真實場景測試保萬全　信令測試攸關5G產品品質

在蜂巢式技術中，第五代行動通訊(5G)的特色是能夠提供前幾代蜂巢式技術所不具備的一系列應用優勢，具體包括：超越第四代行動通訊(4G)的資料速率(最高可達每秒10Gb)、更高的頻寬(使用載波聚合時最高可達1,200MHz)、不到1毫秒(ms)的超低延遲，並且可透過網路切片為特定應用提供專門服務。5G的這些技術和優勢使其產品的品質和性能受到空前關注。

5G一經推出便大受歡迎，市場採用率幾乎是4G/長程演進計畫(LTE)的四倍。數據顯示，2020年全球5G使用者數超過2億，2021年底全球5G使用者數超過5億。到2022年底，該數字更有望突破10億(圖1)。

考慮到採用率的飆升和多樣化的技術要求，5G最終用戶產品須要在保持出色品質和性能的同時，盡可能縮短上市時間。因此，製造商必須密切關注產品生命週期中涉及的測試方法。從無線產品的角度來看，在製造過程中可以使用以下兩種測試方法：非信令測試和信令測試。

何謂蜂巢非信令測試

蜂巢非信令測試是一種不涉及呼叫處理的測試方法，其基本重點是校準和驗證設備的發射器和接收器性能(圖2)。

在這種測試技術中(圖3)，測試儀和測試應用程式會選擇特定於晶片組的測試模式，透過串聯直接控制受測設備(DUT)，以測量預定義的傳輸模式。這種測試方法不需要即時網路模擬或端到端呼叫註冊，因此可免去配置網路模擬所用的DUT和測試設備開銷。由此可以看出，蜂巢非信令測試方法高度優化生產環境，有助於提高經濟效益並縮短製造測試時間。

了解信令測試

與非信令測試不同，信令測試是一種呼叫處理技術，須要在測試設備和DUT之間進行端到端的設備註冊和呼叫建立。

在真實場景中，設備和基地台之間的任何通訊都會涉及一系列控制面和用戶面信令訊息的交換。具體流程包括(但不限於)對廣播頻道進行解碼、執行下行鏈路和上行鏈路同步、設置控制頻道、執行設備認證和安全程序、交換設備功能、建立協定資料單元會話以優化使用者流量交換等等。下面的範例是一些重要的控制面和用戶面事件：

．控制面事件

例如連接(Attach)和分離(Detach)流程、連接釋放(Connection Release)和重新建立、無線鏈路故障檢測和恢復、專用承載建立和刪除、增強型雙連線(EN-DC)、閒置(Idle)模式移動性、漫遊和切換、連接和閒置模式測量。

．用戶面流量事件

例如語音通話、視訊會話、資料上傳和下載、電子郵件、即時通訊、語音信箱。

這些資訊的交換透過組成5G協定疊的各個層(圖4)實現，每層執行不同的關鍵功能，如調製/解調訊號、拆分和組裝封包、為封包編號並進行有序傳輸、管控空中資源以及在需要時重新傳輸封包等。

在標準實驗室環境中，測試人員會採用信令測試方法來驗證典型用戶體驗場景下的設備行為及控制面和用戶面事件的順序，並檢查每個協定層存在的缺陷。

在信令測試中(圖5)，須使用網路模擬器來模擬即時網路條件並產生控制面和用戶面的流量組合，以測量設備在實際頻道條件下的真實性能。在此過程中，測試設備無法直接控制晶片組，而是透過無線(OTA)連接或DUT與測試設備之間的電纜連接，實現從物理層到應用層跨整個協定疊的測試和測量。 由於這種測試技術專注於設備功能的測試，因此常用於真實場景下的研發、設計驗證和現場測試。

以上簡要介紹了信令測試和非信令測試兩種測試方法，很明顯，這兩種方法旨在滿足不同的測試需求，並針對不同產品生命週期的使用方式進行優化。非信令測試針對製造流程在成本和時間上進行優化，是一種更具針對性的方法。而信令測試則是一種綜合性方法，根據具體的測試計畫，耗時可能會更長。然而，隨著5G應用日益普及，即使在製造/生產線終端(End-of-line, EOL)時，對5G設備進行信令測試也至關重要。

相關需求不斷提升 5G設備飛速發展

5G設備對超連接性、大數據流量、可靠性、低延遲、監控功能和追蹤功能的需求不斷提升。從工業感測器到無線手表等個人穿戴設備，5G蜂巢無線技術將擴展到傳統的智慧手機、筆記型電腦和個人電腦之外更廣泛的設備領域。以下是推動EOL用戶體驗測試需求的一些關鍵原因：

配備蜂巢功能的全新產品形式

不同垂直行業紛紛採用5G的獨特技術，但通常會使用此前從未配備過蜂巢功能的創新設備，因此尚未通過連接可靠性測試(圖6)。在這種情況下，執行廣泛的硬體測試十分重要，原始設備製造商(OEM)和製造商須重新評估自身現有的製造測試方案，使OTA測試隔離箱、電纜及其他測試裝置滿足新產品的測試需求，以確保設備性能處於容許水準內。此外，還必須根據產品的實際使用模型客製測試計畫，以便滿足各種產品的性能需求，確保測試的可重複性。

基於5G模組的設備使用日益增多

隨著小型參與者紛紛加入，5G的使用案例愈發多樣化，並且因為預認證射頻模組具備較低的門檻和相關開發成本，使用量呈現指數級增長。這類模組的主要優勢在於每塊模組都經過單獨的測試和預校準，因此在組裝和製造過程中無須重複進行品質測試。不過，常見的最終產品可能還包含其他模組，如Wi-Fi、全球衛星定位系統(GPS)、藍牙(Bluetooth)、SIM卡、電池、揚聲器、麥克風和毫米波天線模組等。當這些模組以任何形式組合在一起時(尤其是在非傳統產品中)，即使每個模組均已通過單獨測試並符合要求，仍然可能會出現導致無線性能下降的干擾和共存問題。

天線性能就是一個恰當的例子。在組裝最終產品時，硬體外殼缺陷和調諧誤差可能會導致訊號丟失並影響天線輻射方向圖，進而引起通訊故障。如果天線安裝不當或Wi-Fi/藍牙/蜂巢模組在設備內部存在共存問題，則一根天線的發射器可能會增加另一根天線接收器的雜訊功率，使天線之間產生干擾，因此降低天線靈敏度，造成通話中斷、接收不良和下載不穩定等問題。

一些常見的基本問題還包括呼叫註冊失敗和SIM連接問題，往往是軟體或硬體故障所致。在上述場景中，對最終產品進行整體測試的重要性不言而喻，只有進行適當的測試，才能確保設備運行期間的訊號品質達到可接受的收發水準，並保證實際部署設備時的整體設備性能。

然而，在實際情況中，製造和組裝流程的測試時間十分緊迫，開展全面的硬體和軟體功能測試幾無可能。因此，必須採用客製化的測試計畫來驗證最終產品的核心功能，以保證產品在真實場景中的基本用戶體驗。

信令測試之關鍵測試指標

下面的檢查清單列出了信令測試的關鍵測試指標，必須評估這些指標才能確保設備性能：

．基本的設備註冊和呼叫流程

確保端到端的產品功能。硬體和軟體元件可能會影響DUT的無線性能。

．天線性能

最終產品的外殼缺陷、實作部署和調諧錯誤可能會導致訊號丟失並影響天線輻射方向圖，引起通訊故障。

．射頻性能

確保訊號質量在實際場景中不會嚴重下降，並且在支援的運行頻段內達到可接受的訊號收發水準(移動性)。

．資料傳輸量

隨著數據使用量激增，在使用者應用中進行相關驗證至關重要。驗證的目的是確保設備能夠應對各種級別的用戶面流量和服務品質要求。

．高階功能特性

實際上，蜂巢設備的功能遠不止是基本的通話和網路註冊。NR語音(VoNR)、簡訊、網際網路瀏覽、檔案傳輸等典型設備用例均為衡量設備實際性能的關鍵功能特性。

總而言之，信令測試可能既耗時又複雜，但對於確保整體設備性能而言必不可少。涵蓋設備註冊和呼叫流程、天線品質、射頻性能、資料傳輸量和高級功能特性的全面測試計畫已成為最終產品質檢程序不可或缺的一部分。長遠來看，這些測試有助於製造商提前發現產品缺陷，最大限度地減少產品召回的可能性。

(本文作者任職於LitePoint)