眾所周知，用于引入5G和WiFi 6E無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)在頻譜使用、組件等方面具有革命性的發(fā)展，為了滿足5G關(guān)鍵性能指標(biāo)，必須在之前的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施上實(shí)現(xiàn)技術(shù)的迭代改進(jìn)。

5G和WiFi 6E的許多技術(shù)改進(jìn)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(shù)的廣泛采用，人們需要準(zhǔn)確地了解這些信號(hào)在各種環(huán)境中的表現(xiàn)。從帶有步進(jìn)衰減器、放大器、合路器和分路器的小型機(jī)架式開關(guān)矩陣，到大規(guī)模MiMo（mMiMo）測(cè)試，這些測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師全面了解復(fù)雜傳輸環(huán)境中5G NR信號(hào)的功能至關(guān)重要。本文將提供對(duì)現(xiàn)代無線體系結(jié)構(gòu)的各種關(guān)鍵因素的理解，并介紹測(cè)試和開發(fā)這些系統(tǒng)的一些新思路。

準(zhǔn)確了解5G或WiFi 6E設(shè)備在一系列潛在傳播環(huán)境中的功能對(duì)于部署無線基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要，靈活的切換和MiMo測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于確?？煽窟B接同樣至關(guān)重要。

支持5G和Wi-Fi 6/6E的現(xiàn)代傳輸環(huán)境

無論信號(hào)環(huán)境如何，都需要在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、基站技術(shù)和回程架構(gòu)方面進(jìn)行創(chuàng)新。在嘗試連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)時(shí)，有幾個(gè)環(huán)境因素會(huì)顯著影響用戶體驗(yàn)：

·  自由空間路徑損耗

·  干擾

·  從多徑或陰影中消失

·  快速移動(dòng)終端

·  手機(jī)發(fā)射塔的地理可達(dá)性

信號(hào)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(qū)服務(wù)的小單元設(shè)施所面對(duì)的問題。毫米波信號(hào)不僅在具有更高大氣吸收的自由空間中會(huì)快速衰減，而且?guī)缀鯚o法像其它波長(zhǎng)更長(zhǎng)、低于6GHz的信號(hào)那樣在物體周圍發(fā)生繞射，毫米波信號(hào)散布在變化很小甚至相對(duì)光滑的表面上，并在大多數(shù)物體中完全衰減。

這就需要使用適當(dāng)?shù)男诺揽臻g來進(jìn)行視距通信和波束成形，以實(shí)現(xiàn)精確的波束對(duì)準(zhǔn)。要實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接還需要使用微波回程基礎(chǔ)設(shè)施、深光纖安裝，以及非地面5G基站（衛(wèi)星），來將連接延伸到偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)。

到2025年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總數(shù)預(yù)計(jì)將達(dá)到270億臺(tái)，而移動(dòng)設(shè)備數(shù)量預(yù)計(jì)將達(dá)到182.2億臺(tái)，不斷增加的設(shè)備擁塞帶來的干擾是設(shè)備制造商持續(xù)關(guān)注的問題，自干擾消除、動(dòng)態(tài)頻譜共享（DSS）和遠(yuǎn)程干擾管理（RIM）等技術(shù)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(guī)模MiMo（mMiMo）也都會(huì)受到共信道干擾的影響，這需要近乎完美的信道狀態(tài)信息（CSI），或者評(píng)估從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的信號(hào)退化情況，包括散射、衰減和功率衰減。

環(huán)境障礙是渠道建模中不可忽略的一個(gè)因素，樹木、建筑物和雨水都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰弱，MiMo增強(qiáng)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(gòu)的每個(gè)5G 3GPP設(shè)備中。WiFi 5或802.11ac是第一個(gè)引入多用戶MiMo的WiFi標(biāo)準(zhǔn)，接入點(diǎn)（AP）現(xiàn)在能夠向每個(gè)客戶端形成多個(gè)波束，同時(shí)在下行鏈路中向每個(gè)客戶端發(fā)送信息。WiFi 6以相同的MU-MiMo或空間復(fù)用原理運(yùn)行，同時(shí)通過結(jié)合正交頻分多址調(diào)制（OFDMA）、高階正交幅度調(diào)制（1024-QAM）以及上行鏈路和下行鏈路MU-MiMo來提高網(wǎng)絡(luò)性能。WiFi 6E將WiFi頻譜擴(kuò)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?nèi)绾文M測(cè)試這些系統(tǒng)呢？切換矩陣是模擬環(huán)境對(duì)射頻傳輸影響的主要設(shè)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(dú)控制的可編程衰減器。

通過這種方式，每個(gè)輸入信號(hào)都可以在不同的級(jí)別上進(jìn)行衰減，例如，可以模擬自由空間路徑損耗、衰落或設(shè)備離開信號(hào)源時(shí)的信號(hào)衰減。使用快速開關(guān)衰減器，可以對(duì)射頻開關(guān)矩陣進(jìn)行編程，通過在分配的時(shí)間范圍內(nèi)調(diào)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(xiàn)象。

模擬移動(dòng)衰落的真實(shí)世界效應(yīng)，其中快速移動(dòng)設(shè)備（例如，車輛、火車、飛機(jī)等）可能通過多個(gè)基站的覆蓋區(qū)域，不同節(jié)點(diǎn)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(jì)算來進(jìn)行模擬。在這些系統(tǒng)中測(cè)試切換需要一個(gè)具有多個(gè)輸入的切換矩陣，其中每個(gè)輸入代表一個(gè)不同的基站，輸出是接收設(shè)備。

在切換測(cè)試系統(tǒng)中，每個(gè)輸入都與不同的基站相關(guān)，而輸出信號(hào)則是指終端接收到的信號(hào)。大型開關(guān)矩陣可以接收大量輸入或基站信號(hào)，并相應(yīng)地進(jìn)行衰減，以模擬高速列車、飛機(jī)或任何其他快速移動(dòng)的車輛。

MIMO測(cè)試挑戰(zhàn)

長(zhǎng)期以來，蜂窩技術(shù)利用MIMO實(shí)現(xiàn)空間分集來應(yīng)對(duì)衰落問題，空間分集使用不同的信道將相同的信息流從發(fā)射天線傳輸?shù)浇邮仗炀€，在發(fā)射端和接收端使用多個(gè)天線沿多條無線電路徑并行發(fā)送冗余數(shù)據(jù)，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(hào)可利用分集增益，而在不同路徑上傳輸多個(gè)信號(hào)可提供復(fù)用增益。多用戶MIMO（MU-MIMO）利用多路復(fù)用增益向不同的接收機(jī)發(fā)送獨(dú)立的信息流。

這種空間復(fù)用技術(shù)是大規(guī)模MIMO的基本理論——通過狹窄的空間聚焦波束，利用大量并發(fā)傳輸?shù)接脩艚K端。該系統(tǒng)大規(guī)模利用了分集和復(fù)用增益，在不使用額外帶寬或發(fā)射功率的情況下提高了容量。然而，與傳統(tǒng)的MU-MIMO系統(tǒng)相比，mMIMO具有更高的吞吐量、抗噪聲性、能量效率、鏈路穩(wěn)定性和天線相關(guān)性，并且具有更低的誤比特率（BER）。導(dǎo)頻序列允許通過發(fā)送快速信號(hào)在接收機(jī)處進(jìn)行快速信道估計(jì)，然而，由于系統(tǒng)依賴于精確的CSI，在多個(gè)同信道小區(qū)中反復(fù)使用這些序列可能會(huì)降低系統(tǒng)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(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)它們進(jìn)行測(cè)試是非常復(fù)雜的，尤其是與傳統(tǒng)SISO系統(tǒng)相比。例如，在基本的WiFi SISO設(shè)置中，流量生成器通過接入點(diǎn)（AP）向站點(diǎn)（STA）或客戶端設(shè)備發(fā)送流量，其中，從AP發(fā)送的數(shù)據(jù)通過可編程的衰減器發(fā)送到STA以生成業(yè)務(wù)分析。而在MIMO系統(tǒng)中，需要多條射頻路徑，以及用于上行鏈路和下行鏈路測(cè)試的多徑模擬器和雙向設(shè)備，這樣，通過導(dǎo)電測(cè)試可以有效可靠地重建射頻環(huán)境。

首先，將脈沖測(cè)試信號(hào)發(fā)送到被測(cè)MIMO設(shè)備（DUT），并且測(cè)試信號(hào)的部分可以從DUT的每個(gè)天線發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)測(cè)試天線，根據(jù)測(cè)試設(shè)置，DUT天線可配置為發(fā)送上行鏈路信號(hào)和接收組合下行鏈路信號(hào)，而測(cè)試天線接收組合上行鏈路信號(hào)和發(fā)送下行鏈路信號(hào)，反之亦然。為了模擬真實(shí)環(huán)境，測(cè)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(cè)試天線之間的不同距離。

對(duì)于4x4 MIMO DUT，衰減矩陣必須至少有四個(gè)輸入，當(dāng)然，這會(huì)隨著8T8R、16T16R、64T16R等的增加而增加?？删幊趟p器連接到一個(gè)或多個(gè)雙向巴特勒矩陣，以組合MIMO信號(hào)，并逐步改變以測(cè)量路徑損耗上的吞吐量。為了測(cè)試多徑效應(yīng)，信道模擬器可以與衰減器矩陣一起使用，以更準(zhǔn)確地重復(fù)真實(shí)的傳播環(huán)境。

每個(gè)MIMO測(cè)試系統(tǒng)都有細(xì)微的不同，例如，可以選擇無源巴特勒矩陣，因?yàn)樗軌蜻B接具有不同天線數(shù)的設(shè)備。開關(guān)矩陣本身可以進(jìn)行扇出、扇入或完全扇出操作，扇出矩陣將每個(gè)輸入端口連接到有限數(shù)量的輸出，在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，輸入信號(hào)可以通過功率分配器進(jìn)行分割，并通過開關(guān)饋送到輸出端。開關(guān)本身限制到輸出的路徑數(shù)。然而，在一個(gè)完整的扇出矩陣中，所有的輸入都與輸出同時(shí)連接。輸入饋電信號(hào)通過其單獨(dú)的數(shù)字衰減器進(jìn)行分離和衰減，并在輸出端進(jìn)行組合，多條路徑可以同時(shí)運(yùn)行這些輸入信號(hào)，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(jìn)行更精確的流量分析。一些WiFi MIMO測(cè)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(tǒng)的天線數(shù)量和頻率的增長(zhǎng)，這些系統(tǒng)變得越來越難以進(jìn)行精確測(cè)試。下一代無線網(wǎng)絡(luò)中的許多射頻環(huán)境的導(dǎo)電測(cè)試本質(zhì)上是不同的，并且根據(jù)使用情況具有高度的特異性，可重編程射頻設(shè)備使工程師能夠在定制測(cè)試程序中具有一定程度的靈活性。

解決方案及優(yōu)勢(shì)

可編程衰減器可以通過模擬電壓調(diào)節(jié)進(jìn)行控制，或通過帶有串行接口的數(shù)字輸入或GPIB進(jìn)行控制，更現(xiàn)代化的設(shè)備則使用LAN端口或USB提供控制，使用以太網(wǎng)或USB減少了自動(dòng)化測(cè)試的障礙，可以使用幾乎任何PC或筆記本電腦進(jìn)行控制。傳統(tǒng)的衰落模擬通常依賴于高度復(fù)雜和昂貴的單設(shè)備測(cè)試解決方案，這些解決方案最終受到端口號(hào)、內(nèi)部硬件和專有軟件的限制?？删幊躺漕l儀器可利用外部連接計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)生成自定義測(cè)試序列，或使用軟件對(duì)其測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行編程。

虹科USB控制的數(shù)字衰減器可以在用戶的測(cè)試系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)掃描衰減斜坡和衰減剖面。因?yàn)楝F(xiàn)代無線測(cè)試行業(yè)不斷受到新版本、不斷發(fā)展的規(guī)范和不斷變化的技術(shù)的影響，這種可重構(gòu)性變得至關(guān)重要。（了解更多方案詳情，歡迎聯(lián)系文章結(jié)尾處虹科工程師微信）

對(duì)于MIMO測(cè)試系統(tǒng)來說，功能和模塊化至關(guān)重要，選擇適合測(cè)試頻率范圍的寬帶系統(tǒng)是非常重要的，這不僅針對(duì)短期測(cè)試設(shè)置，還需要能適應(yīng)不斷增加的頻譜的測(cè)試系統(tǒng)，具有更多輸入和輸出通道以及完全扇出配置的系統(tǒng)可以在當(dāng)前和未來的MIMO測(cè)試中提供必要的靈活性。為了準(zhǔn)確模擬真實(shí)世界中的信號(hào)衰減，衰減的準(zhǔn)確性非常重要，較小的0.1dB衰減步進(jìn)允許更高分辨率的衰落剖面，高功率處理可以讓測(cè)試系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中更好地模擬真實(shí)信號(hào)強(qiáng)度。所有這些參數(shù)都是射頻模擬器、切換矩陣、切換和MIMO測(cè)試系統(tǒng)的決定性因素。

除了這些參數(shù)，可配置性是關(guān)鍵。無論射頻設(shè)備是移相器、衰減器還是開關(guān)，對(duì)任何和所有這些組件進(jìn)行的相同調(diào)整都需要通過單一平臺(tái)輕松完成，這將測(cè)試系統(tǒng)中人為錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)降至最低，一個(gè)直觀的用戶界面，讓工程師可以隨時(shí)更改設(shè)備設(shè)置，減少了學(xué)習(xí)時(shí)間。

虹科HK-LDA-802-8：200-8000 MHz頻率數(shù)字衰減器

虹科HK-LDA-802-8數(shù)字衰減器是一種8通道高動(dòng)態(tài)范圍、雙向、50歐姆步進(jìn)衰減器，它提供120dB的衰減控制范圍，200-8000MHz，步長(zhǎng)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(jìn)行輕松編程，或者對(duì)于希望開發(fā)自己界面的用戶，虹科提供LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序、Windows API DLL文件、Linux驅(qū)動(dòng)程序、Python示例等。

特征

·  可靠且可重復(fù)的固態(tài)數(shù)字衰減

·  包括GUI、Windows Linux和MAC SDK、LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序

·  單次或重復(fù)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(shè)備

·  尺寸適合ATE應(yīng)用的單個(gè)單元

·  USB或可選以太網(wǎng)控制

應(yīng)用

·  WiFi、3G、4G、5G、LTE、DVB、微波無線電衰落模擬器

·  工程/生產(chǎn)測(cè)試

·  自動(dòng)測(cè)試

虹科HK-VMA-Q8X8SE衰減器矩陣

虹科便攜式射頻測(cè)試設(shè)備系列還包括機(jī)架式衰減器和衰減器矩陣解決方案，它們兼作無線切換測(cè)試系統(tǒng)，為測(cè)試技術(shù)人員和產(chǎn)品工程師提供解決獨(dú)特?zé)o線切換測(cè)試挑戰(zhàn)的能力。機(jī)架安裝解決方案包括從單機(jī)架12和16通道衰減器到64×8矩陣解決方案，以及多達(dá)512個(gè)單獨(dú)控制的衰減器。所有解決方案都利用了便攜式產(chǎn)品中使用的相同API結(jié)構(gòu)，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(tǒng)是一種安裝在機(jī)架上的8輸入8輸出非阻塞測(cè)試儀器，它提供90dB的衰減控制范圍，500-6000MHz，步長(zhǎng)為0.1dB?？奢p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(jī)箱后部的一個(gè)以太網(wǎng)端口進(jìn)行控制，在前面板上獲得輸出信號(hào)。

特征

·  可靠且可重復(fù)的固態(tài)數(shù)字衰減

·  包括Windows和Linux SDK

·  單次或重復(fù)可編程衰減

·  可編程衰落剖面

·  以太網(wǎng)控制

·  集成服務(wù)器

應(yīng)用

·  WiFi 6，WiFi、LTE、5G、6G

·  多點(diǎn)無線電衰落模擬

·  半導(dǎo)體測(cè)試和鑒定

·  自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）

總結(jié)

在基于USB的測(cè)試設(shè)備和可編程測(cè)試設(shè)備的現(xiàn)代測(cè)試環(huán)境中，工程師們發(fā)現(xiàn)測(cè)試配置和可編程性使得系統(tǒng)變得更加靈活。對(duì)于頻帶、信道模型、信道數(shù)量和測(cè)試參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化的現(xiàn)代切換和MIMO測(cè)試系統(tǒng)來說尤其如此。在這個(gè)動(dòng)態(tài)測(cè)試空間中，模塊化、可定制和可重構(gòu)的測(cè)試系統(tǒng)是關(guān)鍵。