10月28日開幕的國(guó)際電信聯(lián)盟2019年世界無線電通信大會(huì)(WRC-19)，把24.25-86 GHz頻段的部分毫米波頻譜標(biāo)識(shí)用于國(guó)際移動(dòng)通信，以滿足5G等在2020年及未來的發(fā)展需求。

預(yù)計(jì)之后，將有越來越多的國(guó)家把部分毫米波頻段指配給5G系統(tǒng)。此外，我國(guó)毫米波5G頻譜規(guī)劃有望在年底出臺(tái)——工信部無線電管理局《2019年全國(guó)無線電管理工作要點(diǎn)》中明確提出“適時(shí)發(fā)布5G系統(tǒng)部分毫米波頻段頻率使用規(guī)劃，引導(dǎo)5G系統(tǒng)毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展”?？梢灶A(yù)見，全球毫米波5G產(chǎn)業(yè)將由此迎來新一波大發(fā)展。

毫米波之于5G及未來移動(dòng)通信的發(fā)展具有重要意義，其突出地反映在所能創(chuàng)造的巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面。對(duì)此，業(yè)界正在進(jìn)行初步探索。

比如，10月份，Verizon在康寧的工廠內(nèi)部署毫米波5G以助力生產(chǎn)效率提升;目前，AT&T的毫米波5G主要是面向諸多商企客戶開發(fā)創(chuàng)新型用例。GSMA協(xié)會(huì)發(fā)布報(bào)告《在毫米波頻段提供5G服務(wù)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益研究》預(yù)測(cè)，從2020年到2034年，毫米波5G對(duì)全球GDP的貢獻(xiàn)將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2034年將貢獻(xiàn)5650億美元的全球GDP、稅收達(dá)1520億美元，如下圖。

按照ITU-R《5G愿景需求報(bào)告》的定義，5G系統(tǒng)至少要支持10-20 Gbps峰值速率。從目前韓國(guó)、英國(guó)等已經(jīng)商用的5G網(wǎng)絡(luò)來看，Sub-6 GHz頻段5G系統(tǒng)尚無法達(dá)到ITU-R所設(shè)定的上述目標(biāo)。

所幸的是，毫米波已經(jīng)在幾年前就開始成為5G發(fā)展的重要研究方向——3GPP在2018年12月發(fā)布的Rel-15(5G第一階段標(biāo)準(zhǔn))中已經(jīng)對(duì)n257(26.5-29.5 GHz頻段)、n258(24.25-27.5 GHz頻段)、n260(37-40 GHz頻段)、n261(27.5-28.35 GHz頻段)的5G NR系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化;此外，3GPP Rel-16正在進(jìn)行52.6 GHz以上頻段毫米波5G的標(biāo)準(zhǔn)化研究，將可提供高達(dá)2 GHz的帶寬，并確定其潛在用例和部署場(chǎng)景。

毫米波5G有著豐富的潛在應(yīng)用場(chǎng)景。歐盟在2019年10月份發(fā)布的《關(guān)于使用毫米波頻段在歐盟部署5G生態(tài)系統(tǒng)的研究》指出，毫米波5G可用于大容量的eMBB服務(wù)(固定無線接入、高清視頻通信、虛擬/增強(qiáng)/混合現(xiàn)實(shí))，5G前傳/回傳，包括汽車在內(nèi)的垂直行業(yè)服務(wù)，其他交通運(yùn)輸(火車和公共汽車)，制造/工業(yè)自動(dòng)化，電網(wǎng)通信，智慧城市，醫(yī)療應(yīng)用，公共安全。

GSMA協(xié)會(huì)的上述報(bào)告認(rèn)為毫米波5G在2034年貢獻(xiàn)的5650億美元GDP中，23%源于工業(yè)自動(dòng)化、18%源于遠(yuǎn)程對(duì)象操控、16%源于VR及會(huì)議、15%源于家中及辦公室的高速連接、14%源于下一代交通連接、3%源于網(wǎng)絡(luò)迅速部署/臨時(shí)連接(如應(yīng)急通信場(chǎng)景)、11%源于其他場(chǎng)景。

實(shí)現(xiàn)這些潛在應(yīng)用的大前提，就是讓毫米波5G通信系統(tǒng)部署成為現(xiàn)實(shí)。據(jù)5G微信公眾平臺(tái)(ID：angmobile)一直以來的觀察，過去幾年，Verizon、AT&T、美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)、高通、諾基亞、愛立信、三星等行業(yè)巨頭持續(xù)扎實(shí)進(jìn)行毫米波5G芯片、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、終端的研發(fā)、驗(yàn)證及組網(wǎng)試驗(yàn)，截至目前，美國(guó)主流移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)在數(shù)十個(gè)城市部署了28 GHz、39 GHz頻段毫米波5G網(wǎng)絡(luò)，韓國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商也已于2018年6月獲得28 GHz頻段的5G毫米波頻譜，日本NTT DOCOMO、KDDI等運(yùn)營(yíng)商也一直在進(jìn)行毫米波5G網(wǎng)絡(luò)外場(chǎng)試驗(yàn)。

另據(jù)GSA協(xié)會(huì)在2019年10月底發(fā)布的數(shù)據(jù)，目前有112家運(yùn)營(yíng)商正在對(duì)24.25-29.5 GHz頻段5G技術(shù)進(jìn)行投資(含試驗(yàn)、預(yù)商用、商用)，已有60款5G終端支持毫米波頻段。

不過，上述還只是初級(jí)探索。全球范圍來看，截至目前，毫米波5G產(chǎn)業(yè)鏈仍然處于早期階段，無線網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備主要支持受到北美、日韓運(yùn)營(yíng)商青睞的毫米波頻段，而且僅支持一些基本功能，移動(dòng)性管理、波束管理等重要功能尚未成熟，高頻器件性能、鏈路特性、波束賦型與波束管理算法、EMC(電磁兼容)等亟待完善。

國(guó)內(nèi)看來，年底發(fā)布毫米波5G頻譜規(guī)劃后，產(chǎn)業(yè)發(fā)展就可以“有的放矢”了，勢(shì)必要求毫米波5G標(biāo)準(zhǔn)、射頻器件、設(shè)備研發(fā)進(jìn)度加快，但是行業(yè)資深專家指出，在這些環(huán)節(jié)中很重要的“測(cè)試”方面，國(guó)內(nèi)毫米波5G測(cè)試方案的可行性、可靠性、準(zhǔn)確性、成本、效率等面臨很多問題和挑戰(zhàn)。

從5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)到5G終端，在產(chǎn)品開發(fā)到最終生產(chǎn)測(cè)試過程中的所有階段，都需要部署可靠、穩(wěn)定的測(cè)試方案——比如測(cè)試調(diào)制質(zhì)量、射頻放大器線性度、接收機(jī)信噪比、發(fā)射機(jī)效率等參數(shù)是否符合3GPP及運(yùn)營(yíng)商的規(guī)范，這是決定成敗的關(guān)鍵。在基帶部分，毫米波5G與中頻段5G的成熟度相當(dāng)，但是在射頻部分，毫米波5G設(shè)備的功能、性能、測(cè)試方法等在目前是令業(yè)界很棘手的事。

一直以來，人們都認(rèn)為射頻工程是一項(xiàng)專業(yè)性非常強(qiáng)的技能，因?yàn)樯漕l技術(shù)并不總是如預(yù)期那樣工作，而射頻工程就是為了征服這一技術(shù)難題;而且隨著5G的出現(xiàn)以及5G所依賴的新通信架構(gòu)方法的出現(xiàn)，射頻工程的重要性也不斷凸顯出來。

由于使用毫米波來發(fā)射和接收信號(hào)，測(cè)試工程面臨著諸多新挑戰(zhàn)，比如可能會(huì)遇到當(dāng)前Sub-6GHz移動(dòng)通信技術(shù)未曾遇到的一些傳播和信號(hào)路徑問題，而且在設(shè)計(jì)新組件和半導(dǎo)體器件方面也會(huì)碰到許多全新的難題。技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)積累有助于高效解決這些新問題，5G微信公眾平臺(tái)觀察到，幾年前就積極參與全球主流運(yùn)營(yíng)商、芯片商、設(shè)備商毫米波5G技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)/驗(yàn)證/試驗(yàn)/預(yù)商用及商用等系列活動(dòng)、打造了5G PXI平臺(tái)等經(jīng)典測(cè)試解決方案的NI公司，近期發(fā)布了毫米波5G設(shè)備測(cè)試工程指南，可謂業(yè)界的“及時(shí)雨”。

如下圖所示，在從基帶、數(shù)模/模數(shù)變換、中頻到射頻的上/下頻變換、波束賦型、射頻前端(FEM)、大規(guī)模天線陣列到空口的毫米波5G新架構(gòu)中，NI給出了在規(guī)劃5G設(shè)備測(cè)試方案時(shí)的一些可能測(cè)試點(diǎn)。

· IQ與IF測(cè)試

基帶收發(fā)儀使用正交調(diào)制IQ波形，NI毫米波5G設(shè)備測(cè)試工程指南指出，對(duì)于此類波形，線性度、IQ信號(hào)校準(zhǔn)和中頻信號(hào)調(diào)理都是關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)。工程師需要能夠使用高線性度測(cè)試設(shè)備，生成5G波形，并獲得能夠處理高帶寬IQ波形的測(cè)試集。同樣，通過上/下變頻將IF轉(zhuǎn)換為毫米波的射頻收發(fā)儀需要嚴(yán)格的測(cè)試。信號(hào)完整性、放大器效率、輸出功率以及去除無用諧波和相位噪聲假象都是可能需要考慮的測(cè)試指標(biāo)。

· 波束賦型與FEM測(cè)試

測(cè)量方面的挑戰(zhàn)在于如何通過這些基于IC的新波束賦形組件(包括混頻器、濾波器、功率放大器和低噪聲放大器)和FEM來進(jìn)行特性分析并獲得出色性能。NI毫米波5G設(shè)備測(cè)試工程指南指出，要應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，關(guān)鍵在于在維持能效的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高帶寬線性度。數(shù)字預(yù)失真(DPD)通常用于提高傳輸信號(hào)的線性度，但這要求測(cè)試設(shè)備能夠生成和測(cè)量帶寬5倍于所需值的信號(hào)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于4G測(cè)試系統(tǒng)的帶寬要求。

此外，發(fā)送和接收路徑的互易性也需要進(jìn)行測(cè)試。例如，功率放大器進(jìn)行壓縮區(qū)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生幅移和相移。此外，可變衰減器、可變?cè)鲆娣糯笃骱鸵葡嗥鞯壬漕l組件的容差可能在通道之間產(chǎn)生不均等的相移，這可能會(huì)影響FEM的相位相干性。

用于5G的波束賦形測(cè)試系統(tǒng)需要掃描寬頻譜，并能夠測(cè)試每條路徑的最大線性輸出和壓縮行為?？焖匐p向多端口開關(guān)測(cè)試解決方案是任何5G開發(fā)和生產(chǎn)測(cè)試環(huán)境的先決條件。

NI半導(dǎo)體營(yíng)銷總監(jiān)David Hall分析，“功率放大器效率”是射頻設(shè)計(jì)在當(dāng)下的一個(gè)關(guān)鍵度量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于由電池供電的設(shè)備而言十分重要。包絡(luò)跟蹤和數(shù)字預(yù)失真等技術(shù)可提高發(fā)射機(jī)功率放大器級(jí)的功率效率和線性度。要正確測(cè)量包絡(luò)跟蹤對(duì)功率放大器效率的影響，就先要對(duì)這些概念有基本的了解。

功率放大器通常在峰值輸出功率下達(dá)到最高運(yùn)行效率，這時(shí)會(huì)發(fā)生增益壓縮。然而，許多移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)采用的是具有較高峰值平均功率比(PAPR)的OFDM等調(diào)制技術(shù)，效率將顯著降低。因此，包絡(luò)跟蹤技術(shù)就是為了控制放大器的工作，使其盡可能長(zhǎng)時(shí)間地處于壓縮臨界區(qū)。通過控制放大器的供電電壓，找出瞬時(shí)輸出功率與最優(yōu)化供電電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確保PA接近壓縮區(qū)。

這種方法提高了效率，但由于放大器的“非線性”行為，PA增益也可能隨供電電壓而呈函數(shù)變化。這種特定的非線性行為稱為調(diào)幅-調(diào)幅(AM-AM)失真，它會(huì)隨著供電電壓的變化而變化。為了補(bǔ)償AM-AM失真，可以使用數(shù)字預(yù)失真(DPD)算法，根據(jù)AM-AM失真曲線優(yōu)化功率附加效率(PAE)，使其盡可能達(dá)到理想值。在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中，DPD算法通常在高帶寬設(shè)備上運(yùn)行，例如現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。

下圖顯示了一個(gè)基于NI RFIC特性分析解決方案的RFIC測(cè)試配置(用于測(cè)試RF PA包絡(luò)跟蹤和數(shù)字預(yù)失真指標(biāo))。該配置基于模塊化PXI系統(tǒng)，將VSA、VST和其他模塊集成到一個(gè)18槽PXIe機(jī)箱中。通過快速軟件控制，該系統(tǒng)可以快速修改一系列參數(shù)，進(jìn)而快速運(yùn)行不同的測(cè)試。

截圖的左上角顯示了運(yùn)行數(shù)字預(yù)失真算法的發(fā)射機(jī)(藍(lán)線)和不運(yùn)行數(shù)字預(yù)失真算法的發(fā)射機(jī)(紅線)的功率輸出曲線，以及射頻調(diào)幅(綠線)對(duì)應(yīng)供電電壓(紫線)的包絡(luò)跟蹤曲線。底部面板顯示了在不同輸入功率條件下，采用(藍(lán)線)和不采用(紅線)DPD算法的幅度(AM-AM)和相位(AM-PM)差異曲線。最后一個(gè)面板顯示了所執(zhí)行測(cè)量的概要。

在測(cè)試解決方案中集成PXI嵌入式控制器模塊(如下圖)，便可使用多個(gè)不同輸入?yún)?shù)進(jìn)行測(cè)試?？刂破鳒p輕了矢量信號(hào)收發(fā)儀(VST)等主要測(cè)試模塊的測(cè)試任務(wù)控制負(fù)擔(dān)。與臺(tái)式計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測(cè)試相比，使用嵌入式控制器可以大幅縮短每次測(cè)試的周期時(shí)間。

· OTA測(cè)試

大規(guī)模天線陣列技術(shù)在毫米波5G通信中的應(yīng)用，使得被測(cè)設(shè)備的通道數(shù)極大幅度地增加，天線單元間的距離不斷縮小，傳統(tǒng)的傳導(dǎo)測(cè)試方式已無法滿足多天線設(shè)備的測(cè)試需求，OTA測(cè)試方式成為重要手段。

NI毫米波5G設(shè)備測(cè)試工程指南指出，空口(OTA)測(cè)試非常適合測(cè)量和分析毫米波5G波束形成器和FEM的實(shí)際性能特性。這些測(cè)試可用于確定待測(cè)設(shè)備(DUT)將其功率輸出聚焦于特定方向上的能力，并檢查波束賦型的質(zhì)量。這需要利用空間掃描功能從0到360度掃描其中一個(gè)正交坐標(biāo)，然后從0到180度掃描另一個(gè)正交坐標(biāo)。

NI毫米波OTA參考解決方案(如下圖)就是一種能很好滿足上述要求的OTA測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含用于波形生成和分析的NI高帶寬毫米波矢量信號(hào)收發(fā)儀(VST)、高增益天線以及具有高精度實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制定位器的射頻電波暗室。

借助測(cè)試序列生成器，工程師可以對(duì)該解決方案配置，以便分析5G毫米波DUT波束成形功能的特性并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。該解決方案還包含一套完整的軟件，為測(cè)得的數(shù)據(jù)提供了一系列可視化選項(xiàng)，如下圖中的范例所示。

【寫在最后】筆者預(yù)計(jì)，隨著WRC-19大會(huì)成功把毫米波頻段標(biāo)識(shí)給5G等國(guó)際移動(dòng)通信使用，中國(guó)、歐洲、美國(guó)等主要移動(dòng)通信市場(chǎng)將進(jìn)一步加速出臺(tái)毫米波5G頻譜規(guī)劃、加速標(biāo)準(zhǔn)化、加速高頻器件研發(fā)和整機(jī)測(cè)試進(jìn)度，亟需先進(jìn)的測(cè)試解決方案予以支撐，NI毫米波5G設(shè)備測(cè)試工程指南的發(fā)布正當(dāng)其時(shí)，極具應(yīng)用價(jià)值。