Ilmarajapinnan mittausten (OTA, Over-The-Air) käyttöönotto 5G-piirisarjojen ja päätelaitteiden validoinnissa tuo lukuisia uusia haasteita säännösten asettamien vaatimusten täyttämiselle ja halutun mittaustarkkuuden saavuttamiselle. Tässä artikkelissa esitellään joitakin 5G-NR-radiorajapinnan OTA-testauksen päähaasteita sekä uusia menetelmiä, jotka on kehitetty testaushaasteiden voittamiseksi. Uudet testausratkaisut auttavat nopeuttamaan laitteiden markkinoille tuomista, alentamaan testauskustannuksia ja antamaan yrityksille kilpailuetua langattoman viestinnän uudella rintamalla.
| Artikkelin kirjoittaja, tekniikan tohtori Enrico Brinciotti toimii Anritsulla sovellusinsinöörinä. |
5G:n tavoitteena on tarjota käyttäjille suorituskyvyltään parannettu mobiililaajakaista (eMBB), jonka tiedonsiirtonopeus voi olla jopa 20 Gb/s. Ottamalla käyttöön useita vierekkäisiä taajuuskaistoja kapasiteetin lisäämiseksi on siirrytty yhä korkeammille taajuuksille, nyt jo millimetriaalloille (mmW). Millimetriaalloille (FR2) optimoidut laitteet ovat erittäin monimutkaisia ja tuovat paljon haasteita. Näitä ovat signaalipolkujen häviöt, IQ-datan huonontuminen, vaihekohina, lineaarinen/epälineaarinen kompressio sekä taajuusvirheet, jotka ovat yleisempiä suuremmilla taajuuksilla ja laajemmilla kaistanleveyksillä.
FR2-taajuusalueen signaalipoluilla tapahtuvien häviöiden (> 60 dB) vaikutusten lieventämiseksi on kehitetty keilanmuodostustekniikoita (Beamforming), jotka on toteutettu aktiivisten antenniryhmien (AAS) avulla. Niissä hyödynnetään monivaiheohjattuja antenneja ja nopeita signalointitekniikoita. AAS-järjestelmässä lähetin-vastaanottimen etuasteet on integroitu antenniryhmään. Toisin sanoen perinteisiä RF-lähtöportteja ei ole käytössä, joten kaapeliliitäntä ei ole mahdollinen.
Ilmassa etenevien radioaaltojen OTA-testauksesta on tullut 5G:n oletusarvoinen testaustapa, ainakin FR2-taajuusalueella. Tämä vaikuttaa testausmenetelmiin ja edellyttää mittausten epävarmuuteen liittyvien vaatimusten saavuttamista OTA-ympäristössä. Toinen tehokkaan verifioinnin kannalta tärkeä haaste on keskeisiin mittauksiin liittyvien yhä tiukempien määritysten noudattaminen.
OTA-testausmenetelmät
Standardointiyhteisö 3GPP määrittelee UE- eli käyttäjälaitteille kolme sallittua ilmarajapinnan testausmenetelmää: suora kaukokenttä DFF (Direct Far Field), epäsuora kaukokenttä IFF (Indirect Far Field) ja mittaus lähikentästä kaukokenttään eli NFTF (Near-Field-To-Far-Field). Parhaan testaustavan määrittäminen sovellukseen riippuu useista tekijöistä kuten antennin koosta ja testattavan laitteen (DUT, Device Under Test) kokoonpanosta.
DFF-testaus sisältää testauskammion mitoittamisen siten, että testiantenni ja DUT ovat toisistaan suuremmalla etäisyydellä kuin 2D2/ λ, missä D on testattavan laitteen suurin mitta ja λ on mittaussignaalin aallonpituus. Tämä etäisyys kasvaa laitteen koon ja taajuuden kasvaessa. Kun D on suuri ja/tai taajuus korkea, DFF-lähestymistapa johtaa testauskammioihin, jotka ovat sekä epäkäytännöllisen suurikokoisia että kohtuuttoman kalliita.
Hyvin usein testattava laite on mittauksen aikana omassa kotelossaan, joten tarkkaa DUT-antennin kokoa ja/tai sijaintia ei tiedetä. Näissä tapauksissa tulisi käyttää suurinta laitekokoa, mikä johtaa erittäin suurikokoisiin testauskammioihin jopa suhteellisen pienikokoisilla laitteilla. Näitä tapauksia varten on tarjolla käytännöllisempiä tapoja luoda asianmukaiset kaukokentän testausolosuhteet.
IFF-menetelmät mahdollistavat kaukokenttäolojen luomisen pienennetyssä testauskammiossa. Vaikka IFF-menetelmät tarjoavat pienemmän koon ja alhaisemmat signaalipolkujen häviöt kuin DFF, ne yltävät silti kohtalaiseen testausnopeuteen. Ne myös tukevat RF-parametrien mittauksia säteilykeilamuotojen karakterisoimiseksi ja säteenohjauksen (Beam steering), EIRP/TRP- ja EIS-testauksen sekä keilanmuodostuksen validoimiseksi.
IFF-menetelmien suurin haittapuoli on, että ne rajoittuvat vain yhden saapumiskulman (AoA, Angle of Arrival) mittaamiseen, joten ne eivät voi tukea joitain RRM-testaustapauksia ja säteenhallinnan testejä (Beam management). Yleisin IFF-testausasetelma on CATR (Compact Antenna Test Range), jossa käytetään parabolista heijastinta pallomaisen aallon muuntamiseen tasoaalloksi. Kuvassa 1 nähdään CATR-testauslaitteisto MA8172A, joka on tarkoitettu käyttäjälaitteiden FR2-taajuusalueen 5G-NR-radiorajapinnan OTA-testausta varten.
Kuva 1. CATR-testauslaitteisto MA8172A käyttäjälaitteiden FR2-taajuusalueen 5G-NR-radiorajapinnan OTA-testausta varten.
Oikean OTA-menetelmän valinta
Käyttäjälaitteilta vaaditaan evaluointia ja kvalifiointia niiden koko kehitysprosessin ajan, aina tuotekehityksestä massatuotantoon ja sertifiointiin asti. Testausvaatimukset vaihtelevat eri vaiheissa, joten mitään yksittäistä OTA-testausmenetelmää ei voida pitää parhaana FR2-taajuusalueella toimivien 5G-laitteiden karakterisoinnissa. Kehittäjät voivat valita optimaalisen OTA-menetelmän useiden tekijöiden perusteella: testausliitäntä, eri vaiheiden mittaustulokset ja testausvaatimukset, testauskustannukset sekä mittauksiin liittyvän epävarmuuden ja testausajan väliset kompromissit.
Kuvassa 2 nähdään yleiskatsaus erilaisista OTA-testikammioratkaisuista, jotka on suunnattu eri testaustarpeisiin. Paras ratkaisu riippuu useista eri näkökohdista kuten testattavan laitteen koosta ja painosta sekä pallomaisen tai tasomaisen aallon testaustarpeesta. Taulukko 1 puolestaan sisältää korkean tason yhteenvedon DFF- ja IFF-OTA-testausympäristöjen laadusta ja sovellettavuudesta.
Kuva 2. Kooste erilaisista 5G OTA -testikammioratkaisuista, jotka on suunnattu eri testaustarpeisiin.
Taulukko 1. Korkean tason yhteenveto 5G OTA -testausympäristöjen sovellettavuudesta. Vihreä väri = täysi sovellettavuus, oranssi = sovellettavissa rajoituksin, punainen = ei sovellettavissa.
OTA-testauksen haasteet
OTA-testien tarkkuuden, luotettavuuden ja tehokkuuden varmistamiseksi seuraavat tekniset haasteet on ratkaistava oikealla tavalla.
1. Testausaika
Testausaika on kriittinen tekijä 5G-laitteiden OTA-testauksessa. Kun kehittäjät tekevät OTA-testejä 3GPP:n määrittämän testausruudukon puitteissa, he saattavat havaita, että mittaustarkkuutta on parannettava. Mitä tarkempi on näytteenottoruudukko, sitä pienempi tilastollisesti on mittauksen epävarmuus. Testausaika kuitenkin pitenee hienojakoisempien testausruudukoiden myötä.
Kokonaissäteilyteho TRP on hyvä esimerkki. TRP-mittaus on välttämätön sen varmistamiseksi, että laitteen radio-osa lähettää RF-tehoa säädösten mukaisesti. Säteilykuvion sivu- ja takakeilojen vuoksi ainoa tapa mitata TRP on integroida säteilyteho 360° pallopinnalle koko antennin ympärille, mikä lisää mittaukseen tarvittavaa aikaa. TRP OTA -testausaika määräytyy kohdistimien liikuttamiseen tarvittavan ajan ja mittauspisteiden lukumäärän perusteella ja lisäksi siitä, että mittauksessa on otettava huomioon sekä vaaka- että pystypolarisaatio.
On tärkeää, että kaupallisesti saatavilla olevat ratkaisut ottavat tämän näkökohdan huomioon. Anritsun testausratkaisu MX800010A, joka perustuu radiotestausasemaan MT8000A, lyhentää testausaikaa hyödyntämällä kahta RF-muunninta ja vakiotiheysalgoritmia.
2. Kalibrointi
Toinen haaste 5G OTA -testauksessa on ratkaista signaalipolkujen merkittävät häviöt, jotka voivat tasoltaan helposti olla yli 50 dB. Testausympäristön tarkka kalibrointi on tarpeen RF-mittausten suorittamiseksi oikealla tavalla. Ne tehdään yleensä käyttämällä referenssiantennia, jonka vahvistusarvot tunnetaan.
Kalibroinnin suorittamiseksi vertailuantenni sijoitetaan hiljaisen alueen (Quiet zone) keskelle eli testauskammiossa olevaan tilaan, jossa RF-mittaukset suoritetaan ja jossa testattavaan laitteeseen kohdistuu lähes tasainen amplitudi ja vaihe. Tyypilliset hiljaisen alueen spesifikaatiot ovat 10 asteen vaihevaihtelu, ± 0,5 dB amplitudin aaltoilu ja 1 dB amplitudin madaltuminen.
Millimetriaaltoalueen moduulit mahdollistavat mmW-signaalien generoinnin ja vastaanottamisen muuntamalla ne kantataajuudesta testauslaitteille (jäjestelmäsimulaattoreille) syötettäviksi ja niistä lähteviksi mmW-signaaleiksi. Muunninmoduulit voivat auttaa minimoimaan signaalipolun häviöitä ja parantamaan kalibroinnin tarkkuutta. Millimetriaaltojen suurempien etenemishäviöiden vuoksi on tärkeää sijoittaa muuntimet mahdollisimman lähelle antenneja.
Kuvassa 3 nähdään Anritsun valmistamat MA8000XA-tyyppiset RF-muuntimet. Ne voidaan sijoittaa suoraan syöttöantennien viereen ilman yhteistä CIU-liitäntäyksikköä (Common Interface Unit), mikä minimoi signaalipolulla tapahtuvat häviöt. Muuntimet on kytketty takapaneelin kautta MT8000A-radiotestausaseman RF-perusmoduuliin käyttäen IF-signaalipolkua, mikä mahdollistaa käytettävissä olevan mittausdynamiikan optimoinnin. Tämä arkkitehtuuri varmistaa, että häviöt minimoidaan, mikä johtaa parempaan S/N-suhteeseen, mittausten vähäisempään epävarmuuteen ja tarkempiin tuloksiin.
Kuva 3. Anritsun MA8000XA-tyyppiset RF-muuntimet on tarkoitettu millimetriaaltoalueen mittauksiin. Ne on suunniteltu minimoimaan signaalipolun häviöt ja parantamaan OTA-kalibroinnin tarkkuutta.
3. Testattavan laitteen kohdistus
Millimetriaaltoalueen antennit ovat hyvin vahvasti suunnattuja, joten niiden kohdistuksen on oltava erittäin tarkka. Testattavan laitteen toistettavan sijoittamisen varmistamiseksi testattavan tuotteen pidikkeiden on kyettävä aina palauttamaan DUT-laite luotettavasti odotettuun paikkaan. Tarkkoja ja toistettavia mittaustuloksia voidaan saada vain, jos paras kohdistuksen vaihtoehto voidaan valita vastaamaan päätelaitteen rakennetta ja antennin sijaintia.
Anritsu on äskettäin esitellyt DUT-pidikkeen MA8179A-AK011, joka on valmistettu käyttäen pienihäviöistä materiaalia, joka estää mittausten häiriintymisen ja täyttää täten testausympäristön kaikki vaatimukset. Tämä helpottaa millimetriaalloilla toimivien RF-päätelaitteiden markkinoille tuomista. Kyseessä on kompakti jigi, joka on kiinnitetty kohdistimeen asettamaan testattava laite oikeaan suuntaan ja asentoon. Sen ansiosta Anritsun testauskammio CATR MA8172A voi tukea testattavaa laitetta, esimerkiksi älypuhelinta tai tablettia, 3GPP:n kohdistusoption 1/2/3 määrittämissä asennoissa ja suunnissa.
Lisäksi laitteisto täyttää hiljaista aluetta (Quiet zone) koskevan suosituksen RF/RRM-yhteensopivuustestissä sekä yksinkertaistaa testattavan laitteen kiinnittämistä ja irrottamista testauskammiossa verrattuna aiempiin jigimalleihin. Kiinnityksen tarkkuus varmistaa, että mittaukset ja asennot voidaan toistaa helposti.
Kuva 4. Anritsun valmistama MA8179A-AK011 on DUT-pidike, joka tukee testattavaa laitetta 3GPP:n kohdistusoption 1/2/3 määrittämissä asennoissa ja suunnissa.
4. Äärimmäiset lämpöolot
3GPP:n spesifikaatio TS38.101-2 määrittää lämpötila-alueen -10 … +55 °C rajat äärilämpötiloiksi (ETC), joten 3GPP:n vaatima RF-testaus kattaa myös äärimmäiset ympäristötestit (kuuma/kylmä). Anritsu on äskettäin esitellyt CATR Anechoic Chamber MA8172A -laitteiston päivittämiseksi lämpötestausoption MA8172A-010. Se helpottaa aiemmin vaikeita lämpötilatestejä millimetriaaltoalueella toimiville 5G-älypuhelimille.
Käyttämällä lämpötestausoptiota yhdessä 5G-laitteiden tuotekehityssovelluksiin tarkoitetun radiotestausaseman MT8000A ja 5G-yhteensopivuustesteihin tarkoitetun uuden RF-testijärjestelmän ME7873NR kanssa voidaan millimetriaaltoalueella toimivien 5G-puhelinten RF-ominaisuudet varmistaa kontrolloidussa lämpötilassa, mikä auttaa ylläpitämään ja parantamaan matkapuhelinten laatua. Lisäksi jatkuva testaus alhaisissa, normaaleissa ja korkeissa lämpötiloissa johtaa testauksen parempaan tehokkuuteen ja on myös avaintekijä kasvavilla mmW-laitteiden markkinoilla.
Yhteenveto
OTA-mittaus on pakollinen millimetriaaltoalueella toimivien 5G-laitteiden suorituskyvyn arvioimiseksi. Tämä asettaa lukuisia haasteita halutun mittaustarkkuuden saavuttamiseksi validointia ja vaatimustenmukaisuutta koskevissa prosesseissa. Edellä on esitetty yleiskatsaus OTA-testauksen haasteisiin, ratkaisuihin ja parhaisiin käytäntöihin. Mitään yksittäistä OTA-menetelmää ei kuitenkaan voida määritellä ainutlaatuiseksi ratkaisuksi 5G mmW -laitteiden kokonaisvaltaiseen karakterisointiin.
Optimaalinen valinta perustuu arvioitavien suoritusmittausten välisiin kompromisseihin, mittausten tarkkuuteen, kustannustehokkuuteen, eri testausympäristöjen monimutkaisuuteen, toistettavuuteen kontrolloidussa ympäristössä jne. Parhaan testausratkaisun valinta auttaa valmistajia nopeuttamaan laitteiden markkinoille tuontia, alentamaan testauskustannuksia ja antaa kilpailuetua tällä langattoman viestinnän uudella rintamalla.
Yhteistyö sellaisen testauslaitevalmistajan kanssa, jolla on kokemusta kaikista OTA-ympäristön elementeistä, auttaa täyttämään RF-, demodulaatio- ja toiminnallisen testauksen vaatimukset. Näin voidaan välttää tarpeettomia korjauksia, jotka voivat viivyttää tuotteiden markkinoille tuomista ja aiheuttaa lisäkustannuksia suunnitteluun.
