全球疫情爆發(fā)讓我們認(rèn)識(shí)最為深刻的一點(diǎn)是，無線通信比以往任何時(shí)候都更為重要。疫情之下，許多人都需要居家工作、居家學(xué)習(xí)和居家生活，通訊工具的使用和無線連接的接入讓我們能夠進(jìn)行創(chuàng)新，適應(yīng)日常生活中的新常態(tài)。雖然在過去的一年中我們遇到了許多挑戰(zhàn)，但筆者更想著重介紹我們所取得的進(jìn)展并展望后續(xù)的創(chuàng)新和未來的需求，以確保成功部署采用無線技術(shù)的更多設(shè)備和應(yīng)用。

　　5G時(shí)代已開啟，但仍處于起步階段

　　2020年，5G蜂窩技術(shù)逐漸得到應(yīng)用，全年智能手機(jī)出貨量約為2億支。這意味著在5G推出的第二年，5G手機(jī)銷量就實(shí)現(xiàn)同比成長10倍以上。202年，5G智能手機(jī)的出貨量可望達(dá)到4.5億支左右，在供應(yīng)鏈零組件短缺的情況下，仍能實(shí)現(xiàn)同比成長兩倍。對(duì)于5G技術(shù)進(jìn)展的判斷，手機(jī)出貨量是一個(gè)值得關(guān)注的指標(biāo)，但該指標(biāo)并不能全面反映實(shí)際情況。

　　數(shù)據(jù)消耗是推動(dòng)5G技術(shù)不斷發(fā)展及快速應(yīng)用的一個(gè)主要因素。全球?qū)o線數(shù)據(jù)的需求仍以每年平均25%的速度持續(xù)成長，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施帶來了巨大壓力，換句話說，以目前的成長速度，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容量需要實(shí)現(xiàn)每2~3年成長兩倍才能滿足需求。5G是擴(kuò)展容量的絕佳平臺(tái)，但5G技術(shù)并不是能夠滿足這些需求的唯一解決方案——實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的方法有多種。

　　首先，可以采用5G“新無線電”(NR)技術(shù)，該技術(shù)旨在以高于之前LTE技術(shù)的效率運(yùn)作。從效率(每赫茲位)的角度來看，5G NR的運(yùn)作效率相比LTE高出約30%。單純采用5G NR這一種方法就可以提高網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)容量，這是讓無線服務(wù)供貨商迅速采用5G技術(shù)的原因之一。許多服務(wù)供貨商已重新開發(fā)其2G或3G頻譜，甚至在與LTE相同的頻譜中部署了5G NR。然而，單純重用現(xiàn)有頻譜并不能滿足數(shù)據(jù)消耗需求。

　　增加5G數(shù)據(jù)容量后，所產(chǎn)生的最大影響在于需要為5G部署開放更多頻譜。目前，已提供平行方案，開放3GHz~5GHz范圍內(nèi)的更多中頻段頻譜作為“頻率范圍1”(FR1)頻譜，并開放24GHz~47GHz范圍內(nèi)的更多毫米波頻譜作為“頻率范圍2”(FR2)頻譜。在全球內(nèi)，雖然不同國家/地區(qū)在其5G建設(shè)中的著重點(diǎn)有所不同，或著重于FR1，或著重于FR2，但目標(biāo)都相同，即增加網(wǎng)絡(luò)可用容量；最終，大多數(shù)國家/地區(qū)在其5G策略中都將采用這兩種頻率范圍。

　　例如，在美國，最初的5G策略是重新開發(fā)低頻段頻譜，然后針對(duì)無線服務(wù)供貨商開放毫米波頻譜。所帶來的性能令人驚嘆，移動(dòng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)千兆位數(shù)據(jù)連接，但開發(fā)頻譜后毫米波信號(hào)的可用性有些不足。去年，Apple決定在其所有美版最新款手機(jī)中搭載毫米波5G技術(shù)，以此證明了技術(shù)的實(shí)用性。未來，美國各城市將繼續(xù)有條不紊地建設(shè)毫米波5G基礎(chǔ)設(shè)施。

　　2021年，美國已將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向中頻段FR1頻譜，吸引了無線服務(wù)供貨商進(jìn)行大量投資。在2021年年初的第一次中頻段拍賣中，3.7GHz~4GHz頻譜的成交價(jià)格達(dá)到了驚人的810億美元，主要由美國前三大無線營運(yùn)商拍得。相比之下，在美國，對(duì)所有當(dāng)前可用毫米波頻譜的投資還不到10億美元，顯然，營運(yùn)商將中頻段視為整個(gè)計(jì)劃的關(guān)鍵部分。

　　在測試要求方面，毫米波頻段帶來了一些值得關(guān)注的設(shè)備測試挑戰(zhàn)。毫米波頻率范圍以前對(duì)于消費(fèi)性產(chǎn)品而言有些不同尋常，但更有趣的是，這些信號(hào)的基本物理特性和天線封裝已經(jīng)徹底改變了測試策略。這類產(chǎn)品的大部分測試都采用OTA測試，由于OTA測試與傳導(dǎo)(或有線)測試相比具有可變性，一直以來未被采用，在制造領(lǐng)域更是如此。然而，毫米波信號(hào)的波長較短，實(shí)際上與4G或5G FR1信號(hào)相比更適合采用OTA測試，從而實(shí)現(xiàn)高度的可重復(fù)性。

　　對(duì)于FR1頻段，制造測試面臨的挑戰(zhàn)有所不同。在某種程度上，5G測試技術(shù)是從4G測試技術(shù)發(fā)展而來，而4G技術(shù)主要采用傳導(dǎo)測試。移動(dòng)產(chǎn)品面臨的主要挑戰(zhàn)在于，這類產(chǎn)品支持5G FR1，同時(shí)產(chǎn)品中的Wi-Fi和藍(lán)牙等其他連接技術(shù)要求其支持600MHz~6GHz頻段(某些地區(qū)甚至高達(dá)7.3GHz)。若要覆寫此頻率范圍，就需要增加產(chǎn)品中的天線數(shù)量。

　　除了采用5G NR技術(shù)提高效率及開放更多頻譜之外，無線營運(yùn)商可采用第三種方法提高網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)容量，即頻譜重用。縮小無線覆蓋區(qū)域的范圍，在人口稠密的區(qū)域設(shè)立更多的”蜂窩基站”是實(shí)現(xiàn)頻譜重用的一種有效方法。多年來，人們用城域蜂窩(Metrocell)、微蜂窩(Microcell)、微微蜂窩(Picocell)和毫微微蜂窩(Femtocell)等多種方式來描述小型蜂窩基站，但之前市場上并未廣泛采用這些產(chǎn)品，這是因?yàn)長TE在很大程度上能夠滿足過去10年中的覆蓋和容量需求。隨著5G時(shí)代的來臨，多種因素都在推動(dòng)小型蜂窩基站的戰(zhàn)略部署。對(duì)于FR1，小型蜂窩基站可為頻譜重用提供一種解決方案——將基站覆蓋范圍減半可有效地將容量加倍。對(duì)于FR2，小型蜂窩基站有助于解決毫米波信號(hào)的一些高衰減問題，尤其是在室內(nèi)獲取毫米波信號(hào)的問題。

　　部署小型蜂窩基站和微蜂窩基站面臨著諸多挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的資本成本便是其中之一。開放RAN (O-RAN)聯(lián)盟正在引領(lǐng)“鼓勵(lì)消費(fèi)”網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的產(chǎn)業(yè)趨勢。O-RAN的愿景是促進(jìn)不同的無線電和基頻供貨商提供完全可互操作的設(shè)備，同時(shí)簡化全新5G功能的應(yīng)用并降低其成本。以智慧方式拆分基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的架構(gòu)后，基站軟件可以遷移到云端進(jìn)行虛擬化，而無線電和基頻硬件可以配備通用接口，以此在不同供貨商之間無縫通訊。O-RAN設(shè)備能否廣泛部署取決于互操作性，因此，不同供貨商將遵循通用的O-RAN規(guī)范并積極參與插拔測試活動(dòng)以確保兼容性。隨著采用O-RAN標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，營運(yùn)商可以分解RAN軟件和硬件組件，以此降低前期資本成本和營運(yùn)成本，從而從中獲益。O-RAN無線電單元的制造測試需要采用一種基于O-RAN網(wǎng)絡(luò)開放前傳通訊接口的新非信令方案，而非垂直整合RAN系統(tǒng)中采用的專有接口。

　　雖然5G的部署主要是在移動(dòng)客戶的推動(dòng)下才走向市場，但它也為網(wǎng)絡(luò)營運(yùn)商部署固定無線寬帶服務(wù)提供了機(jī)會(huì)，這在光纖部署比較困難或成本過高的農(nóng)村或近郊地區(qū)尤其適用。最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)這樣一種模式：最終客戶可以在家中或辦公室中自行安裝客戶端設(shè)備(CPE)，從而為營運(yùn)商節(jié)省大量啟動(dòng)成本。這些CPE將具備高速寬帶服務(wù)所需的高階功能，例如5G NR非獨(dú)立組網(wǎng)和獨(dú)立組網(wǎng)，以及多頻段功能。下一代CPE設(shè)計(jì)將采用更多接收器和天線來提高設(shè)備靈敏度，同時(shí)還會(huì)采用支持波束成形天線技術(shù)的更高功率發(fā)射器以自動(dòng)鎖定網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。

　　Wi-Fi技術(shù)不斷向前發(fā)展

　　2020年，受疫情影響，Wi-Fi的重要作用更勝以往。遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)和遠(yuǎn)程辦公對(duì)我們的家庭網(wǎng)絡(luò)連接造成了壓力，視頻會(huì)議增加導(dǎo)致出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞。與前些年單純流式傳輸大量視訊下載數(shù)據(jù)相比，視頻會(huì)議揭示了上行鏈路數(shù)據(jù)通訊對(duì)家庭寬帶服務(wù)，以及家中同時(shí)運(yùn)作的多臺(tái)Wi-Fi裝置的重要意義。

　　在此契機(jī)下，最新一代Wi-Fi (即Wi-Fi 6)走向市場。Wi-Fi 6裝置采用更高效的通訊方式，支持多臺(tái)設(shè)備同時(shí)與家庭存取點(diǎn)通訊。Wi-Fi 6與前幾代Wi-Fi不同，家中的裝置無需再排隊(duì)等候連接，因此可讓人感覺現(xiàn)有寬帶連接速度變快。Wi-Fi 6目前正隨手機(jī)、PC和存取點(diǎn)裝置大量出貨。

　　在Wi-Fi 6推出后不久，便于2021年年初推出了Wi-Fi 6E裝置。”6E”是指采用6GHz頻段中免授權(quán)頻譜的Wi-Fi 6裝置。該6GHz頻段(5.9GHz~7.1GHz)于2020年開始在北美使用，并逐漸在全球興起。這一新頻譜僅供支持Wi-Fi 6的裝置使用，從而極大地改善了用戶體驗(yàn)，并為下一代Wi-Fi裝置的創(chuàng)新鋪平了道路。雖然Wi-Fi 6E的底層技術(shù)并無不同，但使用6GHz頻譜確實(shí)會(huì)為射頻校準(zhǔn)和測試帶來一些新的挑戰(zhàn)：通道更寬、發(fā)射器需要達(dá)到更高質(zhì)量并滿足更高發(fā)射要求，以及運(yùn)作頻率高達(dá)7.1GHz等。

　　然而，我們沒有時(shí)間原地踏步。盡管Wi-Fi 6E裝置尚未廣泛應(yīng)用，但基于下一代IEEE Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)(802.11be)的Wi-Fi 7已進(jìn)入開發(fā)階段，這一代Wi-Fi的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)”極高傳輸量”(EHT)和低延遲。設(shè)想一下，數(shù)據(jù)速率達(dá)到30Gbps，以及延遲低至數(shù)毫秒的情形。

　　如果我們仔細(xì)研究IEEE規(guī)范，了解具體的實(shí)現(xiàn)方法，則會(huì)發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)是在Wi-Fi 6的基礎(chǔ)上將各項(xiàng)參數(shù)增加一倍：帶寬、調(diào)變速率、MIMO流……160MHz信道增加到320MHz信道，1,024 QAM調(diào)變技術(shù)提高到4,096 QAM，8×8 MIMO增加到16×16 MIMO，并且該標(biāo)準(zhǔn)支持多個(gè)同步鏈路(稱為”多鏈路操作”)，類似4G和5G蜂窩技術(shù)中的載波聚合。請(qǐng)注意，實(shí)現(xiàn)更寬通道的關(guān)鍵推動(dòng)因素是6GHz免授權(quán)頻段的可用性——5GHz頻段中不能使用320MHz頻道。雖然Wi-Fi 7的開發(fā)工作已經(jīng)開始，但在數(shù)年內(nèi)該技術(shù)無法應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品。

　　若要驗(yàn)證Wi-Fi 7芯片的設(shè)計(jì)性能，需要對(duì)測試裝置性能進(jìn)行一些重大升級(jí)。在射頻領(lǐng)域，帶寬和信噪比(SNR)就像是受擠壓氣球相對(duì)的兩側(cè)，在低帶寬下實(shí)現(xiàn)高SNR、甚至在低SNR下實(shí)現(xiàn)高帶寬都”很容易”，但同時(shí)實(shí)現(xiàn)高帶寬和高SNR無異于在大頭針的針頭上實(shí)現(xiàn)平衡。我們通常在誤差向量幅度(EVM)測量中量化這種數(shù)據(jù)性能，若將挑戰(zhàn)簡單化，因?yàn)閃i-Fi 7將帶寬加倍，將數(shù)據(jù)深度加倍(4,096 QAM)，則意味著測量Wi-Fi 7裝置EVM性能的儀器相較于測量Wi-Fi 6E裝置的儀器至少需要優(yōu)異4倍——就EVM測量而言，這表示裝置EVM底噪需要留出6dB的額外余量，從而要求儀器性能優(yōu)于-50dB。

　　此外，對(duì)Wi-Fi 7裝置的MIMO和多鏈路操作(MLO)模式進(jìn)行測試時(shí)，可能需要建構(gòu)有些復(fù)雜的測試裝置。想象一下，單個(gè)裝置內(nèi)有16個(gè)同步無線電，它們以相同頻率運(yùn)作，或者以聚合多個(gè)不同頻段切片的組合頻率運(yùn)作，Wi-Fi 7測試設(shè)備必須具備相應(yīng)的性能、靈活性，并且(必定)具有成本效益。

　　設(shè)備感知自身位置的能力增強(qiáng)

　　采用可以偵測位置和運(yùn)動(dòng)的無線技術(shù)后，產(chǎn)品和傳感器的情景感知能力將有所增強(qiáng)。該功能的應(yīng)用場景包括安全(即建筑物進(jìn)入控制、汽車數(shù)字鑰匙、移動(dòng)支付)、追蹤和工業(yè)安全。如果裝置可以安全地檢測自身位置，也就能夠在確保安全的情況下用于驗(yàn)證位置。若要在無線技術(shù)中達(dá)到這種安全等級(jí)，設(shè)備需要采用全新方式確定位置。

　　超寬帶(UWB)是一種成熟的無線技術(shù)，該技術(shù)的再次興起是為了應(yīng)對(duì)安全挑戰(zhàn)。目前，該技術(shù)在手機(jī)、汽車和可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣泛，UWB無線技術(shù)實(shí)際上已經(jīng)存在了一百多年，但最新一代技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)安全、準(zhǔn)確的定位，而不是實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的無線傳輸。UWB已基于IEEE 802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量身訂做，可實(shí)現(xiàn)非常準(zhǔn)確(< 10cm)、安全的距離和方向測量。該技術(shù)的工作原理是，發(fā)送一系列非常短的編碼脈沖，這些脈沖支持兩臺(tái)裝置確定發(fā)送和接收這些消息所需的時(shí)間。這些信號(hào)以光速傳播，確定時(shí)間后，便可輕松確定兩臺(tái)裝置之間的距離。與其他采用信號(hào)強(qiáng)度確定距離的無線技術(shù)不同，UWB使用的時(shí)間標(biāo)記方法要安全得多——信號(hào)強(qiáng)度可以透過記錄和重新廣播信號(hào)來”破解”，而時(shí)間標(biāo)記很難偽造。

　　UWB的另一項(xiàng)特性在于，它使用非常寬的帶寬信號(hào)(至少500MHz寬)，其名稱也體現(xiàn)了這一點(diǎn)。其他無線技術(shù)依賴帶寬傳輸大量數(shù)據(jù)，UWB有所不同，該技術(shù)利用頻域中較寬的帶寬對(duì)應(yīng)時(shí)域中較短的時(shí)間這一事實(shí)。由于具備精細(xì)的時(shí)間分辨率，UWB所能實(shí)現(xiàn)的定位精準(zhǔn)度要優(yōu)于其他定位技術(shù)(例如藍(lán)牙)。

　　UWB裝置的測試和測量與其他無線技術(shù)有一些相似之處。然而，與5G蜂窩或Wi-Fi裝置不同，EVM并不是我們關(guān)注的測量指標(biāo)。對(duì)于UWB，我們關(guān)注的是飛行時(shí)間(ToF)測量，測量ToF要求測試設(shè)備具有精確的觸發(fā)機(jī)制，從而能夠重復(fù)報(bào)告發(fā)出信號(hào)的設(shè)備(也稱為”標(biāo)簽”)或響應(yīng)設(shè)備(也稱為”錨點(diǎn)”)的測量時(shí)間。

　　UWB技術(shù)非常適合采用三角測量方法，其中標(biāo)簽設(shè)備會(huì)比較多個(gè)錨點(diǎn)設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間，以此確定位置。然而，為了讓設(shè)備在更多的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用場景中運(yùn)作，設(shè)備不僅需要測量距離，還需要確定發(fā)送或接收信號(hào)的角度。這種角度稱為到達(dá)角(AoA)，使用AoA測量時(shí)要求裝置具有多根天線(至少2根)并且天線間的間距已知。透過測量每個(gè)天線所接收信號(hào)之間的微小差異，可以計(jì)算出方向，為了準(zhǔn)確校準(zhǔn)和驗(yàn)證設(shè)備的角度測量精準(zhǔn)度，測試設(shè)備必須能夠提供非常精細(xì)的分辨率來生成和測量信號(hào)偏移(數(shù)皮秒量級(jí))。

　　各種各樣的UWB產(chǎn)品和應(yīng)用帶來了值得關(guān)注的各種挑戰(zhàn)。我們?nèi)绾未_保所有這些產(chǎn)品都具有互操作性？FiRa聯(lián)盟(精細(xì)測距)的成立就是為了解決這一挑戰(zhàn)。該組織的愿景是，利用可互操作UWB技術(shù)的安全精細(xì)測距和定位功能來提供無縫的用戶體驗(yàn)，該組織正在制定一項(xiàng)認(rèn)證計(jì)劃，以期協(xié)助UWB裝置生態(tài)系統(tǒng)的健康、蓬勃發(fā)展。該認(rèn)證計(jì)劃包括RF PHY和MAC一致性測試案例，旨在實(shí)現(xiàn)不同芯片組、設(shè)備和解決方案之間的操作兼容性。

　　無線技術(shù)是一段旅程，而非目的地

　　2020年，我們高度依賴技術(shù)來保持聯(lián)系，在這充滿挑戰(zhàn)的一年中，無線技術(shù)對(duì)于維持我們的正常工作、學(xué)習(xí)和生活發(fā)揮了巨大作用。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，未來我們將著重于進(jìn)一步增強(qiáng)5G、Wi-Fi和其他連接技術(shù)的性能。5G需要借助一些工具來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，如小型蜂窩基站、中繼器和FR1和FR2頻段的CPE等。6GHz頻段中免授權(quán)頻譜的可用性是解鎖新功能的關(guān)鍵，下一代Wi-Fi技術(shù)已進(jìn)入開發(fā)階段，要求裝置和測試設(shè)備性能實(shí)現(xiàn)巨大飛躍。此外，進(jìn)一步增強(qiáng)設(shè)備的位置感知能力將有助于提高便利性和安全性。在我們繼續(xù)邁向2022年的過程中，5G和Wi-Fi 6/6E裝置的應(yīng)用將大幅增加，從而為無線技術(shù)成為應(yīng)對(duì)日常挑戰(zhàn)的實(shí)用解決方案奠定基礎(chǔ)。

　　作者：Adam Smith，LitePoint