眾所周知，用于引入5G和WiFi 6E無線網絡的技術在頻譜使用、組件等方面具有革命性的發展，為了滿足5G關鍵性能指標，必須在之前的蜂窩基礎設施上實現技術的迭代改進。

5G和WiFi 6E的許多技術改進主要是圍繞各種形式的多輸入多輸出（MiMo）的使用，隨著這些技術的廣泛采用，人們需要準確地了解這些信號在各種環境中的表現。從帶有步進衰減器、放大器、合路器和分路器的小型機架式開關矩陣，到大規模MiMo（mMiMo）測試，這些測試系統對于網絡架構師全面了解復雜傳輸環境中5G NR信號的功能至關重要。本文將提供對現代無線體系結構的各種關鍵因素的理解，并介紹測試和開發這些系統的一些新思路。

準確了解5G或WiFi 6E設備在一系列潛在傳播環境中的功能對于部署無線基礎設施至關重要，靈活的切換和MiMo測試系統對于確保可靠連接同樣至關重要。

支持5G和Wi-Fi 6/6E的現代傳輸環境

無論信號環境如何，都需要在網絡拓撲、基站技術和回程架構方面進行創新。在嘗試連接到蜂窩網絡時，有幾個環境因素會顯著影響用戶體驗：

·  自由空間路徑損耗

·  干擾

·  從多徑或陰影中消失

·  快速移動終端

·  手機發射塔的地理可達性

信號在自由空間中傳播的固有路徑損耗隨著頻率的增加而顯著增加，這一直是為密集城市地區服務的小單元設施所面對的問題。毫米波信號不僅在具有更高大氣吸收的自由空間中會快速衰減，而且幾乎無法像其它波長更長、低于6GHz的信號那樣在物體周圍發生繞射，毫米波信號散布在變化很小甚至相對光滑的表面上，并在大多數物體中完全衰減。

這就需要使用適當的信道空間來進行視距通信和波束成形，以實現精確的波束對準。要實現信號連接還需要使用微波回程基礎設施、深光纖安裝，以及非地面5G基站（衛星），來將連接延伸到偏遠農村地區。

到2025年，物聯網設備總數預計將達到270億臺，而移動設備數量預計將達到182.2億臺，不斷增加的設備擁塞帶來的干擾是設備制造商持續關注的問題，自干擾消除、動態頻譜共享（DSS）和遠程干擾管理（RIM）等技術旨在最大程度上解決這些問題。即使是多用戶MiMo（MU-MiMo）和大規模MiMo（mMiMo）也都會受到共信道干擾的影響，這需要近乎完美的信道狀態信息（CSI），或者評估從發射機到接收機的信號退化情況，包括散射、衰減和功率衰減。

環境障礙是渠道建模中不可忽略的一個因素，樹木、建筑物和雨水都會導致信號衰弱，MiMo增強功能幾乎包含在sub 6GHz和毫米波頻率的具有大量天線元件和無線電架構的每個5G 3GPP設備中。WiFi 5或802.11ac是第一個引入多用戶MiMo的WiFi標準，接入點（AP）現在能夠向每個客戶端形成多個波束，同時在下行鏈路中向每個客戶端發送信息。WiFi 6以相同的MU-MiMo或空間復用原理運行，同時通過結合正交頻分多址調制（OFDMA）、高階正交幅度調制（1024-QAM）以及上行鏈路和下行鏈路MU-MiMo來提高網絡性能。WiFi 6E將WiFi頻譜擴展至6GHz頻段（5.925-7.125GHz），開辟了更多頻段來支持5G免許可NR（NR-U）部署。

那么，我們如何模擬測試這些系統呢？切換矩陣是模擬環境對射頻傳輸影響的主要設備之一，工程師在通過矩陣的每條路徑上使用一系列功率分配器和組合器以及單獨控制的可編程衰減器。

通過這種方式，每個輸入信號都可以在不同的級別上進行衰減，例如，可以模擬自由空間路徑損耗、衰落或設備離開信號源時的信號衰減。使用快速開關衰減器，可以對射頻開關矩陣進行編程，通過在分配的時間范圍內調整衰減值來模擬快速和慢速衰落、多徑、干擾和一系列其他傳播現象。

模擬移動衰落的真實世界效應，其中快速移動設備（例如，車輛、火車、飛機等）可能通過多個基站的覆蓋區域，不同節點之間的衰減可以使用自由空間路徑損耗模型或弗里斯方程計算來進行模擬。在這些系統中測試切換需要一個具有多個輸入的切換矩陣，其中每個輸入代表一個不同的基站，輸出是接收設備。

在切換測試系統中，每個輸入都與不同的基站相關，而輸出信號則是指終端接收到的信號。大型開關矩陣可以接收大量輸入或基站信號，并相應地進行衰減，以模擬高速列車、飛機或任何其他快速移動的車輛。

MIMO測試挑戰

長期以來，蜂窩技術利用MIMO實現空間分集來應對衰落問題，空間分集使用不同的信道將相同的信息流從發射天線傳輸到接收天線，在發射端和接收端使用多個天線沿多條無線電路徑并行發送冗余數據，可提高鏈路可靠性和距離。在多條不同路徑上傳輸同一信號可利用分集增益，而在不同路徑上傳輸多個信號可提供復用增益。多用戶MIMO（MU-MIMO）利用多路復用增益向不同的接收機發送獨立的信息流。

這種空間復用技術是大規模MIMO的基本理論——通過狹窄的空間聚焦波束，利用大量并發傳輸到用戶終端。該系統大規模利用了分集和復用增益，在不使用額外帶寬或發射功率的情況下提高了容量。然而，與傳統的MU-MIMO系統相比，mMIMO具有更高的吞吐量、抗噪聲性、能量效率、鏈路穩定性和天線相關性，并且具有更低的誤比特率（BER）。導頻序列允許通過發送快速信號在接收機處進行快速信道估計，然而，由于系統依賴于精確的CSI，在多個同信道小區中反復使用這些序列可能會降低系統性能。

雖然MU-MIMO和mMIMO在鏈路可靠性、頻譜效率和吞吐量方面具有相當大的優勢，但對它們進行測試是非常復雜的，尤其是與傳統SISO系統相比。例如，在基本的WiFi SISO設置中，流量生成器通過接入點（AP）向站點（STA）或客戶端設備發送流量，其中，從AP發送的數據通過可編程的衰減器發送到STA以生成業務分析。而在MIMO系統中，需要多條射頻路徑，以及用于上行鏈路和下行鏈路測試的多徑模擬器和雙向設備，這樣，通過導電測試可以有效可靠地重建射頻環境。

首先，將脈沖測試信號發送到被測MIMO設備（DUT），并且測試信號的部分可以從DUT的每個天線發送到一個或多個測試天線，根據測試設置，DUT天線可配置為發送上行鏈路信號和接收組合下行鏈路信號，而測試天線接收組合上行鏈路信號和發送下行鏈路信號，反之亦然。為了模擬真實環境，測試天線連接到可編程射頻衰減器或射頻衰減矩陣，該矩陣模擬DUT和測試天線之間的不同距離。

對于4x4 MIMO DUT，衰減矩陣必須至少有四個輸入，當然，這會隨著8T8R、16T16R、64T16R等的增加而增加。可編程衰減器連接到一個或多個雙向巴特勒矩陣，以組合MIMO信號，并逐步改變以測量路徑損耗上的吞吐量。為了測試多徑效應，信道模擬器可以與衰減器矩陣一起使用，以更準確地重復真實的傳播環境。

每個MIMO測試系統都有細微的不同，例如，可以選擇無源巴特勒矩陣，因為它能夠連接具有不同天線數的設備。開關矩陣本身可以進行扇出、扇入或完全扇出操作，扇出矩陣將每個輸入端口連接到有限數量的輸出，在這種拓撲結構中，輸入信號可以通過功率分配器進行分割，并通過開關饋送到輸出端。開關本身限制到輸出的路徑數。然而，在一個完整的扇出矩陣中，所有的輸入都與輸出同時連接。輸入饋電信號通過其單獨的數字衰減器進行分離和衰減，并在輸出端進行組合，多條路徑可以同時運行這些輸入信號，這樣，輸出端口可以共享輸入。

多路徑模擬器還可以利用各種信道模型進行更精確的流量分析。一些WiFi MIMO測試提供2.4GHz或5GHz巴特勒矩陣塊之間的可選切換，隨著這些系統的天線數量和頻率的增長，這些系統變得越來越難以進行精確測試。下一代無線網絡中的許多射頻環境的導電測試本質上是不同的，并且根據使用情況具有高度的特異性，可重編程射頻設備使工程師能夠在定制測試程序中具有一定程度的靈活性。

解決方案及優勢

可編程衰減器可以通過模擬電壓調節進行控制，或通過帶有串行接口的數字輸入或GPIB進行控制，更現代化的設備則使用LAN端口或USB提供控制，使用以太網或USB減少了自動化測試的障礙，可以使用幾乎任何PC或筆記本電腦進行控制。傳統的衰落模擬通常依賴于高度復雜和昂貴的單設備測試解決方案，這些解決方案最終受到端口號、內部硬件和專有軟件的限制。可編程射頻儀器可利用外部連接計算機的操作系統生成自定義測試序列，或使用軟件對其測試系統進行編程。

虹科USB控制的數字衰減器可以在用戶的測試系統中直接從附帶的圖形用戶界面（GUI）或其他程序（如LabVIEW、Linux、Python等）中輕松實現掃描衰減斜坡和衰減剖面。因為現代無線測試行業不斷受到新版本、不斷發展的規范和不斷變化的技術的影響，這種可重構性變得至關重要。（了解更多方案詳情，歡迎聯系文章結尾處虹科工程師微信）

對于MIMO測試系統來說，功能和模塊化至關重要，選擇適合測試頻率范圍的寬帶系統是非常重要的，這不僅針對短期測試設置，還需要能適應不斷增加的頻譜的測試系統，具有更多輸入和輸出通道以及完全扇出配置的系統可以在當前和未來的MIMO測試中提供必要的靈活性。為了準確模擬真實世界中的信號衰減，衰減的準確性非常重要，較小的0.1dB衰減步進允許更高分辨率的衰落剖面，高功率處理可以讓測試系統在實驗過程中更好地模擬真實信號強度。所有這些參數都是射頻模擬器、切換矩陣、切換和MIMO測試系統的決定性因素。

除了這些參數，可配置性是關鍵。無論射頻設備是移相器、衰減器還是開關，對任何和所有這些組件進行的相同調整都需要通過單一平臺輕松完成，這將測試系統中人為錯誤的風險降至最低，一個直觀的用戶界面，讓工程師可以隨時更改設備設置，減少了學習時間。

虹科HK-LDA-802-8：200-8000 MHz頻率數字衰減器

虹科HK-LDA-802-8數字衰減器是一種8通道高動態范圍、雙向、50歐姆步進衰減器，它提供120dB的衰減控制范圍，200-8000MHz，步長為0.1dB。衰減器可直接從附帶的圖形用戶界面（GUI）為固定衰減、掃描衰減（swept attenuation ramps）和衰減曲線（fading profiles）進行輕松編程，或者對于希望開發自己界面的用戶，虹科提供LabVIEW驅動程序、Windows API DLL文件、Linux驅動程序、Python示例等。

特征

·  可靠且可重復的固態數字衰減

·  包括GUI、Windows Linux和MAC SDK、LabVIEW驅動程序

·  單次或重復可編程衰減曲線

·  可從GUI或SDK編程的衰減配置文件

·  易于攜帶的USB供電設備

·  尺寸適合ATE應用的單個單元

·  USB或可選以太網控制

應用

·  WiFi、3G、4G、5G、LTE、DVB、微波無線電衰落模擬器

·  工程/生產測試

·  自動測試

虹科HK-VMA-Q8X8SE衰減器矩陣

虹科便攜式射頻測試設備系列還包括機架式衰減器和衰減器矩陣解決方案，它們兼作無線切換測試系統，為測試技術人員和產品工程師提供解決獨特無線切換測試挑戰的能力。機架安裝解決方案包括從單機架12和16通道衰減器到64×8矩陣解決方案，以及多達512個單獨控制的衰減器。所有解決方案都利用了便攜式產品中使用的相同API結構，并且可以直接從附帶的圖形用戶界面（GUI）或其他定制編程解決方案中輕松編程固定衰減、掃描衰減和衰減曲線。

虹科HK-VMA-Q8X8SE衰減器矩陣系統是一種安裝在機架上的8輸入8輸出非阻塞測試儀器，它提供90dB的衰減控制范圍，500-6000MHz，步長為0.1dB。可輕松編程用于固定衰減、掃描衰減和衰減曲線。虹科HK-VMA-Q8X8SE由交流供電，并通過機箱后部的一個以太網端口進行控制，在前面板上獲得輸出信號。

特征

·  可靠且可重復的固態數字衰減

·  包括Windows和Linux SDK

·  單次或重復可編程衰減

·  可編程衰落剖面

·  以太網控制

·  集成服務器

應用

·  WiFi 6，WiFi、LTE、5G、6G

·  多點無線電衰落模擬

·  半導體測試和鑒定

·  自動測試設備（ATE）

總結

在基于USB的測試設備和可編程測試設備的現代測試環境中，工程師們發現測試配置和可編程性使得系統變得更加靈活。對于頻帶、信道模型、信道數量和測試參數經常發生變化的現代切換和MIMO測試系統來說尤其如此。在這個動態測試空間中，模塊化、可定制和可重構的測試系統是關鍵。