5G vereist een nieuwe benadering van draadloos testen

5G heeft het potentieel om ons leven aanzienlijk te veranderen, zegt Charles Schroeder, Business and Technology fellow, National Instruments. Van betere zakelijke communicatie tot slimmere huizen en fabrieken tot vooruitgang in autonome voertuigen. Om dergelijke transformaties mogelijk te maken, moeten draadloze 5G-apparaten sneller zijn, een lagere latentie hebben en een ongeëvenaarde connectiviteit hebben in vergelijking met eerdere generaties. Als gevolg hiervan zullen ze complexer zijn in hun samenstelling en dus een nieuwe benadering van testen vereisen

Voorheen hadden testingenieurs een reeks geaccepteerde metingen en technieken herhaald om draadloze communicatietechnologie in hoge volumes te testen, van RF-halfgeleiders tot basisstations en mobiele handsets. Met 5G zal de technologie in deze draadloze apparaten complexer zijn, dus de sterk geoptimaliseerde technieken die zijn gebruikt om eerdere generaties te testen, zullen opnieuw moeten worden bekeken. Het testen van 5G-componenten en apparaten met over-the-air (OTA)-methoden in plaats van de bekabelde methoden die momenteel worden gebruikt, zal nodig zijn om de prestaties van 5G-technologie te valideren.

Nieuwe technologieën om bandbreedte te vergroten

Een van de belangrijkste doelen van de 5G-standaard is om de datacapaciteit aanzienlijk te verhogen tot 10 Gbps per gebruiker, om te voldoen aan de toenemende vraag naar gebruikersgegevens. Maar om dit te bereiken, worden nieuwe technologieën geïntroduceerd. Ten eerste omvat de 5G-specificatie Multiuser MIMO (MU-MIMO)-technologie waarmee gebruikers tegelijkertijd dezelfde frequentieband kunnen delen via beamforming-technologie, waardoor voor elke gebruiker unieke, gerichte draadloze verbindingen worden gecreëerd. Ten tweede voegt de 5G-standaard meer draadloos spectrum toe en breidt zich uit naar centimeter- en millimetergolffrequenties (mmWave).

Fysieke implementaties van zowel de MU-MIMO- als mmWave-technologieën gebruiken aanzienlijk meer antenne-elementen dan eerdere generaties cellulaire standaarden. De natuurwetten schrijven voor dat signalen op mmWave-frequenties aanzienlijk sneller zullen verzwakken als ze door de vrije ruimte reizen dan signalen op de huidige cellulaire frequenties. Dus voor een vergelijkbaar zendvermogensniveau hebben mmWave-cellulaire frequenties een veel kleiner bereik dan de huidige mobiele banden.

Om dit padverlies te verhelpen, zullen 5G-zenders en -ontvangers antenne-arrays gebruiken die gelijktijdig werken en beamforming-technologie gebruiken om het signaalvermogen te versterken in plaats van de enkele antenne per band in huidige apparaten. Hoewel belangrijk voor het vergroten van het signaalvermogen, zijn dezelfde antenne-arrays en beamforming-technieken cruciaal voor het implementeren van MU-MIMO-technieken.

Om al deze antennes in de mobiele telefoons van morgen te passen, zullen de antennes op mmWave-frequenties veel kleiner zijn dan de mobiele antennes die voor de huidige normen worden gebruikt. Nieuwe verpakkingstechnologieën, zoals antenne in pakket (AiP), zullen de integratie van deze antennes in de kleine ruimtebeperkingen van de moderne smartphone vergemakkelijken, maar de arrays van antennes kunnen volledig worden ingesloten zonder direct contactbare testpunten.

Hoe OTA nieuwe uitdagingen kan aangaan

Voor testingenieurs zullen de hogere frequenties, nieuwe pakkettechnologieën en een groter aantal antennes het moeilijk maken om de kwaliteit hoog te houden en tegelijkertijd de stijging van zowel de kapitaalkosten (kosten van testapparatuur) als de bedrijfskosten (tijd om elk apparaat te testen) te beperken. Nieuwe OTA-technieken helpen deze problemen te overwinnen, maar brengen ook enkele uitdagingen met zich mee.

Ten eerste zal de meetnauwkeurigheid een uitdaging zijn. In tegenstelling tot bekabelde tests, zullen testingenieurs bij het uitvoeren van OTA-metingen omgaan met de extra meetonzekerheid die gepaard gaat met antennekalibratie en nauwkeurigheid, opspantolerantie en signaalreflecties. Ten tweede moeten gloednieuwe metingen worden geïntegreerd in apparaattestplannen voor echovrije kamerintegratie, straalkarakterisering, optimale codeboekberekening en antenneparameterkarakterisering.

Ten derde, naarmate de RF-bandbreedtes blijven toenemen, nemen ook de verwerkingsbehoeften voor het kalibreren en het uitvoeren van metingen op deze brede bandbreedtes toe, wat de testtijd vergroot. Ten slotte moeten testmanagers aanvullende zakelijke overwegingen maken om de productkwaliteit te waarborgen en tegelijkertijd de impact op de time-to-market, kapitaalkosten, bedrijfskosten en vloeroppervlak (om plaats te bieden aan de OTA-kamers) tot een minimum te beperken.

Hoewel OTA uitdagingen biedt, biedt het ook voordelen. Ten eerste is OTA de enige optie voor AiP-technologieën omdat de antenne-arrays zijn geïntegreerd in een pakket zonder directe kabel naar de array-elementen. Zelfs als testingenieurs contact zouden kunnen opnemen met afzonderlijke antenne-elementen met behulp van geleide testmethoden, staan ​​ze voor de moeilijke keuze om ze parallel te testen of ze serieel te testen (ten koste van de testtijd en doorvoer). Veel technische problemen moeten nog worden opgelost, maar de OTA-test biedt de mogelijkheid om de array als een systeem te testen in plaats van als een set afzonderlijke elementen, wat zou kunnen leiden tot grotere efficiëntiebeloften van tests op systeemniveau.

In het verleden hebben leveranciers en technici van testapparatuur met succes de uitdaging overwonnen om de prestaties en complexiteit te verhogen en tegelijkertijd de time-to-market en de testkosten te minimaliseren. Dus ik heb er alle vertrouwen in dat ze het opnieuw kunnen doen voor 5G. Hoewel de uitdagingen van het testen van 5G vandaag complex lijken, boeken ingenieurs over de hele wereld grote vooruitgang bij het ontwikkelen van de nieuwe testinstrumenten en -methoden, zoals OTA, die nodig zijn om van 5G morgen een commercieel succes te maken.

De auteur is Charles Schroeder, Business and Technology fellow, National Instruments