Uuden 5G-teknologian mukaisia kännykkäverkkoja alkoi ilmestyä markkinoille viime vuonna. Mikä on uuden teknologian vaikutus testauslaitteiden markkinoilla? Anritsun markkinointijohtaja Jonathan Borrill selventää.

5G:n odotetaan tuovan solukkoverkkoon uudenlaisia käyttötapoja ja mahdollistavan uusia teollisuuden aloja kuten ajoneuvojen itseohjautuvuuden, virtuaalitodellisuuden ja teollisuusautomaation. Tämä saadaan aikaan käyttämällä uudenlaisia aaltomuotojen ominaisuuksia, jotka mahdollistavat erittäin lyhyet latenssiajat ja suuren luotettavuuden, ja arkkitehtuuria, joka mahdollistaa yksityisten verkkojen helpon hyödyntämisen ja käytettävyyden.

5G:n tarkoituksena on myös tuoda enemmän joustavuutta ilmarajapintaan, jolloin se olisi helposti sovitettavissa tulevien tarpeiden käyttöön, erilaisiin taajuusspektrin allokointitarpeisiin ja erilaisten käyttökohteiden toteutuksiin. Ensimmäiset 5G-laitteet keskittyvät älypuhelimiin ja hotspot-sovelluksiin, koska niiden osalta 5G on suoraa jatkoa 4G:hen verrattuna. Ensimmäinen 5G:lle julkaistu Release 15 -spesifikaatio tähtää nimenomaan edellä mainittuun markkinarakoon, johon alan teollisuus pystyy nopeasti tuomaan uusia tuotteita ja markkinat saadaan käyntiin vitkastelematta. Nyt myös Release 16 alkaa olla valmis markkinoille, jolloin 5G:stä päästään ottamaan irti kaikki sen tarjoama toiminnallisuus myös uudenlaisilla teollisuuden aloilla.

Yksi uusista teknologioista on millimetriaallonpituuksien hyödyntäminen tiedonsiirrossa kaupallisilla markkinoilla ja sen tuominen kuluttajalaitteisiin. Sen myötä kaupallisten laitteiden toteutuksissa voidaan soveltaa keilanmuodostuksen (beam forming) ja aktiiviantennimatriisin tekniikoita. Millimetriaaltoteknologiaa on käytetty ennestään sotilassovelluksissa ja suorituskykyisissä langattomissa kiinteän verkon yhteyksissä, mutta nyt se pitää skaalata kooltaan ja hinnaltaan kaupallisiin kuluttajasovelluksiin sopivaksi. Tämän kehityksen myötä myös laitteiden ja teknologian testaukselle asetetut haasteet ovat uudenlaisia, jotta kuluttajatuotteille asetetut vaatimukset sekä tärkeät matkapuhelinviestinnän yhteentoimivuutta ja kansainvälistä roamingia koskevat vaatimukset täyttyvät. Kun 5G-solukot otetaan käyttöön ja aktivoidaan, uusia haasteita asettaa halutun signaalipeiton takaaminen, kun keilanmuodostuksesta tulee uusi elementti, josta operaattoreilla ei vielä ole paljonkaan kokemusta.

Testauslaitteiden valmistajille 5G on asettanut useita uusia suorituskyvyn parantamiseen liittyviä haasteita, jotka edellyttävät laajempaa RF-kaistanleveyttä (signaalin kaistanleveys aina 1 gigahertsiin asti), suurempia taajuuksia (43 gigahertsiin asti) ja suurempia datanopeuksia (jopa 10 gigabittiin asti sekunnissa). Nämä haasteet saadaan suurimmaksi osaksi toteutettua skaalaamalla testauslaitteet ja toteuttamalla ne uusinta teknologiaa käyttäen, ja vaikka kustannusten ja tehonkulutuksen osalta haasteita onkin yhä olemassa, perusteknologian osalta niitä ei ole.

Testauksessa suurimmat muutokset ovat kohdistuneet ilmarajapinnan testaukseen, ja sen viemiseen erityyppisiin hyväksyntätesteihin ja sertifiointitestauksiin. Kun tukiasemissa ja päätelaitteissa on integroituja RF-piirejä ja antenneja, ei ole olemassa erityistä liitinpistettä, josta radiolähetinvastaanotin voitaisiin testata. Ainoa keino mitata RF-parametrit (teho, modulaatio, kaistansisäiset ja kaistan ulkopuolelle menevät lähetystehot, jne.) tapahtuu ilmarajapinnan yli kytketyn antennin avulla. Tämä OTA-testaus (over the air) asettaa uusia haasteita testausmetodille (miten laitetta käännellään, missä kulmissa mitataan, miten teho integroidaan, miten otetaan huomioon vastaavat isotrooppiset parametrit), testauksen toleransseille ja mittauksen epävarmuustekijöiden huomioimiselle. Erityisesti sertifiointitestauksessa toleranssit ja epävarmuustekijät on oltava hyvin hallinnassa. Kuitenkin ilmarajapinnan yli kytkentä tuo monenlaisia epävarmuustekijöitä (asento, antennikytkentä, säteilyhäviöt, jne.). 3GPP-standardoinnin työryhmissä (RAN 4 & 5) onkin käytetty paljon aikaa mainittujen epävarmuustekijöiden arviointiin, jotta pystytään takaamaan, että testauslaitetoimittajien laitteilla voidaan tehdä sertifiointitestit. Työryhmien analyyseissä tutkimuksen kohteina ovat olleet säteilevät lähikentän (NF) kammiot sekä suorat ja epäsuorat kaukokentän (DFF ja IFF) kammiot yhdistettynä eri lähestymistapoihin mitata epävarmuustekijöitä.

Esimerkkinä tällaisesta järjestelmästä on laitetestaukseen tarkoitettu Anritsun MT8000A-alusta ja siihen yhdistettävä yli ilmarajapinnan testaukseen tarkoitettu kammiojärjestelmä. Järjestelmä on varustettu 5G-verkkosimulaattorilla. Sen avulla laitteet ja piirisarjat voidaan testata laboratorio-olosuhteissa, että ne toimivat oikein 3GPP-verkkojen määritysten mukaisesti. Järjestelmä antaa yksityiskohtaista tietoa signalointiparametrien asetuksista ja arvoista, joiden perusteella testattavat laitteet saadaan todettua ja tarvittaessa havaitut virheet korjattua määräysten mukaiseksi. Tämä testaus pitää sisällään RF-parametrien (modulaatio ja spektrin ominaisuudet), protokollapinon ja signaloinnin sekä säteilykeilan mittaukset.

Vastatakseen OTA-testauksen haasteisiin MT8000A-järjestelmällä voidaan myös tehdä ilmarajapinnanmittaukset sellaisten relevanttien parametrien kuten TRP/EIRP osalta. Tähän käytetään järjestelmäpakettiin kuuluvaa MA8171A-kammiota (DFF), joka käsittää mitattavan tuotteen pyörittimen, ohjaimen, antennit ja kalibrointivälineet ja jota ohjataan suoraan MT8000A:n käyttöliittymästä. Vaativampia säteilykeilan hallinnan testauksia varten MA8171A-kammioon voidaan asentaa useita antenneja (jolloin voidaan simuloida eri lähestymiskulmia) ja yksittäisestä antennipisteestä voidaan tuottaa monia säteilytehoja (säteilykeilan pyyhkäisyn simulointia varten).

Kun tehdään RF-yhdenmukaisuustestauksia, tarvitaan kooltaan varsin laaja mitattavan tuotteen mittausalue (quiet zone), jotta testattava laite saadaan kokonaisuudessaan käännellyksi ja mitatuksi riittävällä tarkkuudella. Tämän tyyppisissä mittauksissa käytetään epäsuoraa kaukokentän metodia (IFF) häviöiden minimoimiseksi, tavallisesti käyttämällä heijastinta säteilykeilan taittamista ja fokusointia varten, ja näihin viitataan usein lyhenteellä CATR (Compact Antenna Test Range). Anritsun MA8172A CATR on tällainen kammio, joka on täysin integroitavissa MT8000A-alustaan ja jolla voidaan suorittaa automaattisesti 3GPP:n mukaiset RF-yhdenmukaisuuden testaukset.

Kirjoittaja: Jonathan Borrill, Anritsu Corporation