10月28日開幕的國際電信聯(lián)盟2019年世界無線電通信大會(huì)(WRC-19)，把24.25-86 GHz頻段的部分毫米波頻譜標(biāo)識(shí)用于國際移動(dòng)通信，以滿足5G等在2020年及未來的發(fā)展需求。

預(yù)計(jì)之后，將有越來越多的國家把部分毫米波頻段指配給5G系統(tǒng)。此外，我國毫米波5G頻譜規(guī)劃有望在年底出臺(tái)——工信部無線電管理局《2019年全國無線電管理工作要點(diǎn)》中明確提出“適時(shí)發(fā)布5G系統(tǒng)部分毫米波頻段頻率使用規(guī)劃，引導(dǎo)5G系統(tǒng)毫米波產(chǎn)業(yè)發(fā)展”。可以預(yù)見，全球毫米波5G產(chǎn)業(yè)將由此迎來新一波大發(fā)展。

毫米波之于5G及未來移動(dòng)通信的發(fā)展具有重要意義，其突出地反映在所能創(chuàng)造的巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面。對此，業(yè)界正在進(jìn)行初步探索。

比如，10月份，Verizon在康寧的工廠內(nèi)部署毫米波5G以助力生產(chǎn)效率提升;目前，AT&T的毫米波5G主要是面向諸多商企客戶開發(fā)創(chuàng)新型用例。GSMA協(xié)會(huì)發(fā)布報(bào)告《在毫米波頻段提供5G服務(wù)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益研究》預(yù)測，從2020年到2034年，毫米波5G對全球GDP的貢獻(xiàn)將呈指數(shù)級增長態(tài)勢，2034年將貢獻(xiàn)5650億美元的全球GDP、稅收達(dá)1520億美元，如下圖。

按照ITU-R《5G愿景需求報(bào)告》的定義，5G系統(tǒng)至少要支持10-20 Gbps峰值速率。從目前韓國、英國等已經(jīng)商用的5G網(wǎng)絡(luò)來看，Sub-6 GHz頻段5G系統(tǒng)尚無法達(dá)到ITU-R所設(shè)定的上述目標(biāo)。

所幸的是，毫米波已經(jīng)在幾年前就開始成為5G發(fā)展的重要研究方向——3GPP在2018年12月發(fā)布的Rel-15(5G第一階段標(biāo)準(zhǔn))中已經(jīng)對n257(26.5-29.5 GHz頻段)、n258(24.25-27.5 GHz頻段)、n260(37-40 GHz頻段)、n261(27.5-28.35 GHz頻段)的5G NR系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化;此外，3GPP Rel-16正在進(jìn)行52.6 GHz以上頻段毫米波5G的標(biāo)準(zhǔn)化研究，將可提供高達(dá)2 GHz的帶寬，并確定其潛在用例和部署場景。

毫米波5G有著豐富的潛在應(yīng)用場景。歐盟在2019年10月份發(fā)布的《關(guān)于使用毫米波頻段在歐盟部署5G生態(tài)系統(tǒng)的研究》指出，毫米波5G可用于大容量的eMBB服務(wù)(固定無線接入、高清視頻通信、虛擬/增強(qiáng)/混合現(xiàn)實(shí))，5G前傳/回傳，包括汽車在內(nèi)的垂直行業(yè)服務(wù)，其他交通運(yùn)輸(火車和公共汽車)，制造/工業(yè)自動(dòng)化，電網(wǎng)通信，智慧城市，醫(yī)療應(yīng)用，公共安全。

GSMA協(xié)會(huì)的上述報(bào)告認(rèn)為毫米波5G在2034年貢獻(xiàn)的5650億美元GDP中，23%源于工業(yè)自動(dòng)化、18%源于遠(yuǎn)程對象操控、16%源于VR及會(huì)議、15%源于家中及辦公室的高速連接、14%源于下一代交通連接、3%源于網(wǎng)絡(luò)迅速部署/臨時(shí)連接(如應(yīng)急通信場景)、11%源于其他場景。

實(shí)現(xiàn)這些潛在應(yīng)用的大前提，就是讓毫米波5G通信系統(tǒng)部署成為現(xiàn)實(shí)。據(jù)5G微信公眾平臺(tái)(ID：angmobile)一直以來的觀察，過去幾年，Verizon、AT&T、美國國家儀器公司(NI)、高通、諾基亞、愛立信、三星等行業(yè)巨頭持續(xù)扎實(shí)進(jìn)行毫米波5G芯片、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、終端的研發(fā)、驗(yàn)證及組網(wǎng)試驗(yàn)，截至目前，美國主流移動(dòng)通信運(yùn)營商已經(jīng)在數(shù)十個(gè)城市部署了28 GHz、39 GHz頻段毫米波5G網(wǎng)絡(luò)，韓國三大運(yùn)營商也已于2018年6月獲得28 GHz頻段的5G毫米波頻譜，日本NTT DOCOMO、KDDI等運(yùn)營商也一直在進(jìn)行毫米波5G網(wǎng)絡(luò)外場試驗(yàn)。

另據(jù)GSA協(xié)會(huì)在2019年10月底發(fā)布的數(shù)據(jù)，目前有112家運(yùn)營商正在對24.25-29.5 GHz頻段5G技術(shù)進(jìn)行投資(含試驗(yàn)、預(yù)商用、商用)，已有60款5G終端支持毫米波頻段。

不過，上述還只是初級探索。全球范圍來看，截至目前，毫米波5G產(chǎn)業(yè)鏈仍然處于早期階段，無線網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備主要支持受到北美、日韓運(yùn)營商青睞的毫米波頻段，而且僅支持一些基本功能，移動(dòng)性管理、波束管理等重要功能尚未成熟，高頻器件性能、鏈路特性、波束賦型與波束管理算法、EMC(電磁兼容)等亟待完善。

國內(nèi)看來，年底發(fā)布毫米波5G頻譜規(guī)劃后，產(chǎn)業(yè)發(fā)展就可以“有的放矢”了，勢必要求毫米波5G標(biāo)準(zhǔn)、射頻器件、設(shè)備研發(fā)進(jìn)度加快，但是行業(yè)資深專家指出，在這些環(huán)節(jié)中很重要的“測試”方面，國內(nèi)毫米波5G測試方案的可行性、可靠性、準(zhǔn)確性、成本、效率等面臨很多問題和挑戰(zhàn)。

從5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)到5G終端，在產(chǎn)品開發(fā)到最終生產(chǎn)測試過程中的所有階段，都需要部署可靠、穩(wěn)定的測試方案——比如測試調(diào)制質(zhì)量、射頻放大器線性度、接收機(jī)信噪比、發(fā)射機(jī)效率等參數(shù)是否符合3GPP及運(yùn)營商的規(guī)范，這是決定成敗的關(guān)鍵。在基帶部分，毫米波5G與中頻段5G的成熟度相當(dāng)，但是在射頻部分，毫米波5G設(shè)備的功能、性能、測試方法等在目前是令業(yè)界很棘手的事。

一直以來，人們都認(rèn)為射頻工程是一項(xiàng)專業(yè)性非常強(qiáng)的技能，因?yàn)樯漕l技術(shù)并不總是如預(yù)期那樣工作，而射頻工程就是為了征服這一技術(shù)難題;而且隨著5G的出現(xiàn)以及5G所依賴的新通信架構(gòu)方法的出現(xiàn)，射頻工程的重要性也不斷凸顯出來。

由于使用毫米波來發(fā)射和接收信號(hào)，測試工程面臨著諸多新挑戰(zhàn)，比如可能會(huì)遇到當(dāng)前Sub-6GHz移動(dòng)通信技術(shù)未曾遇到的一些傳播和信號(hào)路徑問題，而且在設(shè)計(jì)新組件和半導(dǎo)體器件方面也會(huì)碰到許多全新的難題。技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)積累有助于高效解決這些新問題，5G微信公眾平臺(tái)觀察到，幾年前就積極參與全球主流運(yùn)營商、芯片商、設(shè)備商毫米波5G技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)/驗(yàn)證/試驗(yàn)/預(yù)商用及商用等系列活動(dòng)、打造了5G PXI平臺(tái)等經(jīng)典測試解決方案的NI公司，近期發(fā)布了毫米波5G設(shè)備測試工程指南，可謂業(yè)界的“及時(shí)雨”。

如下圖所示，在從基帶、數(shù)模/模數(shù)變換、中頻到射頻的上/下頻變換、波束賦型、射頻前端(FEM)、大規(guī)模天線陣列到空口的毫米波5G新架構(gòu)中，NI給出了在規(guī)劃5G設(shè)備測試方案時(shí)的一些可能測試點(diǎn)。

· IQ與IF測試

基帶收發(fā)儀使用正交調(diào)制IQ波形，NI毫米波5G設(shè)備測試工程指南指出，對于此類波形，線性度、IQ信號(hào)校準(zhǔn)和中頻信號(hào)調(diào)理都是關(guān)鍵測試點(diǎn)。工程師需要能夠使用高線性度測試設(shè)備，生成5G波形，并獲得能夠處理高帶寬IQ波形的測試集。同樣，通過上/下變頻將IF轉(zhuǎn)換為毫米波的射頻收發(fā)儀需要嚴(yán)格的測試。信號(hào)完整性、放大器效率、輸出功率以及去除無用諧波和相位噪聲假象都是可能需要考慮的測試指標(biāo)。

· 波束賦型與FEM測試

測量方面的挑戰(zhàn)在于如何通過這些基于IC的新波束賦形組件(包括混頻器、濾波器、功率放大器和低噪聲放大器)和FEM來進(jìn)行特性分析并獲得出色性能。NI毫米波5G設(shè)備測試工程指南指出，要應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，關(guān)鍵在于在維持能效的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高帶寬線性度。數(shù)字預(yù)失真(DPD)通常用于提高傳輸信號(hào)的線性度，但這要求測試設(shè)備能夠生成和測量帶寬5倍于所需值的信號(hào)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于4G測試系統(tǒng)的帶寬要求。

此外，發(fā)送和接收路徑的互易性也需要進(jìn)行測試。例如，功率放大器進(jìn)行壓縮區(qū)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生幅移和相移。此外，可變衰減器、可變增益放大器和移相器等射頻組件的容差可能在通道之間產(chǎn)生不均等的相移，這可能會(huì)影響FEM的相位相干性。

用于5G的波束賦形測試系統(tǒng)需要掃描寬頻譜，并能夠測試每條路徑的最大線性輸出和壓縮行為?？焖匐p向多端口開關(guān)測試解決方案是任何5G開發(fā)和生產(chǎn)測試環(huán)境的先決條件。

NI半導(dǎo)體營銷總監(jiān)David Hall分析，“功率放大器效率”是射頻設(shè)計(jì)在當(dāng)下的一個(gè)關(guān)鍵度量標(biāo)準(zhǔn)，對于由電池供電的設(shè)備而言十分重要。包絡(luò)跟蹤和數(shù)字預(yù)失真等技術(shù)可提高發(fā)射機(jī)功率放大器級的功率效率和線性度。要正確測量包絡(luò)跟蹤對功率放大器效率的影響，就先要對這些概念有基本的了解。

功率放大器通常在峰值輸出功率下達(dá)到最高運(yùn)行效率，這時(shí)會(huì)發(fā)生增益壓縮。然而，許多移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)采用的是具有較高峰值平均功率比(PAPR)的OFDM等調(diào)制技術(shù)，效率將顯著降低。因此，包絡(luò)跟蹤技術(shù)就是為了控制放大器的工作，使其盡可能長時(shí)間地處于壓縮臨界區(qū)。通過控制放大器的供電電壓，找出瞬時(shí)輸出功率與最優(yōu)化供電電壓值的對應(yīng)關(guān)系，確保PA接近壓縮區(qū)。

這種方法提高了效率，但由于放大器的“非線性”行為，PA增益也可能隨供電電壓而呈函數(shù)變化。這種特定的非線性行為稱為調(diào)幅-調(diào)幅(AM-AM)失真，它會(huì)隨著供電電壓的變化而變化。為了補(bǔ)償AM-AM失真，可以使用數(shù)字預(yù)失真(DPD)算法，根據(jù)AM-AM失真曲線優(yōu)化功率附加效率(PAE)，使其盡可能達(dá)到理想值。在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中，DPD算法通常在高帶寬設(shè)備上運(yùn)行，例如現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。

下圖顯示了一個(gè)基于NI RFIC特性分析解決方案的RFIC測試配置(用于測試RF PA包絡(luò)跟蹤和數(shù)字預(yù)失真指標(biāo))。該配置基于模塊化PXI系統(tǒng)，將VSA、VST和其他模塊集成到一個(gè)18槽PXIe機(jī)箱中。通過快速軟件控制，該系統(tǒng)可以快速修改一系列參數(shù)，進(jìn)而快速運(yùn)行不同的測試。

截圖的左上角顯示了運(yùn)行數(shù)字預(yù)失真算法的發(fā)射機(jī)(藍(lán)線)和不運(yùn)行數(shù)字預(yù)失真算法的發(fā)射機(jī)(紅線)的功率輸出曲線，以及射頻調(diào)幅(綠線)對應(yīng)供電電壓(紫線)的包絡(luò)跟蹤曲線。底部面板顯示了在不同輸入功率條件下，采用(藍(lán)線)和不采用(紅線)DPD算法的幅度(AM-AM)和相位(AM-PM)差異曲線。最后一個(gè)面板顯示了所執(zhí)行測量的概要。

在測試解決方案中集成PXI嵌入式控制器模塊(如下圖)，便可使用多個(gè)不同輸入?yún)?shù)進(jìn)行測試?？刂破鳒p輕了矢量信號(hào)收發(fā)儀(VST)等主要測試模塊的測試任務(wù)控制負(fù)擔(dān)。與臺(tái)式計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測試相比，使用嵌入式控制器可以大幅縮短每次測試的周期時(shí)間。

· OTA測試

大規(guī)模天線陣列技術(shù)在毫米波5G通信中的應(yīng)用，使得被測設(shè)備的通道數(shù)極大幅度地增加，天線單元間的距離不斷縮小，傳統(tǒng)的傳導(dǎo)測試方式已無法滿足多天線設(shè)備的測試需求，OTA測試方式成為重要手段。

NI毫米波5G設(shè)備測試工程指南指出，空口(OTA)測試非常適合測量和分析毫米波5G波束形成器和FEM的實(shí)際性能特性。這些測試可用于確定待測設(shè)備(DUT)將其功率輸出聚焦于特定方向上的能力，并檢查波束賦型的質(zhì)量。這需要利用空間掃描功能從0到360度掃描其中一個(gè)正交坐標(biāo)，然后從0到180度掃描另一個(gè)正交坐標(biāo)。

NI毫米波OTA參考解決方案(如下圖)就是一種能很好滿足上述要求的OTA測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含用于波形生成和分析的NI高帶寬毫米波矢量信號(hào)收發(fā)儀(VST)、高增益天線以及具有高精度實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制定位器的射頻電波暗室。

借助測試序列生成器，工程師可以對該解決方案配置，以便分析5G毫米波DUT波束成形功能的特性并對其進(jìn)行驗(yàn)證。該解決方案還包含一套完整的軟件，為測得的數(shù)據(jù)提供了一系列可視化選項(xiàng)，如下圖中的范例所示。

【寫在最后】筆者預(yù)計(jì)，隨著WRC-19大會(huì)成功把毫米波頻段標(biāo)識(shí)給5G等國際移動(dòng)通信使用，中國、歐洲、美國等主要移動(dòng)通信市場將進(jìn)一步加速出臺(tái)毫米波5G頻譜規(guī)劃、加速標(biāo)準(zhǔn)化、加速高頻器件研發(fā)和整機(jī)測試進(jìn)度，亟需先進(jìn)的測試解決方案予以支撐，NI毫米波5G設(shè)備測試工程指南的發(fā)布正當(dāng)其時(shí)，極具應(yīng)用價(jià)值。