作者：Hongwei Kong 是德科技中國北京實驗室

5G無線通信系統將運用極密集網絡布建方式達成更高帶寬與傳輸速率，因而須以分層式網絡架構進行管理，以提高網絡效率與服務質量；而此一架構的轉變已引發全新量測挑戰，促使儀器開發商加緊研發新一代測試方案，迎合5G發展需求。

無線通信產業正與全世界研究5G關鍵促成技術的學者緊密合作。本文將探討5G技術的驅動因素及相較于前一代無線通信標準，是那些特點讓5G成為革命性行動通訊科技，并探討即將帶動重大變革的5G關鍵促成技術。

此外，文中將檢視系統的重大變革，針對這些新技術，深入探討量測挑戰，同時提出一些范例與構想，說明如何有效克服5G關鍵技術的量測挑戰。

5G牽動網絡技術革命

5G預期將成為帶動無線產業革命的行動通訊網絡，并即將于2020年轉變成商業化的通訊技術。驅動5G技術發展的原動力，是為了滿足急遽變化的行動通訊需求，這些需求涵蓋了數據流量、聯機裝置數量、節能和頻譜效率、低延遲，以及有保障的用戶體驗。

前述種種需求，將促成無線網絡、裝置和零件設計的破壞性創新，以便達到最終目標。事實上，5G是一項革命，而非演進(圖1)，為了讓5G技術能滿足通訊產業的期望，5G網絡和終端裝置需進行基本的改變，主要變革如下：
全新網絡架構

圖1　5G網絡并不是替換用的標準，而是革命性的提升。

5G網絡的目標是要支持超過一千倍的數據流量，要支持超過一千倍的流量，網絡致密化就是一種方式。

另一方面，為了有效支持行動性還有覆蓋范圍，大型基地臺須搭配高密度小型基地臺(Small Cell)一起運作，于是網絡就會具有分層結構。5G的目標是要在任何地方都能提供有保障的用戶體驗，這代表不能出現像現在基地臺邊緣效能降低的情形(其原因是基地臺邊緣干擾)，因此網絡架構會由傳統的蜂巢式架構轉向分層式、非蜂巢式架構。

新的無線接口

對5G來說，網絡不只是用來連接人用裝置和終端設備，還要連接具有通訊功能的機器，在線的機器數量可能會比人用裝置更多，不過這時候機器對機器(M2M)通訊可能會很零星，且數據流量低，現有的蜂巢式網絡透過用戶和基地臺之間專用的信令互動，確保用戶的上行鏈路訊號傳輸達到同步，因此可以支持多用戶存取。

另外，還有專用的資源分配程序，可以為每個用戶分配網絡資源，對于零散低數據流量的M2M通訊來說，同步信令以及資源分配程序的負擔太大，也無法擴充到足以滿足所支持的機器數量，總之，在5G網絡中，質量需求大不相同的各種不同應用將會并存，因此需要新的無線界面才能有效率地支持所有應用。

新的終端設計

在5G網絡中，終端裝置會面對多種無線存取技術(RAT)，例如3G/4G/5G、802.11n或11ac等，這些裝置將會更聰明，可決定要使用哪種無線存取技術來滿足效能要求并降低功耗，終端裝置的定位準確度會提高，因此對于其所在位置將會更靈敏有智慧，像是要選用哪種無線存取技術技術這種工作，就會運用位置信息來幫助裝置作出明智的決定。

在5G網絡中，裝置將可以進行裝置對裝置(D2D)通訊，而不需要利用基地臺進行數據傳輸，支持更多無線存取技術技術、增強定位功能和D2D，這代表終端裝置會變得越來越復雜，因此需要更多整合式系統單芯片(SoC)設計，并提升功耗管理技術。

新的網絡優化及用戶體驗衡量標準

5G已提出許多新的網絡優化衡量標準，這對5G網絡設計有深遠的影響，新的衡量標準包括，在每個地方都能提供有保障的數據速率，其直接影響就是重新思考蜂巢式架構；特定區域支持的裝置數量；能源效率；毫秒級端對端延遲等，對于使用5G網絡的用戶來說，他們將會體驗到前所未有的全新服務質量，例如極低的服務延遲、每個地方都有公平且有保障的服務質量、以及大幅提升的電池使用時間等。

新的商業模式和新的應用

有了5G技術和網絡之后，可能就會有新的商業模式。舉例來說，有了低延遲、有保障的高速無線服務之后，電信業者可以把租賃無線存取鏈結當作一項業務。D2D還可以促成新的商業模式，電信業者和用戶可以合作提供更好的本地數據交換服務。對5G網絡來說，會有許多新的應用可以期待，例如無線遠程機器控制、透過5G網絡來強化虛擬現實、D2D及M2M應用等(圖2)。

圖2　可支持5G無線存取網絡關鍵變革的關鍵技術

5G 將形成分層式網絡架構
近期的研究顯示分層網絡架構很有前景，分層網絡包含兩層，其一為大型基地臺層，可用來支持行動性和覆蓋范圍；其二為大型基地臺之下的高密度小型基地臺，能為用戶提供高速的數據存取。分層網絡架構必須要應付干擾問題，有幾種技術被提出來解決此問題，包括大規模多重輸入多重輸出(Massive MIMO)處理搭配預先編碼、用于高密度小型基地臺的毫米波(mmWave)技術，以及干擾協調和干擾消除等。

為了支持分層網絡架構并有效率使用前面提到的技術來應付干擾問題，就須要有集中式基頻處理設施，目前對于CRAN(集中式無線存取網絡或云端無線存取網絡)的概念已有廣泛討論。

大規模MIMO

無論是在分層網絡架構還是在大型基地臺，大規模MIMO技術是5G的關鍵技術之一。大型基地臺和大規模MIMO處理使用數量龐大的天線，在良好的信道狀態下，多位用戶可使用相同的時間頻率資源而不會相互干擾，藉由在分層架構中采用大規模MIMO處理和預先編碼技術，基地臺之間的干擾也會大幅降低，于是，大規模MIMO就可以大幅提升頻譜效率以及能源效率。

毫米波寬帶

毫米波頻段具有寬廣的頻譜可進行寬帶應用，近期研究已證實，運用毫米技術再搭配波束成形天線就能克服毫米頻段的高傳播損失，許多研究正探討毫米波頻段的傳播特性，以便用在5G系統設計上。

全雙工

現有的2G/3G/4G全都采用半雙工傳輸，因為發射器對本身接收器的干擾很大，到了5G網絡，研究人員正嘗試透過自動干擾消除技術來進行全雙工傳輸，全雙工可以提升頻譜效率，因此會更容易進行頻譜重整(Refarming)，而在分層架構中因為要應付高密度小型基地臺回程網絡的挑戰，所以此技術特別有吸引力，自動干擾消除還能大幅簡化多頻段收發器的設計。

異步多重存取

如同前面所提到的，5G必須支持數量龐大的機器以進行M2M通訊，若要有效率地支持M2M通訊，異步多重存取技術是其中的關鍵技術，因為它不須要有準確的同步，因此不需要進行信令互動來達到良好的同步運作。目前有許多異步多重存取技術的研究都正在進行中(圖3)，像是濾波器組多載波(FBMC)、非正交多重存取(NOMA)等，那些異步多重存取技術具有另一項優點，即原本就能支持多頻段訊號傳輸。

圖3　多重存取技術(例如OFDM)vs.多載波波形頻譜(使用不同的濾波重迭因子)、多載波波形零散頻譜、原型濾波器設計

高速、高密度光纖無線存取

對于5G網絡架構來說，其中有數量龐大的無線頭端設備會透過光纖連接到基頻處理池，大規模MIMO與高密度部署小型基地臺都需要龐大的數據流量，以便在基頻處理池和無線頭端設備之間傳輸同相/正交(I/Q)數據，例如一百二十八個具有500MHz帶寬的大規模MIMO天線數組會需要256GB/s的數據傳輸速率，如此便須要使用高速光纖無線存取。

5G RAT引發量測重大挑戰

5G無線存取網絡的這些關鍵技術已造成量測的重大挑戰。接下來將探討一些主要的挑戰。

分層式網絡測試復雜度遽增

全新的分層網絡架構造成量測的重大挑戰。首先，分層網絡如何有效率支持用戶，從行動性、覆蓋范圍、效能、延遲等各種面向都須要進行量測；其次，分層網絡之下的多用戶效能也須要量測，針對多用戶的數量如何定義和執行壓力測試；第三，對于全新的網絡架構來說，如何處理干擾問題是一個重要的部分，而針對其運作的情形進行測試是另一種挑戰，對于分層網絡來說，它需要量測解決方案幫忙辨別效能問題并鎖定問題。由于5G網絡將會與其他無線存取網絡并存相當長的時間，測試不同的無線存取技術技術如何一起運作，并服務5G裝置是另一種挑戰。

大規模MIMO須采用多通道OTA測試

大規模MIMO是一種復雜的系統，包含大規模MIMO基頻處理、多通道射頻前端、大規模MIMO天線數組等，所有這些組件會決定大規模MIMO系統的效能，大規模MIMO的第一種量測挑戰，就是這些組件都須要有對應的測試解決方案，且不同的組件會有不同的測試接口。第二，為了評估系統效能(包括所有的組件在內)，因此還須要進行空中傳輸(OTA)測試，大規模MIMO系統的OTA測試須考慮到天線數組大小和OTA要求；第三，對于大規模MIMO測試來說，評估效能須要了解通道特性，并有效率仿真大規模MIMO通道特性。大規模MIMO系統本質上是一種多用戶系統，因此測試多用戶效能會帶來另一種量測突破，對于所有大規模MIMO量測解決方案來說，都會面臨通道數量擴充性和整個測試系統成本的挑戰。

毫米波信道探測墊高儀器成本門坎

使用毫米波寬帶會產生許多量測挑戰，首先，若要設計具有多重天線的5G毫米波通訊系統，便須要進行毫米波通道量測，如此需要使用通道探測(Channel Sounding)解決方案，須支持寬廣的帶寬、MIMO量測、涵蓋寬廣的毫米波頻率范圍、具備很大的量測范圍并支持長時間的連續量測。

第二，從測試儀器效能的觀點來看，毫米波寬帶通訊會對量測儀器造成巨大的挑戰，訊號產生器和訊號分析儀都需要有500MHz到幾GHz的帶寬，對毫米波寬帶功率放大器(PA)量測與線性測試來說，儀器須有3倍以上的訊號帶寬才能擷取交互調變。

第三，互補式金屬氧化物半導體(CMOS)制程的進展，使得在芯片上實現毫米波系統更加可行。然而，CMOS制程變異和其他因素讓這種系統單芯片(SoC)的良率非常低，特殊的自調適電路設計能應付制程變異和系統的其他瑕疵，藉以提升良率，例如自我修復(Self-healing)，但目前并無這種自調適系統的量測解決方案。相較于量測儀器對效能的要求，毫米波組件和系統測試則是在尋找具有成本效益的解決方案，目前的毫米波測試解決方案并非很具成本效益。

全雙工系統注重干擾消除

全雙工對于自動干擾消除效能有嚴格的要求，依照發射器功率來看，須有110dB以上的消除能力。這通常會透過三階段的消除加以實現，包括天線、射頻消除和基頻。全雙工系統須要準確估計自動干擾以便做好消除工作，其中一種就是自動干擾可能來自于裝置和環境的交互作用，而這樣的交互作用會持續進行動態改變，在真實的應用情境下擷取和仿真裝置特性的動態，對全雙工測試來說是一大挑戰，提供準確的模型來仿真天線、射頻接收器和基頻的自動干擾是另一種量測挑戰。全雙工系統是一種自調適系統，如何定義壓力測試并提供壓力測試解決方案，以確保全雙工系統在所有的目標應用情境下能滿足效能要求，又是另一種挑戰。 異步多重存取加重訊號分析負擔。對于異步多重存取量測來說，須要具備訊號產生和訊號分析能力，然而，到目前為止，異步多重存取還沒有標準化，量測必須朝向有效率地支持客制化的異步多重存取波形設計和分析。

高速高密度光纖無線存取接口標準紛雜

高速高密度光纖將用來連接基頻處理池和無線頭端設備，這對5G量測來說是重要的測試點，遇到的挑戰如下。

第一，高速復數光學調變的量測解決方案，可用以確保高速光學鏈結和光纖處于良好狀態；第二，量測高密度光纖接口上的射頻訊號，以便確保射頻訊號在不同的光纖接口上都經過妥善校驗；第三，將訊號產生與分析儀器裝入光纖無線接口，以測試基頻處理和無線頭端設備的效能。

目前光纖無線接口具有多種標準，而不同的網絡設備制造商(NEM)在光纖無線接口上都有自己的附加組件，因此，要成為量測的標準接口非常困難。

接著，我們針對所面臨的5G關鍵無線存取技術的量測，探討其中的各種挑戰。(圖4)若要有效率應付5G的量測挑戰，下列方法將非常重要。

圖4　是德科技針對5G量測挑戰所建構的平臺

善用專業知識　解決5G量測問題

首先，在不同領域之中妥善利用量測的專業知識，以應付5G的量測挑戰，舉例來說，光學領域、雷達(RADAR)領域、無線通信領域、集成電路(IC)領域、射頻(RF)領域和毫米波領域的專業知識，對于應付5G量測所面臨的問題很重要。 第二，將現有解決方案延伸到新的應用情境，并著手解決新的應用情境所衍生的問題；第三，當現有解決方案無法運作且很難延伸到新的情境時，就開創不同的量測方法。

大規模MIMO系統效能測試

大規模MIMO系統測試(圖5)必須支持多個不同接口的測試點，并涵蓋相位天線數組、射頻、光纖無線接口、大規模MIMO、OTA等不同領域的專業，是第一種方法很好的范例。

圖5　大規模MIMO系統測試分析圖

毫米波通道探測

對于毫米波通道探測(圖6)來說，如果可以滿足毫米波寬帶要求，就能使用與MIMO通道探測相同的方法，因此，我們使用寬帶毫米波儀器搭配MIMO信道探測算法，以實現MIMO毫米波通道探測解決方案，寬帶毫米波通道探測的串流要求明顯較高，這可透過實時預處理加以克服。

圖6　毫米波通道探測圖

大規模MIMO射頻前端測試

很明顯地，對于大規模MIMO射頻前端測試來說，現有的測試解決方案從擴充性、測試速度和成本觀點看來，并不是一種可行的解決方案，于是，此種測試需要一些不同的測試方法。

根據以上內文，我們探討5G技術的驅動因素及相較于前一代的無線通信技術，并說明5G成為革命性技術的原因，進一步探討5G關鍵促成技術，以及促成技術會面臨的量測挑戰的關鍵因素，最后在文章后段，提供三個范例加以說明量測構想。