Инновации в технологии генераторов сигналов для тестирования сетей 5g

Кроме того, производительность фазового шума значительно улучшилась. На частотах mmWave фазовый шум может ухудшить частоту ошибок высокопорядковых модуляций QAM, таких как 256-QAM и 1024-QAM. Современные генераторы сигналов используют синтез частоты низкого шума и цифровые методы отмены для достижения уровней фазового шума ниже -140 дБк / Гц при снижении на 10 кГц. Этот уровень чистоты необходим для точной оценки чувствительности приемника, селективности соседних каналов и отторжения блокаторов - все это критически важно для базовых станций 5G и устройств конечного пользователя.

ИИ-управляемая оптимизация и адаптация

Искусственный интеллект начинает трансформировать работу генераторов сигналов. Вместо того чтобы полагаться на ручную конфигурацию всех параметров, новые приборы могут учиться из окружающей среды и автоматически настраивать тестовый сигнал. Например, во время проведения эфирного (OTA) тестирования телефона 5G генератор сигналов может анализировать принятую мощность на антенне устройства и адаптировать угол формирования луча для поддержания стабильной связи. Эта динамическая оптимизация сокращает время тестирования за счет устранения итеративной ручной настройки, которая ранее потребляла часы.

Алгоритмы машинного обучения также помогают в создании сценариев помех в худшем случае. Изучая журналы полевых испытаний, генератор сигналов с улучшенным ИИ может воспроизводить конкретные условия затухания и коканальные интерференционные шаблоны, которые были проблематичными в живых развертываниях. Затем инженеры используют эти реалистичные тестовые случаи для проверки как аппаратных, так и программных улучшений. Результатом является процесс тестирования, который не только быстрее, но и более репрезентативный для реального сетевого поведения.

Программно-определяемые архитектуры сигналов

Переход к программно-определяемым генераторам сигналов был игровым изменением для тестирования 5G. Традиционные аппаратные генераторы были привязаны к конкретным воздушным интерфейсам; модернизация для поддержки нового выпуска 5G NR часто требовала нового инструмента. Сегодня программно-определяемые архитектуры отделяют создание сигнала от физического оборудования. Программируемый массив ворот (FPGA) или процессор общего назначения запускает гибкий программный стек, который может быть обновлен по мере развития спецификаций 3GPP. Этот подход позволяет одному инструменту поддерживать не только 5G NR, но и LTE, NB-IoT и даже устаревшие стандарты 2G/3G - все без изменения оборудования.

Программно-определяемые генераторы также облегчают реализацию пользовательских форм волн для исследований и разработок. Инженеры могут писать свои собственные конфигурации слотов 5G NR, пилотные шаблоны и размещения каналов управления, что бесценно для тестирования новых алгоритмов управления лучом или адаптации к ссылкам. Такая же гибкость позволяет быстро прототипировать расширенные функции 5G-Advanced, такие как расширенная агрегация несущих с 32 компонентными носителями или полная дуплексная работа. Как показывают генераторы сигналов Keysight, обновления программного обеспечения теперь предоставляют новые возможности долго после развертывания оборудования, продлевая срок полезного использования инструмента.

Продвинутая генерация волн и пре-дисторсия

Создание истинной формы волны 5G NR требует больше, чем просто установка уровня мощности и частоты. Генератор сигналов должен точно генерировать символы OFDM с правильным распределением поднесущей, циклическим префиксом и окном. Новые инструменты включают в себя выделенные двигатели генерации формы волны, которые могут создавать полное представление базовой полосы передачи 5G NR в реальном времени. Они также могут имитировать полные структуры нисходящей линии связи и восходящей линии связи, включая блоки сигналов синхронизации (SSB), физический канал вещания (PBCH) и опорные сигналы демодуляции (DM-RS).

Цифровое пре-искажение (DPD) также было интегрировано в генераторы сигналов. DPD компенсирует нелинейности в собственном усилителе мощности генератора, гарантируя, что выходной сигнал остается чистым даже при высокой выходной мощности. Это особенно важно при тестировании усилителей мощности для базовых станций, где тестовый сигнал должен быть чистым представлением предполагаемой модулированной формы волны. Без DPD собственное искажение усилителя маскировало бы производительность тестируемого устройства.

Улучшения фазового шума и джиттера

В сетях 5G точность времени имеет первостепенное значение. Внутренние часы генератора сигнала и системы отбора проб должны производить чрезвычайно низкий джиттер для поддержки жесткого бюджета времени 5G NR. Джиттер в тестовом сигнале напрямую приводит к увеличению EVM, что может привести к тому, что устройство выйдет из строя, ограничения спецификации, даже если само устройство работает правильно. Современные генераторы используют интегрированные множители часов с фазовыми циклами (PLL), которые достигают субпикосекундного джиттера. Некоторые инструменты также предлагают внешние исходные входы, которые могут быть заблокированы к стандарту цезия или рубидия сетевого уровня, что позволяет лабораторным измерениям, которые повторяют точность синхронизации живой сети.

Повышение гибкости тестирования и рабочего процесса пользователей

Помимо необработанной производительности, современные генераторы сигналов предназначены для оптимизации рабочего процесса тестирования. Инженерам больше не нужно трудоемко программировать каждый параметр через интерфейс фронтальной панели. Последние инструменты оснащены интуитивно понятными сенсорными дисплеями, редакторами сигналов перетаскивания и пультом дистанционного управления на основе API, который легко интегрируется в автоматизированные последовательности испытаний. Многие генераторы поддерживают команды SCPI, скриптинг Python и стандартные для отрасли системы автоматизации тестирования, такие как LabVIEW и MATLAB.

Модульность — еще одна определяющая тенденция. Вместо того, чтобы покупать единый ящик, который охватывает все частоты, инженеры теперь могут использовать мэйнфрейм со сменными модулями для разных диапазонов и приложений. Этот подход особенно полезен для лабораторий R&D, которые должны тестировать устройства в нескольких диапазонах 5G одновременно. Модуль, который обрабатывает 28 ГГц, может быть заменен на модуль 39 ГГц в течение нескольких минут, что снижает капитальные затраты, которые в противном случае потребовались бы для покупки нескольких выделенных инструментов.

Дистанционное сотрудничество также стало приоритетом. С распределенными инженерными командами и ростом «лаборатории как услуги» генераторы сигналов теперь включают встроенные веб-серверы и безопасные возможности удаленного доступа. Команда в Сан-Диего может управлять генератором сигналов в лаборатории в Мюнхене, обмениваясь той же тестовой средой и данными в режиме реального времени. Эта возможность была жизненно важной во время пандемии и продолжает ускорять глобальные циклы разработки продуктов.

Автоматизация дополнительно усиливается за счет облачной оркестровки тестов. Некоторые платформы генераторов сигналов теперь позволяют инженерам-испытателям определять последовательности на облачной панели приборов, которая затем отправляет конфигурацию в парк генераторов, расположенных в различных испытательных камерах. Этот подход «выключения света» снижает ручное вмешательство и увеличивает пропускную способность регрессионного тестирования. Как показывают генераторы сигналов Rohde & Schwarz , конвергенция аппаратного и программного обеспечения позволяет достичь нового уровня операционной эффективности в валидации 5G.

Влияние на ключевые сценарии тестирования 5G

Испытания на воздушном (OTA)

Одним из наиболее требовательных применений для генераторов сигналов в 5G является воздушное тестирование. Поскольку 5G широко использует формирование луча, этого уже недостаточно для тестирования устройств через проводящее кабельное соединение. Испытание OTA требует, чтобы генератор сигналов производил известный волновой фронт, который воздействует на антенную решетку устройства под определенным углом. Инновации в многоканальных генераторах сигналов позволяют создавать несколько независимых фазово-когерентных сигналов, каждый из которых подает различную антенну в испытательной камере. Точно контролируя фазу и амплитуду этих сигналов, инженеры могут эмулировать базовую станцию, передающую с любого направления, проверяя управление лучом устройства, управление лучом и возможности пространственного мультиплексирования.

Широкополосные и высокоточные генераторы необходимы для OTA, поскольку любая амплитуда или фазовая ошибка напрямую влияет на угол измерения прибытия. Самые жесткие спецификации требуют согласованности фаз в пределах ±1° по всей полосе пропускания теста. Новые генераторы, которые включают фазово-синхронизированные выходы по нескольким модулям, позволяют масштабировать тестовые системы OTA от нескольких антенных элементов до десятков, используемых в массивных MIMO. Эта масштабируемость является прямым результатом модульных и программно-определяемых архитектур, обсуждавшихся ранее.

Массивная MIMO и лучеобразная валидация

Массивные базовые станции MIMO (многовходные многовыходные) могут иметь 64, 128 или даже 256 антенных элементов. Для тестирования такой системы требуется генератор сигналов, который может одновременно стимулировать все цепи приема с известными тестовыми сигналами. Современные генераторы предлагают параллельные радиочастотные выходы, которые являются фазово-когерентными и частотно-заблокированными, что позволяет создавать различные весы формирования луча для каждого пути вывода позволяет инженерам вводить известный пространственный профиль, а затем использовать сетевой анализатор для измерения полученного шаблона луча. Без этой многоканальной возможности тестирование массива MIMO потребует сотен отдельных генераторов, что непрактично как по стоимости, так и по сложности.

Сетевой нарез и тестирование протоколов

Функция среза сети 5G позволяет операторам разделять одну и ту же физическую инфраструктуру для поддержки различных услуг (например, сверхнадежная связь с низкой задержкой, улучшенная мобильная широкополосная связь, массивный IoT). Генераторы сигналов теперь включают эмуляцию протокола более высокого уровня, которая может имитировать несколько срезов одновременно. Для тестирования диспетчера срезов основной сети генератор может производить потоки трафика с различными профилями QoS, а затем проверять, что базовая станция и ядро правильно маршрутизируют каждый срез. Это перемещает генераторы сигналов за пределы простых инструментов тестирования физического уровня в область сквозной проверки.

Агрегация перевозчика и двойная связь

5G NR работает как в FR1, так и в FR2, и ожидается, что устройства будут агрегировать несущие в этих диапазонах. Для тестирования агрегации несущих требуется генератор сигналов, который может генерировать несколько независимых сигналов, каждый со своей собственной конфигурацией смещением частоты, мощности и канала. Расширенные генераторы могут генерировать до 16 или 32 компонентных несущих в одном инструменте, с независимыми профилями затухания для каждого. Это позволяет реалистичное тестирование пропускной способности и передачи, которое отражает фактическое развертывание сети.

Аналогичным образом, сценарии двойного подключения LTE-NR (EN-DC) требуют, чтобы генератор производил как якорную несущую LTE, так и несущую 5G NR, синхронизированную по времени и частоте. Современные генераторы удовлетворяют эту потребность, используя общие опорные часы и цифровые двигатели базовой полосы, которые выравнивают время двух сигналов в пределах допусков, установленных 3GPP. В результате производители устройств могут проверять производительность EN-DC без необходимости физического подключения двух отдельных испытательных станций.

Будущие направления: подготовка к 5G-Advanced и 6G

Инновации в генерации сигналов не являются законченной историей. 3GPP Release 18 и далее, в совокупности называемая 5G-Advanced, представит еще более сложные функции: интегрированное зондирование и связь, искусственный интеллект в воздушном интерфейсе и расширенная поддержка расширенной реальности (XR). Генераторы сигналов должны быть готовы протестировать эти возможности. Тенденция к программно-определяемым инструментам гарантирует, что многие из этих функций могут быть добавлены через обновления прошивки, но также имеет решающее значение. Генераторы следующего поколения разрабатываются с дополнительной пропускной способностью (до 2 ГГц внутренней полосы пропускания), более высоким динамическим диапазоном и более быстрыми скоростями переключения для удовлетворения потребностей агрегации несущих с до 64 компонентными носителями.

Заглядывая дальше в 6G, который, как ожидается, будет работать выше 100 ГГц, генераторы сигналов должны будут производить сигналы с полосой пропускания, превышающей 10 ГГц. Уже существуют исследовательские прототипы, которые используют фотонное поколение для создания сигналов mmWave и sub-THz. Эти системы используют оптические частотные гребни и фотодиоды для генерации частот, недоступных для обычной электроники. Пока они все еще находятся в лаборатории, принципы, продемонстрированные этими генераторами фотонных сигналов, в конечном итоге будут коммерциализированы, гарантируя, что испытательное оборудование остается согласованным с траекторией радиотехнологии.

Кроме того, интеграция технологии цифровых двойников может позволить программировать генераторы сигналов на основе виртуальной модели сетевой среды. Вместо ручной настройки угасающих профилей инженер мог бы кормить генератор цифровым двойником города, а генератор производил бы сигналы, соответствующие точным условиям распространения для любого заданного местоположения. Это естественное расширение оптимизации на основе ИИ и резко сократило бы время, необходимое для моделирования поля.

Вывод: критический фактор успеха 5G

Быстрое развертывание сетей 5G по всему миру было бы невозможно без параллельных достижений в испытательном оборудовании. Генераторы сигналов превратились из простых источников синусоидальной волны в сложные программно-определяемые платформы, которые могут имитировать полное богатство воздушного интерфейса 5G. Инновации в широкополосном поколении, оптимизация на основе ИИ, программно-определяемая архитектура и модульный дизайн сделали эти инструменты быстрее, точнее и универсальнее, чем когда-либо прежде. Они позволяют инженерам тщательно тестировать каждый аспект системы 5G - от отдельных чипов до интегрированных базовых станций и полных сетевых срезов - до того, как она достигнет области.

Поскольку 3GPP продолжает определять 5G-Advanced и начинает работу над 6G, технология генератора сигналов должна идти в ногу. Основы, заложенные сегодняшними инновациями, гарантируют, что индустрия тестирования и измерений будет решать эту задачу. Для сетевых операторов и производителей оборудования инвестиции в современное генерирование сигналов — это не просто стоимость; это стратегическая необходимость обеспечить, чтобы сети 5G обеспечивали производительность, надежность и гибкость, которые требуют пользователи и приложения. Путь от лаборатории до развертывания в реальном времени вымощен точными, повторяемыми сигналами — и современные генераторы сигналов являются инструментами, которые прокладывают этот путь.