無線技術複雜度遽增　行動裝置測試方法掀變革

2015-08-03

David Hall

只要市場上有新的無線創新產品，消費者都會很高興。舉例來說，消費者現在已經能用智慧型手機控制家中的恆溫器，也能夠用手表撥打電話；同時也希望裝置的連線程度越高越好。不過測試工程師往往會對此感到徬徨不安，擔心自己無法在產品複雜度日益增高的狀況下，仍然確保產品品質，並降低測試成本。

根據統計數據，目前全球行動上網的總連線數已超過總人口數。研調機構ABI Research預估，至2020年時，連線上網的無線裝置總數將超過四百億台，而全球行動通訊系統協會(GSMA)日前也預測，2020年時，連接至行動網路基礎架構的行動無線電裝置總數將高達九十億台(圖1)。

圖1　1985∼2020年，行動裝置連線數與世界人口總數之成長比較圖。資料來源：GSMA、The Mobile World

由於日益普遍的無線技術已徹底改變製造無線裝置的成本動態，因此製造商必須大幅降低生產成本，並提升產能。然而，無線裝置本身變得越來越複雜，為了降低測試成本，測試與量測業界必須持續進行大幅度的創新與改革。這樣的市場壓力不僅促使業界尋求成本較低的儀器，也催生出各種全新的測試技術。

無線技術複雜度日益增加

由於裝置複雜度越來越高，測試的複雜度也因此增加。如果不針對測試進行創新，屆時測試成本將居高不下，而從行動裝置中支援的頻段與行動電話標準總數，可以得知，無線裝置在過去20年來確實越來越複雜。

2000年時，大多數行動電話都僅支援兩個GSM頻段，而到了2005年，行動電話不僅使用四個GSM頻段(並標榜為「全頻手機」)，更支援藍牙與Wi-Fi技術；2010年，通用行動電信系統(UMTS)技術已開始提升GSM/EDGE無線電，而如果要測試UMTS技術，就必須具備全新的測試案例。過去5年來無線技術複雜度持續增加，長程演進計畫(LTE)、802.11n/ac與NFC技術也相繼推出。

預計2020年，無線裝置複雜度仍將持續攀升，屆時產業界也將見證802.11p、802.11ad、802.11ah與802.11ax等眾多Wi-Fi技術普及化；此外，第五代行動通訊技術的測試挑戰也極有可能大幅超越LTE。

目前的5G研究領域包含毫米波技術應用、全新的波形種類、新的網路拓撲與大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)等，若毫米波技術或大規模MIMO成為正式5G標準的一部分，行動裝置測試將變得極為困難，且更加昂貴。針對這點，如果測試團隊要測試這些無線技術，就必須升級現有測試基礎架構，才能支援更高的訊號頻寬、更高的頻率與更多天線埠。除了這些測試需求之外，5G行動通訊也必定會新增更多測試案例(圖2)。

圖2　行動電話無線電複雜度在過去20年來快速提升。資料來源：National Instruments(2015)

無線技術成本不斷下降

雖然無線裝置複雜度持續增加，無線技術的生產成本卻逐漸下降。1983年，第一台商用行動電話「Motorola DynaTAC 8000x」零售價高達3,995美元，折合目前幣值約10,000美元；到了1990年，行動電話售價已低於1,000美元；2000年，低階行動電話價格已下滑至200美元左右。

智慧型手機價格偏高，因而減緩行動電話平均銷售價格的衰退率，然而核心無線技術的成本仍持續下降。最明顯的例子就是諾基亞(Nokia)手機在2005、2009年間高達39%的平均銷售價格跌幅，而在這5年之中，智慧型手機出貨量相對較低。此外，無線技術成本最顯著的指標可藉由半導體元件的平均銷售價格而得知。根據Databeans與IC Insights預測，2011、2019年行動裝置類比IC的平均銷售價格將衰退30%(圖3)。

圖3　2011∼2019年無線類比IC成本與單位數量　資料來源：Databeans(2014)

測試無線裝置有個難題，就是測試效率必須一次提升高達30%，由於裝置複雜度急遽攀升，因此測試效率必須同時克服測試複雜度與目標測試成本等兩項挑戰。

日益增加的行動頻段、全新的波形種類與越來越多的Wi-Fi設定也勢必會帶來更多測試案例。換言之，目前測試工程師的主要挑戰其實不是用提升30%的測試效率來檢驗相同數量的測試案例，而是以提升30%的測試效率來檢驗十倍或甚至一百倍以上的測試案例。

面臨技術成本/複雜度遽增　無線裝置邁向平行/非信令測試

消費者都希望無線裝置連線品質更高、價格更低、傳輸量更大，但如果要達成這些目標，就必須大幅變革無線裝置的測試方式。

在10年前，測試行動電話就是使用一台儀器來實際撥打電話。如果要進行這種目前稱為「信令測試」的方式，就必須在實際測試前先建立通話，而在某些範例中，電話校準與測試往往耗時超過10分鐘。

日前行動電話業界已逐漸轉用「非信令式測試」，電腦會透過數位介面傳送一系列指令至行動裝置端以進入「測試模式」。雖然非信令式測試確實能更快速地完成裝置測試，但工程師仍持續創新並研發更快速的測試方法。

目前行動電話與Wi-Fi晶片製造商都已開始與測試設備製造商密切合作，藉以研發更快速的無線測試方式。舉例來說，現代無線晶片配備的快速序列模式就能更快速地排序各種測試案例。這種技術也能搭配更高速的儀器，從而以更快的速度、更低的成本測試無線裝置。

未來無線測試的主要創新層面預計會是大規模平行測試架構，或是管線流通式(Pipelined)測試架構，這些類型的測試架構能讓製造商平行測試多個裝置(圖4)，從而降低製造成本與設備成本。

圖4　平行測試可提升測試設備的使用效率。

目前業界正逐漸汰換1-up(系統每次僅測試一台裝置)與2-up測試工作站，並轉用更符合成本效益的4-up與8-up測試工作站，未來的系統必須讓每次平行測試裝置數超過十六台或甚至三十二台，才能稱得上經濟實惠。

無線測試的創新方式

為了解決這些難題，測試儀器商現已推出全新的無線測試系統(WTS)。此系統融合最新的PXI儀控、內建切換技術與極具彈性的軟體，專為各種無線技術，如LTE Advanced、802.11ac、Bluetooth Low Energy的大量製造測試所設計。

WTS的內部使用了向量訊號收發器(VST)。該收發器將向量訊號產生器(VSG)與向量訊號分析器(VSA)整合於同一模組中，而WTS除了配備VST之外，更提供內建式多埠切換技術，可執行平行測試或多埠測試應用。有了內建式切換技術，工程師就能針對VST進行多種設定，例如8-up平行測試或兩組4×4 WLAN MIMO無線電的平行測試(圖5)。