仿真，测试和验证三步解决5G RF设计问题

本文作者：是德科技Xiang Li

2020年，业界实现了首个毫米波（mmWave）技术的5G网络部署。实际测试发现，毫米波可实现大于1 Gbps的下行链路速度和高达3 Gbps的峰值速度。好消息是5G mmWave网络上的下载速度比4G LTE网络上的下载速度快20倍。测试还发现，5G mmWave可以覆盖整个足球场馆范围，仅一个频带就能提供比LTE网络高十倍的吞吐能力。

mmWave的缺点是：与LTE和5G低频带和中频带频率相比，mmWave信号的范围更短，无法穿透障碍。但是，mmWave的好处远远超过了这些缺点。mmWave正在全球范围内大规模部署。真正的问题是，在5G设备设计方面，我们如何最大程度地减少mmWave的这些障碍？

杂散谐波和互调干扰

功率放大器和混频器中的非线性会产生不必要的信号，这些信号会出现在分配的通道之外，从而干扰其他通道。我们将这些互调干扰称为寄生谐波。在图1中，感兴趣的频带（基本频率）之外的所有频率都变成了不需要的寄生谐波。

由于波长短，很难从mmWave信号中消除寄生谐波。忽略此问题可能会违反有效各向同性辐射功率（EIRP）的FCC发射规则。从操作的角度来看，干扰附近的天线信号束可能会导致其他无线通信设备发生故障。

与无线通信中的其他噪声信号一样，您无法消除寄生谐波。很难确定谐波的来源及其所引起的干扰。即使确定了来源，也可能很难减少其影响。

图1.放大器的信号输出功率可能包括杂散谐波干扰。

波束成形的性能验证

mmWave的优势不仅来自更广泛的频谱可用性，还来自更智能的无线电资源管理方法，例如波束成形。同时支持多个连接的相控阵天线系统的复杂性要求可靠的性能验证过程。工程师需要考虑所有现实情况，并在部署之前验证设计是否正常工作。

如何在适当信道模型的情况下，准确验证波束形成信号和天线的性能。由于基站可能使用复杂的相控阵数字，模拟或混合波束成形技术，因此根据应用，连接的5G设备可能会使用不同类型的天线。因此，验证连接过程以找到基站与5G设备之间的最佳传输通道至关重要，尽管这很困难。对于毫米波的超短波长，基站必须执行计算密集型的基带预编码过程，以选择最佳预编码调制以应用于每个用户的信号流。

为了获得最佳性能，工程师还需要验证4G和5G兼容性。5G基础设施和设备都必须支持双模4G和5G操作，以在混合部署网络中提供优质的用户体验。

此外，我们仍然具有预编码算法，基站的RF相控阵多输入多输出（MIMO）系统架构以及需要验证的多个手机天线放置和辐射方向图。如果对5G mmWave的这些方面中的任何一个进行了错误的测量，则整个设计将失败。此外，由于毫米波的波长短，设置验证也非常具有挑战性。设备的轻微错位可能会显着影响结果。

图2显示了常见的mmWave设备实验室测试环境。被测设备位于中间的盒子中，该盒子将向反射器辐射信号（右侧的弯曲物体），然后到达接收天线（此照片中未显示）。红线代表信号路径。假设测试在100 GHz以下。这意味着信号的波长约为3毫米，任何3毫米左右的未对准都会对测试结果的准确性产生重大影响。实际上，反射器上的一个不明显的凹痕，或者反射器的曲率变化了一小部分，都可能会导致错误的测量结果。

图2.此实验室环境使工程师可以测试mmWave设备设计。

因此，通常需要很长时间来设置mmWave验证测试并校准所有测试设备。实际锁相环测量可能需要六个小时来设置和校准硬件。完成验证测试可能需要更长的时间。

通讯协议一揽子问题

回想一下，mmWave信号具有很高的路径损耗，这意味着它们无法传播得很远，也无法很好地穿透障碍物，例如墙壁或树木。为了提供高数据速率并支持更多流量，5G基站消耗大量能量。

生产更具成本效益和能源效率的基站听起来相对容易，但并不是这样。5G mmWave基站比4G基站支持更广泛的频谱。另外，与4G基站相比，5G mmWave基站必须支持更多的功能。作为工程师，我们的目标是在不牺牲任何性能的情况下，使5G mmWave基站尽可能紧凑和经济高效。为了更好地了解所涉及的尺寸，图3是相控阵芯片组尺寸。

图3中的部分仅代表5G基站的一小部分。最终，功能齐全的5G mmWave基站应达到100 Gb / s的空中传输速率，并具有数公里 覆盖范围。在降低部署成本方面，设计人员应利用低成本和传统的制造技术，而无需使用特殊的包装工艺和材料。

图3.相控阵芯片组构成了基站中的某些组件。

原型故障排除的复杂性

这个挑战听起来可能不像以前的挑战那样具有技术性，但是在实践中它同样普遍，其影响可能比任何技术挑战都更糟。

图4. mmWave开发工作流程中的空白可能会阻碍测试工程师和设计工程师之间的沟通。

如前所述，mmWave设备设计要求工程师测量和验证尽可能多的RF设备特性，在原型设备进入验证阶段之前，您已经需要考虑许多技术设计挑战。此外，随着无线技术和应用程序复杂性的增长，需要不同的技能来进行设备设计和验证。如今，许多公司经常指定独立的部门从事设计和测试。在某些情况下，设计团队和测试团队甚至位于不同的国家/地区，如图4所示。因此，在设计团队和测试团队之间交换想法，数据和知识可能不是一件容易的事。由于知识，功能甚至地理上的差距，可能需要额外的时间。

例如，测试工程师可以执行天线测量，RF参数测试和功能/协议测试。并非由测试设置引起的性能问题可能很难解决。设计工程师和测试工程师必须合作解决任何设计问题。

仿真

通过仿真，工程师可以应对mmWave带来的挑战。随着mmWave设备变得越来越流行，我们对仿真的依赖将越来越大。仿真可能无法解决上述所有挑战，但可以肯定地简化了设计过程。

从杂散谐波和互调干扰开始，设计人员可以使用仿真工具来预测频率和方向。仿真还可以帮助确定空间辐射杂散谐波的根本原因，包括产生杂散谐波的组件以及RF链中使用的信号路径。设计人员还可以模拟寄生谐波的特性，以评估其影响。

关于波束成形的性能验证，仿真工具可以解决信号可视化和5G端到端系统许多不同方面的验证，从而大大缩短开发时间。例如，仿真工具可以使用适当的相控阵天线来仿真5G链路级验证，以验证波束成形设计的性能。5G仿真工具可用于优化时间，频率和空间资源。

为了提高基站的成本效率和占用空间，设计人员可以使用仿真工具来仿真其设计的主要组成部分，然后对整个系统进行适当的线性度和噪声系数以及增益仿真。系统级建模和仿真使设计人员可以针对多个变量测试其设计，而无需实际设置测试设备。

仿真还可以帮助简化原型设计。工程师可以直接在空中模拟他们的设计，以发现差异并预测结果。如果模拟和测试环境构建在一个通用平台上，那么测试工程师就可以更轻松地判断模拟是否与测试结果相符。如果设计工程师和测试工程师不在同一物理位置，则可以更轻松地进行远程故障排除。

结论

更高频率的毫米波频谱可以以低延迟提供更快的数据速率，同时提供更大的通信量。 mmWave的这些优势释放了5G的真正潜力。在5G时代，mmWave将发挥作用 一个非常重要的角色。它将在城市，室内办公，交通枢纽和工业物联网中大量使用。

尽管mmWave给设计带来了巨大挑战，但它的广泛部署是不可避免的。设备制造商和网络设备制造商可以在设计工作流程中采用更多的仿真解决方案，从而加快mmWave设计周期。 同时，他们还需要提高仿真精度，并连接设计仿真和原型测试工作流程。仿真为mmWave市场就绪产品提供了最短的时间，而无需大量投资或牺牲性能。