進擊5G毫米波/MIMO通道探測　儀器商啟動模組化產品軍備競賽

各國通訊標準聯盟、通訊研究實驗室、電信營運商和設備製造業者，正集中火力發展5G毫米波通道探測(Channel Sounding)、Massive MIMO、超高密度網路(Ultra-dense Network, UDN)，以及通用分頻多工(GFDM)或多載波濾波(FBMC)等新型調變機制的原型設計(圖1)，因而帶動新一代超高頻率、GHz級解調頻寬，以及多通道量測方案的導入需求。

資料來源：國家儀器 圖1 5G聚焦四大層面技術發展

目前歐盟行動暨無線通訊網路驅動計畫(METIS)針對5G已設定初步規格目標，並勾勒多種使用情境(圖2)。相較於4G網路，5G將須提升十到百倍傳輸速率、一千倍網路資料容量、支援數十到上百GHz毫米波頻率、1?2GHz以上即時頻寬、數十到數百支MIMO天線，以及更嚴格的網路延遲和裝置電源效率等規範，而這些定義也成為儀器商跨入5G研究領域的基本技術門檻。

資料來源：工研院資通所 圖2 歐盟METIS設定5G具體規格目標

搶搭5G發展列車，是德科技(Keysight Technologies)、國家儀器(NI)、安立知(Anritsu)、羅德史瓦茲(R&S)和Anite等重量級儀器商，紛紛將過去深耕60GHz WiGig等毫米波無線傳輸技術所累積的測試經驗及具體應用成果，進一步延伸至5G頻段先期研究，並祭出高效能AXIe、PXIe或單機(One Box)模組化測試平台，以及新型軟體演算法和測試程式庫，以搶占5G研發測試市場先機。

攻5G毫米波/MIMO測試　儀器商各獻模組化設計妙計

國家儀器技術行銷經理潘建安(圖3)表示，在5G原型設計階段，研發人員必須執行通道探測、通道模型(Channel Modeling)等作業，並多方驗證不同頻率、天線數量設計及通道干擾狀況，以確保該網路架構與5G概念相符且能實際運作。因此，工程師對訊號產生器、訊號分析儀、升/降頻器和混波器(Mixer)等射頻(RF)量測儀器的要求，除基本所需頻率和頻寬支援外，更加注重儀器彈性配置和軟體完整性，遂傾向採用軟體定義(Software Define)的PXIe模組化儀器。

圖3 國家儀器技術行銷經理潘建安提到，目前NI PXIe模組化測試方案已運用於多個可實際操作的5G網路原型設計。

值此5G毫米波頻段仍在激烈論戰之際，不同國家和業者投入28、32、38、60、71?76GHz頻段初期研究，儀器商都須提供支援。因此，潘建安強調，國家儀器即打造可支援至100GHz的升/降頻器及混波器，搭配LabVIEW軟體開發環境、PXIe模組化儀器和高速現場可編程閘陣列(FPGA)，可快速因應不同原型設計驗證配置需求。尤其該公司混波器內建本地振盪訊號源(LO Source)可達17dBm水準，不須增加功率放大器(PA)，因而可確保升/降頻後的訊號品質和線性度。

針對FPGA技術，國家儀器近期也宣布收購可編程平台供應商--BEEcube，增強在5G領域的技術實力。該公司係專為先進無線研究、無線基礎設施和軍事國防應用，提供FPGA原型和部署方案，對於國家儀器主打的PXI、LabVIEW RIO的軟體定義模組化儀器發展將大有助益。

不同於國家儀器的PXIe發展路線，是德則搶先部署高頻寬、高功率的AXIe模組化測試平台與多通道測試方案，並建置業界首個5G基頻探測程式庫(Library)，將有助各國電信商和通訊實驗室實現5G發展初期最關鍵的毫米波頻段通道探測，以及Massive MIMO設計驗證。

是德科技行銷處資深行銷專案經理郭丁豪(圖4)指出，針對5G超高頻率、頻寬、傳輸速率和功率規格要求，是德以獨特的AXIe模組化設備--M8190A AWG加上毫米波向量訊號源E8267D，整體測試系統內每片AXIe板卡可擴充至八通道、每通道達1Gbit/s傳輸頻寬，最高支援達上百通道，且能承受較大功率，可突破業界基於PXIe、單機儀器架構難以達成的效能限制(圖5)。

圖4 是德科技行銷處資深行銷專案經理郭丁豪指出，是德已在AXIe儀器設計領域累積長久經驗，可協助客戶更快上手。

安立知、羅德史瓦茲則延續單機模組化儀器設計策略，全力防堵AXIe、PXIe量測方案大舉瓜分市占。 安立知業務暨產品技術支援部門資深應用工程師黃昆輝表示，相較於其他儀器商在5G原型設計驗證領域，仍基於訊號產生器/分析儀的分離式方案，安立知近期已率先推出業界首款整合訊號產生器和頻譜分析儀的研發端單機基礎量測專用儀--MS2830A，還可搭配升/降頻器和混波器將頻率推升至320GHz，以提供網路技術研發人員更全面的RF訊號收發功能驗證支援，以及更優異的線性度、解調頻寬和同步效能。 與此同時，羅德史瓦茲應用工程支援部經理林志龍亦強調，目前該公司單機模組化架構的訊號產生器、頻譜分析儀即可滿足40GHz頻率、8×8 MIMO測試，外掛RTO系列高速示波器後，更可達到67GHz頻率、2GHz解調頻寬，或再搭配升/降頻器及混波器將能推上百GHz頻率，全方位滿足5G毫米波MIMO通道探測需求。

資料來源：是德科技 圖5 AXIe模組化測試系統應用於5G毫米波通道探測

林志龍分析，5G研究可分為數10GHz的毫米波頻率，以及6GHz以下的小型基地台使用頻率兩個層面。由於該公司近年主打的單機綜合測試儀--CWM500，早已攻占頻率在6GHz以下的4G方案研發端和產線端大塊版圖，所以自然成為晶片商、電信設備業者朝向下世代5G技術發展的優先選擇。

顯而易見，各家儀器商在5G模組化測試平台設計方面皆各有盤算，然而，目前許多國家或大專院校研究單位考量5G將形成分散式異質網路架構，利用大量小型基地台及天線陣列，以達到網路容量增長千倍的需求，因此在原型設計階段傾向採用模組化儀器，從而彈性擴充通道和頻寬。

搶進5G異質網路研發　AXIe/PXIe設計鏖戰

AXIe、PXIe皆是為模組化儀器設計而生，但一直以來AXIe瞄準高階應用、研發端市場，而PXIe則主打產線端、高速/低成本測試；隨著5G到來，此一壁壘分明的態勢也開始產生變化，兩大技術陣營皆不約而同跨入5G異質網路研發測試市場，挑起新戰火。

郭丁豪認為，5G毫米波通道、Massive MIMO天線的即時大量資料蒐集需求，將為儀器頻寬設計帶來嚴峻考驗，經該公司評估下，AXIe每片板卡可支援八通道，反觀PXIe僅能支援兩個通道，再加上AXIe的頻寬、功率支援能力均更為出色，因此選擇以AXIe技術切入5G研發測試。

潘建安則分析，目前PXIe最新版規格已能在單一卡槽中達成8Gbit/s頻寬，與AXIe不相上下，占位體積則相對較小，更有利於5G分散式、超高密度異質網路的測試及驗證；況且，目前AXIe與PXIe儀器的市場滲透率相差十倍，PXIe方案基於大量使用基礎，將更容易延伸至5G測試應用。不過，他也坦言，PXIe頻寬愈來愈高並維持精巧的機構，在散熱、板卡訊號相互干擾消除上將更加考驗儀器商的設計能力。

值得注意的是，PXIe一向著重非信令(Non-signaling)模式，與研發端慣用的信令模式截然不同，讓業界對PXIe在5G測試的發展萌生疑慮。對此，潘建安回應，高通(Qualcomm)在4G時期就鼓吹實體層(PHY)、媒體存取控制層(MAC)分開測試方法，以非信令模式加速實體層測試，而上層設計僅透過軟體驗證；此概念也受到許多5G研究人員支持，因5G資料量大，總共七層的通訊協定設計皆採用信令模式逐條驗證，將耗費大量時間及成本，因而有助PXIe非信令測試發展。

毫米波元件所費不貲　單機模組化儀器具成本優勢

不讓AXIe、PXIe專美於前，安立知、羅德史瓦茲則以單機模組化儀器在設置和成本控管方面的優勢反擊。

林志龍認為，相較於現有的行動通訊技術商用頻段，毫米波頻率超出幾十倍，相關RF元件、電路板設計、纜線和周邊治具成本也是好幾倍的成長，因此透過單機型儀器架構將能有效減輕成本壓力；此外，由於高頻訊號衰減相當明顯，PXIe儀器間過多的連結亦將影響訊號真實性和測試結果準確度，這也是單機型儀器的另一大關鍵優勢。

安立知業務暨產品技術支援部門資深應用工程師陳世昌補充，5G未來亦會延伸LTE R12版本的機器類型通訊(MTC)技術發展，構築低速率、低成本和低功耗的機器對機器(M2M)、裝置對裝置(D2D)網路，吸引更多傳統產業加入發展。然而，AXIe、PXIe儀器設置和測試程式開發皆需複雜的量測知識，這對大部分研發及產線端人員無疑是一大負擔；相較之下，透過高整合的單機模組化測試儀搭配自動化測試軟體，既能達成多元測試需求又能縮減儀器設置複雜度。

5G量測需求多變　測試軟體重要性遽增

另一方面，Anite產品總監James Goodwin表示，由於5G規範尚未底定，各國為掌握標準主導權皆各自為「陣」，展開不同頻率、MIMO天線配置，或GFDM、FBMC等新型調變機制的開發，因此相關技術研究單位除大舉導入模組化儀器外，亦要求儀器供應商提供客製化測試程式，讓儀器軟體設計的重要性大增。 鎖定此一趨勢，是德科技資深專案經理吳建樺透露，是德已建置業界首個5G機頻探測資料庫，提供5G波形、訊號源分析、多通道模擬和功率測試程式陣容，可依客戶研究目標和特殊要求提供客製化的測試/驗證參考方案。

與此同時，Anite、國家儀器、羅德史瓦茲和安立知也正分別針對5G毫米波、天線陣列技術，以及UDN和MTC等新型態網路通訊協定，開發適合的測試程式，可預見測試軟體將成為儀器商下一階段的較勁重點。