5G毫米波開發邁大步　靈活8×8並行MIMO測試有譜

5G代表跨世代的技術變革，相較於3G和4G，5G的應用領域不僅止於行動裝置，而是滲透到每人生活的各個層面，從實現工業物聯網(IIoT)、擴增實境(AR)/虛擬實境(VR)、智慧城市到確保自駕車的安全性等，5G可望掀起一場全新的產業革命；半導體、雲端技術、網路基礎架構、軟體及測試技術等相關領域的業者，必須懂得善用這些最新無線技術的解決方案，而這並不容易。

5G標準包含大規模多重輸入輸出(Massive MIMO)和毫米波(Millimeter Wave, mmWave)等最新技術，這兩種技術都使用多個天線和波束成形(Beamforming)技術，迥異於過往和現今的無線架構；5G也以全新的無線控制機制分別管理控制與資料傳輸功能，可提供個別裝置更豐富完整的服務內容。

此外，5G技術提議的標準也比3G、4G複雜得多，因5G將改變人們使用網路的方式，在各領域的設計、開發與測試系統上的做法勢必會改變。以測試作業而言，由於傳統方式主要聚焦於個別元件上，無法因應系統所承受的整體影響，因此透過平台架構方案並輔以核心軟體技術，將是未來發展5G技術的成功之道。

過去諾基亞(Nokia)以毫米波頻譜推出73GHz的全球第一款毫米波5G原型，打破行動存取資料速率的紀錄，以及隆德大學(Lund University)開發出第一款Massive MIMO原型，並由布里斯托大學(University of Bristol)和臉書(Facebook)研究人員將其發揚光大等，這些系統原型都在5G技術演進過程中扮演重要角色。

在5G商轉過程中，測試與量測解決方案是關鍵，所有的測試系統除了必須突破實體層限制，運用可控制/操控的波束迅速有效地測試這些多天線技術外，還要具備極寬廣的頻寬，以因應全新毫米波系列裝置需求。雖然頻寬是一個常見的測試挑戰，但在標準長程演進計畫(LTE)通道下，5G受測頻寬預計將增加五十倍，且這些頻寬與測試系統不只須要生產、擷取更寬廣的頻寬波形，還要能即時處理這些資料。

從上述說明可知，5G代表各種前所未見的技術典範轉移，而操作彈性且軟體可供設定的平台架構方案，對此生態系統的發展至關重要。

Massive MIMO效率顯著 　5G未來發展寄予厚望

作為5G關鍵技術之一，Massive MIMO技術透過大幅度增加基地台的天線陣列數量來提升頻譜利用效率的優勢，被業界寄予厚望，但實際上以研發測試而言，多重輸入多重輸出(MIMO)的通道特性卻難以在實驗室中「真實地」模擬，主要原因在於傳統的通道探測器(Channel Sounder)採用的是多天線陣列，以及射頻切換開關透過分時(Time Division)切換的方式來類比MIMO。這種方案受到通道相關長度的限制，特別在高速移動場景中偏差較大，無法準確地體現MIMO通道的特性。

對此，上海無線通訊研究中心(Shanghai Research Center for Wireless Communication, WiCO)與國家儀器(NI)合作，透過向量訊號收發器(VST)以及其他PXI模組等核心元件，自行研發打造業界首款8×8並行架構的MIMO通道探測器(圖1)，從根本解決多天線場景下快速時變通道的測量問題，提升並行通道探測器對高速場景通道測量的適用性，完美滿足5G研發測試需求。此平台的優勢在於透過統一系統框架，僅須更換對應硬體模組與軟體參數調整，就能夠彈性地處理頻段和毫米波頻段的測試測量需求。

上海無線通訊研究中心研發的8×8收發並行MIMO通道探測器主要架構如圖2所示，重點模組包括多通道任意波發射器與接收器、多通道間射頻同步模組、多通道校準方案等。憑藉8通道架構的優勢，該通道探測器已實現多條並行的發送通道，同時發送時域序列、多條並行的接收通道，並接收空中訊號與儲存原始的IQ資料，解決多天線情境下快速時變通道的測量問題，可支援最高350km/h的移動測試場景。此外，根據使用者需求，可靈活配置並行收發的通道數量，從1發射1接收到最大8發射8接收，或者配置任意收發數量，如2發射6接收、8發射1接收(圖3)。

值得一提的是，這款8×8收發並行MIMO通道探測器配備了VST模組，實現並行通道探測器中心頻率在100MHz至6GHz範圍內自由設定，以及每個通道可支援200MHz頻寬的強大性能。由於操作化繁為簡、調整參數即可設定中心頻率，加上購買射頻前端的成本大幅降低，相較於傳統通道探測器的射頻前端頻率是一個固定值、測試不同的頻段必須更換射頻前端，優勢顯而易見。

以此向量收發模組作為硬體平台，並行通道探測器不僅能夠單向實現通道探測的功能，更可實現全雙工通道測量方案。而在實現通道測量功能的基礎上，同一套硬體平台還可以類比通道模擬，為通道採集、重播、分析一體化奠定基礎，且未來幾年，針對Sub 6GHz的並行MIMO通道探測器還將升級擴展為64×64。

毫米波測量5G　2GHz頻寬投入試驗

根據香農定理(Shannon's Theorem)，資料傳輸速率與容量的提升均受頻譜所限。頻譜範圍越廣，資料傳輸率也越高。就這一點，其實毫米波更適合應用到5G。毫米波資源充裕，且只須經過授權就能使用，但毫米波這一頻譜還未經過完整研究，仍然有大量技術問題未解決，也註定了毫米波在短時間內恐無法商用。

而上海無線通訊研究中心基於MIMO並行通道探測器的架構，選用NI毫米波平台高達2GHz頻寬的產品，在該平台基礎上持續自行研發多通道毫米波頻段的並行通道探測系統(圖4)。目前第一個版本已進入試驗階段，正通過車間(V2V)的測試來反覆運算修正多通道毫米波並行通道探測器的功能和性能。

為了利用毫米波來實現5G，研究人員必須開發新的技術、演算法與通訊協定。現階段透過建立毫米波系統原型展示某項技術或概念的可行性，毫米波收發即時系統可用於搭建即時雙向多通道MIMO毫米波通訊原型驗證系統，結合靈活的模組化硬體與強大的應用軟體，適用於許多毫米波應用的軟體定義無線電(SDR)解決方案。一般研究人員可透過此系統，短時間內部署設計，並藉由軟體調整需求與快速反覆運算，從而不斷優化設計來滿足特定目標，如無線蜂巢式系統、通道測量等應用。

靈活運用SDR平台　支應5G測試量測

目前5G標準已經初步制定，但尚有許多不確定因素，實體與網路中仍有很多全新架構都是軟硬體分離結構，須以更靈活的方式來支援5G應用，在此情況下，最適合採用虛擬儀器來測量與設計。

而5G標準的三大方向中，許多指標相互衝突，不可能既要高頻寬、又要高度連結，對設備營運商而言，也不可能購買很多套測試設備應對不同場景，特別是物聯網(IoT)場域。因此，在營運商須提出更彈性的架構下，軟體定義無線電平台顯得更重要，須透過通用的軟、硬體平台來支援測試，以因應未來各種的應用場景所需。

(本文作者分別任職於國家儀器、上海無線通訊研究中心、中科院上海微系統與資訊技術研究所)