行頻譜重整(Refarming)，而在分層架構(gòu)中因?yàn)橐獞?yīng)付高密度小型基地臺(tái)回程網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)，所以此技術(shù)特別有吸引力，自動(dòng)干擾消除還能大幅簡化多頻段收發(fā)器的設(shè)計(jì)。

異步多重存取

如同前面所提到的，5G必須支持?jǐn)?shù)量龐大的機(jī)器以進(jìn)行M2M通訊，若要有效率地支持M2M通訊，異步多重存取技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)，因?yàn)樗豁氁袦?zhǔn)確的同步，因此不需要進(jìn)行信令互動(dòng)來達(dá)到良好的同步運(yùn)作。目前有許多異步多重存取技術(shù)的研究都正在進(jìn)行中(圖3)，像是濾波器組多載波(FBMC)、非正交多重存取(NOMA)等，那些異步多重存取技術(shù)具有另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，即原本就能支持多頻段訊號(hào)傳輸。

圖3　多重存取技術(shù)(例如OFDM)vs.多載波波形頻譜(使用不同的濾波重迭因子)、多載波波形零散頻譜、原型濾波器設(shè)計(jì)

高速、高密度光纖無線存取

對于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來說，其中有數(shù)量龐大的無線頭端設(shè)備會(huì)透過光纖連接到基頻處理池，大規(guī)模MIMO與高密度部署小型基地臺(tái)都需要龐大的數(shù)據(jù)流量，以便在基頻處理池和無線頭端設(shè)備之間傳輸同相/正交(I/Q)數(shù)據(jù)，例如一百二十八個(gè)具有500MHz帶寬的大規(guī)模MIMO天線數(shù)組會(huì)需要256GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，如此便須要使用高速光纖無線存取。

5G RAT引發(fā)量測重大挑戰(zhàn)

5G無線存取網(wǎng)絡(luò)的這些關(guān)鍵技術(shù)已造成量測的重大挑戰(zhàn)。接下來將探討一些主要的挑戰(zhàn)。

分層式網(wǎng)絡(luò)測試復(fù)雜度遽增

全新的分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)造成量測的重大挑戰(zhàn)。首先，分層網(wǎng)絡(luò)如何有效率支持用戶，從行動(dòng)性、覆蓋范圍、效能、延遲等各種面向都須要進(jìn)行量測；其次，分層網(wǎng)絡(luò)之下的多用戶效能也須要量測，針對多用戶的數(shù)量如何定義和執(zhí)行壓力測試；第三，對于全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來說，如何處理干擾問題是一個(gè)重要的部分，而針對其運(yùn)作的情形進(jìn)行測試是另一種挑戰(zhàn)，對于分層網(wǎng)絡(luò)來說，它需要量測解決方案幫忙辨別效能問題并鎖定問題。由于5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)與其他無線存取網(wǎng)絡(luò)并存相當(dāng)長的時(shí)間，測試不同的無線存取技術(shù)技術(shù)如何一起運(yùn)作，并服務(wù)5G裝置是另一種挑戰(zhàn)。

大規(guī)模MIMO須采用多通道OTA測試

大規(guī)模MIMO是一種復(fù)雜的系統(tǒng)，包含大規(guī)模MIMO基頻處理、多通道射頻前端、大規(guī)模MIMO天線數(shù)組等，所有這些組件會(huì)決定大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的效能，大規(guī)模MIMO的第一種量測挑戰(zhàn)，就是這些組件都須要有對應(yīng)的測試解決方案，且不同的組件會(huì)有不同的測試接口。第二，為了評估系統(tǒng)效能(包括所有的組件在內(nèi))，因此還須要進(jìn)行空中傳輸(OTA)測試，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的OTA測試須考慮到天線數(shù)組大小和OTA要求；第三，對于大規(guī)模MIMO測試來說，評估效能須要了解通道特性，并有效率仿真大規(guī)模MIMO通道特性。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)本質(zhì)上是一種多用戶系統(tǒng)，因此測試多用戶效能會(huì)帶來另一種量測突破，對于所有大規(guī)模MIMO量測解決方案來說，都會(huì)面臨通道數(shù)量擴(kuò)充性和整個(gè)測試系統(tǒng)成本的挑戰(zhàn)。

毫米波信道探測墊高儀器成本門坎

使用毫米波寬帶會(huì)產(chǎn)生許多量測挑戰(zhàn)，首先，若要設(shè)計(jì)具有多重天線的5G毫米波通訊系統(tǒng)，便須要進(jìn)行毫米波通道量測，如此需要使用通道探測(Channel Sounding)解決方案，須支持寬廣的帶寬、MIMO量測、涵蓋寬廣的毫米波頻率范圍、具備很大的量測范圍并支持長時(shí)間的連續(xù)量測。

第二，從測試儀器效能的觀點(diǎn)來看，毫米波寬帶通訊會(huì)對量測儀器造成巨大的挑戰(zhàn)，訊號(hào)產(chǎn)生器和訊號(hào)分析儀都需要有500MHz到幾GHz的帶寬，對毫米波寬帶功率放大器(PA)量測與線性測試來說，儀器須有3倍以上的訊號(hào)帶寬才能擷取交互調(diào)變。

第三，互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制程的進(jìn)展，使得在芯片上實(shí)現(xiàn)毫米波系統(tǒng)更加可行。然而，CMOS制程變異和其他因素讓這種系統(tǒng)單芯片(SoC)的良率非常低，特殊的自調(diào)適電路設(shè)計(jì)能應(yīng)付制程變異和系統(tǒng)的其他瑕疵，藉以提升良率，例如自我修復(fù)(Self-healing)，但目前并無這種自調(diào)適系統(tǒng)的量測解決方案。相較于量測儀器對效能的要求，毫米波組件和系統(tǒng)測試則是在尋找具有成本效益的解決方案，目前的毫米波測試解決方案并非很具成本效益。

全雙工系統(tǒng)注重干擾消除

全雙工對于自動(dòng)干擾消除效能有嚴(yán)格的要求，依照發(fā)射器功率來看，須有110dB以上的消除能力。這通常會(huì)透過三階段的消除加以實(shí)現(xiàn)，包括天線、射頻消除和基頻。全雙工系統(tǒng)須要準(zhǔn)確估計(jì)自動(dòng)干擾以便做好消除工作，其中一種就是自動(dòng)干擾可能來自于裝置和環(huán)境的交互作用，而這樣的交互作用會(huì)持續(xù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)改變，在真實(shí)的應(yīng)用情境下擷取和仿真裝置特性的動(dòng)態(tài)，對全雙工測試來說是一大挑戰(zhàn)，提供準(zhǔn)確的模型來仿真天線、射頻接收器和基頻的自動(dòng)干擾是另一種量測挑戰(zhàn)。全雙工系統(tǒng)是一種自調(diào)適系統(tǒng)，如何定義壓力測試并提供壓力測試解決方案，以確保全雙工系統(tǒng)在所有的目標(biāo)應(yīng)用情境下能滿足效能要求，又是另一種挑戰(zhàn)。 異步多重存取加重訊號(hào)分析負(fù)擔(dān)。對于異步多重存取量測來說，須要具備訊號(hào)產(chǎn)生和訊號(hào)分析能力，然而，到目前為止，異步多重存取還沒有標(biāo)準(zhǔn)化，量測必須朝向有效率地支持客制化的異步多重存取波形設(shè)計(jì)和分析。

高速高密度光纖無線存取接口標(biāo)準(zhǔn)紛雜

高速高密度光纖將用來連接基頻處理池和無線頭端設(shè)備，這對5G量測來說是重要的測試點(diǎn)，遇到的挑戰(zhàn)如下。

第一，高速復(fù)數(shù)光學(xué)調(diào)變的量測解決方案，可用以確保高速光學(xué)鏈結(jié)和光纖處于良好狀態(tài)；第二，量測高密度光纖接口上的射頻訊號(hào)，以便確保射頻訊號(hào)在不同的光纖接口上都經(jīng)過妥善校驗(yàn)；第三，將訊號(hào)產(chǎn)生與分析儀器裝入光纖無線接口，以測試基頻處理和無線頭端設(shè)備的效能。

目前光纖無線接口具有多種標(biāo)準(zhǔn)，而不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商(NEM)在光纖無線接口上都有自己的附加組件，因此，要成為量測的標(biāo)準(zhǔn)接口非常困難。

接著，我們針對所面臨的5G關(guān)鍵無線存取技術(shù)的量測，探討其中的各種挑戰(zhàn)。(圖4)若要有效率應(yīng)付5G的量測挑戰(zhàn)，下列方法將非常重要。

圖4　是德科技針對5G量測挑戰(zhàn)所建構(gòu)的平臺(tái)

善用專業(yè)知識(shí)　解決5G量測問題

首先，在不同領(lǐng)域之中妥善利用量測的專業(yè)知識(shí)，以應(yīng)付5G的量測挑戰(zhàn)，舉例來說，光學(xué)領(lǐng)域、雷達(dá)(RADAR)領(lǐng)域、無線通信領(lǐng)域、集成電路(IC)領(lǐng)域、射頻(RF)領(lǐng)域和毫米波領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，對于應(yīng)付5G量測所面臨的問題很重要。 第二，將現(xiàn)有解決方案延伸到新的應(yīng)用情境，并著手解決新的應(yīng)用情境所衍生的問題；第三，當(dāng)現(xiàn)有解決方案無法運(yùn)作且很難延伸到新的情境時(shí)，就開創(chuàng)不同的量測方法。

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)效能測試

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)測試(圖5)必須支持多個(gè)不同接口的測試點(diǎn)，并涵蓋相位天線數(shù)組、射頻、光纖無線接口、大規(guī)模MIMO、OTA等不同領(lǐng)域的專業(yè)，是第一種方法很好的范例。

圖5　大規(guī)模MIMO系統(tǒng)測試分析圖

毫米波通道探測

對于毫米波通道探測(圖6)來說，如果可以滿足毫米波寬帶要求，就能使用與MIMO通道探測相同的方法，因此，我們使用寬帶毫米波儀器搭配MIMO信道探測算法，以實(shí)現(xiàn)MIMO毫米波通道探測解決方案，寬帶毫米波通道探測的串流要求明顯較高，這可透過實(shí)時(shí)預(yù)處理加以克服。

圖6　毫米波通道探測圖

大規(guī)模MIMO射頻前端測試

很明顯地，對于大規(guī)模MIMO射頻前端測試來說，現(xiàn)有的測試解決方案從擴(kuò)充性、測試速度和成本觀點(diǎn)看來，并不是一種可行的解決方案，于是，此種測試需要一些不同的測試方法。

根據(jù)以上內(nèi)文，我們探討5G技術(shù)的驅(qū)動(dòng)因素及相較于前一代的無線通信技術(shù)，并說明5G成為革命性技術(shù)的原因，進(jìn)一步探討5G關(guān)鍵促成技術(shù)，以及促成技術(shù)會(huì)面臨的量測挑戰(zhàn)的關(guān)鍵因素，最后在文章后段，提供三個(gè)范例加以說明量測構(gòu)想。