通道探測原型系統就位　5G毫米波MIMO研究邁大步

無線傳輸通道及天線陣列種類和幾何形狀，證實通常是使用MIMO技術的主要限制，研發人員要成功部署商用MIMO系統就必須確實了解通道狀態，因此針對該傳輸通道進行實驗特性分析，對於開發MIMO技術來說是不可或缺的。

在即將運行的5G通訊中，無線通道探測將扮演更重要的角色。5G無線通道雖然還沒有完善的定義，但一定會包含三種主要特性：毫米波(mmWave)頻段、超寬頻和Massive MIMO，這些技術規格都還沒有完整的規範，因此通道探測(用來研究無線通道特性的量測技術)就變成5G研究人員和廠商非常熱門的主題。

5G研究開跑　毫米波通道探測扮先鋒

通道探測對研究無線通道的特性來說非常重要，運用該技術進行通道量測的儀器稱為通道探測儀。通道探測基本原理類似雷達：發射器會發射射頻(RF)訊號，然後通過無線通道並受到無線通道所有的影響，最後再由接收器接收訊號，隨後測試人員運用通道參數估測演算法，可由接收到的探測訊號萃取出通道特性。 至於通道探測儀和雷達之間的差異是，通常在雷達系統中，發射器和接收器位於同一個地方並使用相同的天線；而在通道探測儀系統中，發射器和接收器分別使用位於不同地方的兩組天線。

關於毫米波通道量測，研究人員已進行許多研究工作。從2005年以來，關於60GHz通道探測的一些研究工作就陸續登場，所採用的毫米波通道探測儀使用PN序列當作探測訊號，頻寬從100M?3GHz，由於系統複雜度的關係，這些系統採用單輸入單輸出(SISO)或僅止於1×2單輸入多輸出(SIMO)系統。此外，這些系統的配置皆採用特殊設計的電路和零件，所以其他人很難進行複製。

在5G毫米波通道探測的領域中最著名的研究，就是紐約大學的T. S. Rappaport教授及其團隊所進行的研究工作。在該研究中，他們利用滑動相關器法(Sliding Correlator Approach)設置SISO毫米波通道探測系統，可提供量測傳播損失的能力，還可旋轉指向式號角天線來進行角度量測。現階段，三星(Samsung)所完成的研究工作也採用類似的通道探測方法。

上述5G毫米波探測系統都有相同限制。首先，透過滑動和旋轉等方法，這些探測系統的量測速度會非常慢，這代表他們只能量測靜態通道或都卜勒(Doppler)頻率很低的通道。反過來說，對於在毫米波頻段中的通道而言，即使是在步行(Pedestrian)情境之下，由於毫米波通道的波長較短，因此Doppler頻率也會高很多；其次，為支援MIMO通道探測，在發射器端和接收器端都會需要天線陣列，天線元件間距應為波長的一半，但這些探測系統所使用的指向式號角天線遠大於毫米波頻段的波長。

因此這些系統很難支援MIMO毫米波通道探測量測，而且也無法滿足5G通道的所有要求。本文聚焦如何利用商用儀器來設置新的毫米波MIMO通道探測系統與方法，其效能會更準確而穩定，同時讓其他人也能輕易進行複製；其他部分則探討5G通道探測的技術要求與挑戰、如何設置5G通道探測系統，以及以商用儀器為基礎，提出5G通道探測適用的毫米波MIMO通道探測原型系統等。

5G通道探測面臨六大挑戰

相較於3G和4G使用的前一代通道探測系統，5G通道探測系統須滿足三項基本要求：

·毫米波頻段：6GHz以上，最高到幾十GHz。

·超寬頻：500M?1GHz，甚至2GHz。

·大規模MIMO：幾支到幾百支天線。

這些要求會讓5G通道探測系統變得很有挑戰性，主要有六大技術發展考量分別整理如下：

探測方法和系統架構

探測方法和系統架構是第一種技術挑戰。它們是通道探測系統的基礎，會決定基本功能、整個系統的效能，也會決定後續探測訊號處理的一些考量。之前的一些研究工作提出不同的通道探測方法和系統架構，每一種都有其優點和限制。要決定合適的探測方法和架構，可根據通道探測的量測要求，並考量下列因素：

·要選擇專用系統或利用通用型儀器建立整合式系統？

·SISO通道量測還是MIMO通道量測？

·可支援的最大Doppler頻率，這會決定探測系統的量測速度。

·系統成本和系統擴充的彈性。

·探測訊號處理複雜度。

對5G通道探測來說，工程師須進行大規模MIMO的通道量測，因此須採用彈性高的系統架構，可輕鬆擴充以便在發射器和接收器支援多個天線元件(從幾個到幾百個)，而且整個系統還應該要具有成本效益。同時，由於探測系統要支援毫米波頻段，因此相較於目前的3G和4G測試方案其波長相當短，而Doppler頻率與波長成反比，如方程式(1)所示：

毫米波射頻元件開發

第二種挑戰就是在毫米波頻段下具有良好射頻效能的射頻元件。對5G通道探測系統來說，其相關的射頻元件包括：

·升頻器和降頻器

·天線陣列

·功率放大器(用於室外傳輸)

·低雜訊放大器(當作室外接收器)

·帶通濾波器

·射頻切換器

超寬頻訊號產生與擷取

超寬頻訊號產生與擷取是另一種技術挑戰。其關鍵元件為高效能寬頻數位類比轉換器(DAC)和類比數位轉換器(ADC)，需具有夠深的位元深度。

高效率的資料儲存和串流

為通道模擬進行有效的通道探測須執行長時間量測。量測所須擷取的資料大小可透過方程式(2)計算：

N_Cap=T_SF_SN_Rx...........................................(2)

其中，T_S為總探測量測時間，F_S為取樣率，N_Rx為同時收到探測訊號的通道數，而N_Cap為擷取到的總資料大小(取樣數)。在5G通道探測中，因為有超寬頻(大F_S)和大規模MIMO(大N_Rx)的要求，儲存和串流的資料規模會非常大。舉例來說，假如需要1GHz頻寬和八個接收器通道，1秒擷取到的資料大小為10₉×8=8G個取樣數，若每個樣本需要4bytes(I資料2bytes和Q資料2bytes)，則1秒的探測訊號其資料大小為32GB。這對儲存和串流來說都是一大挑戰。

通道參數估測處理

研究人員已針對MIMO通道探測提出各種通道參數估測演算法。對於5G通道探測來說，具備更高的路徑延遲解析度(因為超寬頻)和更大的通道間相位差(因為毫米波頻段的波長會短很多)，參數估測演算法需有更高的估測準確度。就我們所知，目前並沒有相關的研究探討有關現有估測演算法如何在5G通道探測中運作。因此，這也是一種不確定因素和技術挑戰。

同步與校正

在5G通道探測系統中，系統的同步與校正(為了達到精確的量測)變得更有挑戰性，因為有下列原因：

·更高的路徑延遲解析度

·寬頻中的系統平坦度降低

·對通道間的延遲更敏感

·毫米波天線非理想的振幅/相位碼型

寬頻訊號相關法具實作潛力

當業界正在努力建立5G通道探測系統的原型系統架構時，前文所提到的技術挑戰都是量測儀器商必須去克服的，因此本文對如何設置5G探測系統整理出幾種主要的通道探測方法，包括1. 寬頻訊號相關法、2. 滑動相關器、3. 頻率掃描法。

相較於其他兩種方法，寬頻訊號相關法的處理速度快了許多，因為它會同時量測整個頻寬的通道脈衝響應(CIR)，而其他兩種方法則是僅僅量測一個窄頻通道，或是一次只產生一小段CIR。方法2和 3只能提供振幅CIR而沒有相位資訊(角度量測需要用到)，因此業界較傾向於在系統中使用寬頻訊號相關法。

從如何支援MIMO探測量測的觀點來說，也有三種方法，包括1. 在發射器和接收器進行切換、2. 發射和接收並行而不使用切換器、3. 在發射器進行切換而在接收器端並行擷取。

上面三種方法的量測速度為1<3<2。方法2雖然比其他方法快很多，但會由不同的發射通道引起交互干擾，可能會降低探測量測效能，雖透過一組正交碼和干擾消除技術就能降低交互干擾，但還需要額外的訊號處理，而且也無法完全消除干擾。方法1和3沒有方法2的交互干擾問題，而3比1快很多，所以我們偏好在系統中使用方法3。

基於上面的論述，本文的5G通道探測系統即使用寬頻訊號相關法，在發射器進行切換同時在接收器並行擷取，架構如圖1所示，主要支援能力整理如下：

圖1 5G通道探測系統架構

以商用射頻測試儀支援毫米波頻段

為支援毫米波頻段，我們不設計專用的射頻升頻器和降頻器，而是考慮高效能的商用射頻儀器。在本文的通道探測系統中，選用是德科技(Keysight)E8267向量訊號產生器(VSG)當作升頻器，其可支援的頻率從250kHz一直到44GHz。Keysight M9362A四通道PXI降頻器則用來做為降頻器，可支援從10M?50GHz頻率，另外需要Keysight N5173B提供9k?40GHz的本地振盪(LO)訊號給M9362A，因此系統中的降頻器就能支援10M~40GHz。在發射器和接收器還需要額外的毫米波模組，以支援40GHz以上的頻率。

實現超寬頻訊號產生與擷取

為支援超寬頻訊號的產生和擷取，考慮使用寬頻任意波形產生器(AWG)和高速數位轉換器。在此探測系統中，M8190A 12G Sa/s AWG用來產生寬頻探測訊號，可支援高達6GHz頻寬的訊號產生。

在接收器端，M9703A 12位元高速數位轉換器會用來進行探測訊號的擷取，它可提供單通道1.6G Sa/s(625MHz頻寬)或四通道3.2G Sa/s交錯擷取(1GHz頻寬)。如果需高於1GHz的擷取頻寬，就會用寬頻示波器來取代。儘管示波器典型的位元深度為8位元，但這對通道探測來說還太低，因此本文考慮採用最新的10位元ADC高解析度示波器。

提供高效率資料儲存和串流

由於擷取到的通道探測訊號其資料規模相當龐大，擷取的子系統(無論是使用M9703A還是示波器)要儲存資料到嵌入式記憶體，或是將資料串流傳輸到磁碟機都非常困難。

為克服這樣的挑戰，在此提出一種新的方法可有效縮減探測訊號的資料大小：利用儀器內部的嵌入式現場可編程閘陣列(FPGA)，對擷取到的探測訊號及發射的探測波形執行即時相關性處理，即可得到CIR訊號，有效CIR訊號(對應到通道最大的延遲擴展)會比原始探測資料短很多。縮減後的CIR資料可儲存到嵌入式記憶體，時間也可更長，另外也可以即時串流到磁碟機。

舉例來說，一個4×4 MIMO通道探測系統具有1GHz頻寬，根據前文的計算方式，每個通道量測1秒的資料大小為32GB，四個通道就需要128GB。利用本文建議的方法，假設探測訊號發射週期為500微秒(可支援高達1/500μs /2/4=250Hz的Doppler頻率)，而有效CIR長度為1μs(對應1μs/c=333.3m路徑延遲，c為光速)，四個通道1秒的有效CIR資料大小為128GB/500=256MB，這比原始的探測資料縮小五百倍。運用M9703A的16GB嵌入式記憶體，就可執行64秒的連續探測量測；另外也可以將CIR資料用256MB/s的資料速率傳輸到磁碟機。

通道參數估測處理

在不同的通道參數估測演算法中，空間交替廣義最大期望(SAGE)是廣為接受和使用的演算法，因為其估測精度高，還有多通道參數的聯合參數估測功能，更重要的是，最大估測路徑數不會受到天線陣列元件數的限制。

我們也考慮將SAGE演算法用在系統中，但還需要進一步研究，以驗證SAGE演算法在5G通道情境下的效能和能力。

高效能時脈強化同步與校正

我們在系統中使用高效能時脈，以便在發射器和接收器之間達到同步，它可提供高精確度的10MHz參考訊號，具有1e-12的準確度和1e-12的穩定度。

系統中使用的高效能儀器可以提供很高的射頻通道穩定度(振幅和相位)，因此通道探測校正剩下的問題，就是要量測系統的振幅和相位減損，並在探測量測中加以補償，包括通道間的相位誤差、天線振幅/相位誤差、I/Q失配誤差和頻譜平坦度誤差。

運用通道探測原型系統　5G毫米波技術驗證測試展現成果

根據上面的論述，我們提出一套毫米波MIMO通道探測系統，系統配置圖如圖2所示。此一通道探測系統使用的所有元件(除了客製化天線陣列之外)都是一般商用產品，這代表其他人可非常輕易地複製這套探測系統。此探測系統的主要元件如表1所列。

圖2 5G通道探測原型系統配置圖

目前此系統為4×4 MIMO探測系統，可輕易擴充為更多通道，方法是在發射器端增加射頻切換埠，並在接收器端增加M9362A+M9703A。此系統支援的頻率範圍高達40GHz，若額外增加毫米波元件的話，則系統可支援更高的頻段。

利用M9703A的嵌入式FPGA進行即時相關性處理時，系統可壓縮擷取到的探測訊號，使用內建記憶體的儲存長度約為64秒(第III.D節中的情境)，同時CIR訊號可透過PCIe匯流排進行即時傳輸。此系統可支援5G通道探測量測所有的技術要求，目前是德已先打造一套SISO探測原型系統，在發射器和接收器之間透過纜線進行傳導；同時也完成一些初步的驗證測試，原型系統如圖3。

圖3 5G通道探測原型系統示意圖

探測系統在照片中的右邊，左邊是一套通道模擬器系統，能提供可控制的衰減通道以進行原型系統的驗證測試。相關研究單位已依照該原型系統執行三項驗證測試，測試頻段為15GHz、頻寬40MHz(由於通道模擬器的頻寬限制)。

其中，路徑延遲和路徑損耗測試的目的是要測試通道探測系統的量測矩陣，包括路徑延遲解析度、路徑延遲準確度、路徑損耗準確度。在此項測試中，我們在通道模擬器中使用三種路徑的通道情境，路徑配置如表2所示。

當第二條路徑的路徑延遲為36奈秒時就可辨別出前兩條路徑，這代表系統的路徑延遲解析度為36奈秒，此測試量測到的功率延遲概觀圖(PDP)如圖4所示。

圖4 路徑延遲和路徑損耗測試結果

緊接著，接收器靈敏度測試則是測試接收器可接收到的最小路徑功率，也代表探測系統的靈敏度。在此測試中，我們使用單一路徑情境，調整接收器的輸入位準，並觀察能否從接收到的訊號偵測到路徑。測試結果顯示，即使輸入位準為-100dBm還是可以偵測到路徑，如圖5所示。這表示探測系統的靈敏度在-100dBm以下。

圖5 接收器靈敏度量測結果(-100dBm的輸入位準)

最後則是多路徑動態範圍測試。此試驗的目的是要測試探測系統可同時量測的最大和最小路徑，也就是動態範圍。在此測試中，我們使用兩個路徑的通道情境，如表3所示，藉由調整第二條路徑的路徑損耗，並觀察能否偵測到第二條路徑，我們可以確定探測系統的多路徑動態範圍。測試結果顯示，當第二條路徑的路徑損耗設為-64dB時，仍然可以偵測到該路徑，如圖6所示。

圖6 多路徑動態範圍測試結果(第二條路徑的損耗為-64dB)

綜上所述，本文討論5G毫米波通道探測系統的要求和技術挑戰，同時針對如何應付這些挑戰提出一些設計考量。根據這些討論再提出5G毫米波通道探測原型系統的架構，並介紹了原型系統設置和驗證的一些初步工作。在5G研究的下一階段，業界將透過5G毫米波通道探測原型系統，整合額外的功能和專屬需求，進一步討論和研究5G通道量測及模擬方法。

(本文作者任職於是德科技)