全球疫情爆發(fā)讓我們認識最為深刻的一點是，無線通信比以往任何時候都更為重要。疫情之下，許多人都需要居家工作、居家學習和居家生活，通訊工具的使用和無線連接的接入讓我們能夠進行創(chuàng)新，適應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的更多設備和應用。

　　5G時代已開啟，但仍處于起步階段

　　2020年，5G蜂窩技術逐漸得到應用，全年智能手機出貨量約為2億支。這意味著在5G推出的第二年，5G手機銷量就實現(xiàn)同比成長10倍以上。202年，5G智能手機的出貨量可望達到4.5億支左右，在供應鏈零組件短缺的情況下，仍能實現(xiàn)同比成長兩倍。對于5G技術進展的判斷，手機出貨量是一個值得關注的指標，但該指標并不能全面反映實際情況。

　　數(shù)據(jù)消耗是推動5G技術不斷發(fā)展及快速應用的一個主要因素。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，這對網(wǎng)絡基礎設施帶來了巨大壓力，換句話說，以目前的成長速度，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)容量需要實現(xiàn)每2~3年成長兩倍才能滿足需求。5G是擴展容量的絕佳平臺，但5G技術并不是能夠滿足這些需求的唯一解決方案——實現(xiàn)網(wǎng)絡擴容的方法有多種。

　　首先，可以采用5G“新無線電”(NR)技術，該技術旨在以高于之前LTE技術的效率運作。從效率(每赫茲位)的角度來看，5G NR的運作效率相比LTE高出約30%。單純采用5G NR這一種方法就可以提高網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)容量，這是讓無線服務供貨商迅速采用5G技術的原因之一。許多服務供貨商已重新開發(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建設中的著重點有所不同，或著重于FR1，或著重于FR2，但目標都相同，即增加網(wǎng)絡可用容量；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，然后針對無線服務供貨商開放毫米波頻譜。所帶來的性能令人驚嘆，移動裝置能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)千兆位數(shù)據(jù)連接，但開發(fā)頻譜后毫米波信號的可用性有些不足。去年，Apple決定在其所有美版最新款手機中搭載毫米波5G技術，以此證明了技術的實用性。未來，美國各城市將繼續(xù)有條不紊地建設毫米波5G基礎設施。

　　2021年，美國已將重點轉(zhuǎn)向中頻段FR1頻譜，吸引了無線服務供貨商進行大量投資。在2021年年初的第一次中頻段拍賣中，3.7GHz~4GHz頻譜的成交價格達到了驚人的810億美元，主要由美國前三大無線營運商拍得。相比之下，在美國，對所有當前可用毫米波頻譜的投資還不到10億美元，顯然，營運商將中頻段視為整個計劃的關鍵部分。

　　在測試要求方面，毫米波頻段帶來了一些值得關注的設備測試挑戰(zhàn)。毫米波頻率范圍以前對于消費性產(chǎn)品而言有些不同尋常，但更有趣的是，這些信號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(或有線)測試相比具有可變性，一直以來未被采用，在制造領域更是如此。然而，毫米波信號的波長較短，實際上與4G或5G FR1信號相比更適合采用OTA測試，從而實現(xiàn)高度的可重復性。

　　對于FR1頻段，制造測試面臨的挑戰(zhàn)有所不同。在某種程度上，5G測試技術是從4G測試技術發(fā)展而來，而4G技術主要采用傳導測試。移動產(chǎn)品面臨的主要挑戰(zhàn)在于，這類產(chǎn)品支持5G FR1，同時產(chǎn)品中的Wi-Fi和藍牙等其他連接技術要求其支持600MHz~6GHz頻段(某些地區(qū)甚至高達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技術提高效率及開放更多頻譜之外，無線營運商可采用第三種方法提高網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)容量，即頻譜重用?？s小無線覆蓋區(qū)域的范圍，在人口稠密的區(qū)域設立更多的”蜂窩基站”是實現(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，這是因為LTE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時代的來臨，多種因素都在推動小型蜂窩基站的戰(zhàn)略部署。對于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。對于FR2，小型蜂窩基站有助于解決毫米波信號的一些高衰減問題，尤其是在室內(nèi)獲取毫米波信號的問題。

　　部署小型蜂窩基站和微蜂窩基站面臨著諸多挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡設備的資本成本便是其中之一。開放RAN (O-RAN)聯(lián)盟正在引領“鼓勵消費”網(wǎng)絡設備的產(chǎn)業(yè)趨勢。O-RAN的愿景是促進不同的無線電和基頻供貨商提供完全可互操作的設備，同時簡化全新5G功能的應用并降低其成本。以智慧方式拆分基礎設施設備的架構后，基站軟件可以遷移到云端進行虛擬化，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以確保兼容性。隨著采用O-RAN標準的移動網(wǎng)絡架構發(fā)生轉(zhuǎn)變，營運商可以分解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客戶的推動下才走向市場，但它也為網(wǎng)絡營運商部署固定無線寬帶服務提供了機會，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。最終目標是實現(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備(CPE)，從而為營運商節(jié)省大量啟動成本。這些CPE將具備高速寬帶服務所需的高階功能，例如5G NR非獨立組網(wǎng)和獨立組網(wǎng)，以及多頻段功能。下一代CPE設計將采用更多接收器和天線來提高設備靈敏度，同時還會采用支持波束成形天線技術的更高功率發(fā)射器以自動鎖定網(wǎng)絡信號。

　　Wi-Fi技術不斷向前發(fā)展

　　2020年，受疫情影響，Wi-Fi的重要作用更勝以往。遠程學習和遠程辦公對我們的家庭網(wǎng)絡連接造成了壓力，視頻會議增加導致出現(xiàn)網(wǎng)絡堵塞。與前些年單純流式傳輸大量視訊下載數(shù)據(jù)相比，視頻會議揭示了上行鏈路數(shù)據(jù)通訊對家庭寬帶服務，以及家中同時運作的多臺Wi-Fi裝置的重要意義。

　　在此契機下，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，支持多臺設備同時與家庭存取點通訊。Wi-Fi 6與前幾代Wi-Fi不同，家中的裝置無需再排隊等候連接，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、PC和存取點裝置大量出貨。

　　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，并為下一代Wi-Fi裝置的創(chuàng)新鋪平了道路。雖然Wi-Fi 6E的底層技術并無不同，但使用6GHz頻譜確實會為射頻校準和測試帶來一些新的挑戰(zhàn)：通道更寬、發(fā)射器需要達到更高質(zhì)量并滿足更高發(fā)射要求，以及運作頻率高達7.1GHz等。

　　然而，我們沒有時間原地踏步。盡管Wi-Fi 6E裝置尚未廣泛應用，但基于下一代IEEE Wi-Fi標準(802.11be)的Wi-Fi 7已進入開發(fā)階段，這一代Wi-Fi的主要目標是實現(xiàn)”極高傳輸量”(EHT)和低延遲。設想一下，數(shù)據(jù)速率達到30Gbps，以及延遲低至數(shù)毫秒的情形。

　　如果我們仔細研究IEEE規(guī)范，了解具體的實現(xiàn)方法，則會發(fā)現(xiàn)該標準是在Wi-Fi 6的基礎上將各項參數(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)變技術提高到4,096 QAM，8×8 MIMO增加到16×16 MIMO，并且該標準支持多個同步鏈路(稱為”多鏈路操作”)，類似4G和5G蜂窩技術中的載波聚合。請注意，實現(xiàn)更寬通道的關鍵推動因素是6GHz免授權頻段的可用性——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)該技術無法應用于商業(yè)產(chǎn)品。

　　若要驗證Wi-Fi 7芯片的設計性能，需要對測試裝置性能進行一些重大升級。在射頻領域，帶寬和信噪比(SNR)就像是受擠壓氣球相對的兩側(cè)，在低帶寬下實現(xiàn)高SNR、甚至在低SNR下實現(xiàn)高帶寬都”很容易”，但同時實現(xiàn)高帶寬和高SNR無異于在大頭針的針頭上實現(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，因為Wi-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Wi-Fi 7裝置的MIMO和多鏈路操作(MLO)模式進行測試時，可能需要建構有些復雜的測試裝置。想象一下，單個裝置內(nèi)有16個同步無線電，它們以相同頻率運作，或者以聚合多個不同頻段切片的組合頻率運作，Wi-Fi 7測試設備必須具備相應的性能、靈活性，并且(必定)具有成本效益。

　　設備感知自身位置的能力增強

　　采用可以偵測位置和運動的無線技術后，產(chǎn)品和傳感器的情景感知能力將有所增強。該功能的應用場景包括安全(即建筑物進入控制、汽車數(shù)字鑰匙、移動支付)、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證位置。若要在無線技術中達到這種安全等級，設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，該技術的再次興起是為了應對安全挑戰(zhàn)。目前，該技術在手機、汽車和可穿戴設備中的應用越來越廣泛，UWB無線技術實際上已經(jīng)存在了一百多年，但最新一代技術的目標是實現(xiàn)安全、準確的定位，而不是實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的無線傳輸。UWB已基于IEEE 802.15.4z標準進行量身訂做，可實現(xiàn)非常準確(< 10cm)、安全的距離和方向測量。該技術的工作原理是，發(fā)送一系列非常短的編碼脈沖，這些脈沖支持兩臺裝置確定發(fā)送和接收這些消息所需的時間。這些信號以光速傳播，確定時間后，便可輕松確定兩臺裝置之間的距離。與其他采用信號強度確定距離的無線技術不同，UWB使用的時間標記方法要安全得多——信號強度可以透過記錄和重新廣播信號來”破解”，而時間標記很難偽造。

　　UWB的另一項特性在于，它使用非常寬的帶寬信號(至少500MHz寬)，其名稱也體現(xiàn)了這一點。其他無線技術依賴帶寬傳輸大量數(shù)據(jù)，UWB有所不同，該技術利用頻域中較寬的帶寬對應時域中較短的時間這一事實。由于具備精細的時間分辨率，UWB所能實現(xiàn)的定位精準度要優(yōu)于其他定位技術(例如藍牙)。

　　UWB裝置的測試和測量與其他無線技術有一些相似之處。然而，與5G蜂窩或Wi-Fi裝置不同，EVM并不是我們關注的測量指標。對于UWB，我們關注的是飛行時間(ToF)測量，測量ToF要求測試設備具有精確的觸發(fā)機制，從而能夠重復報告發(fā)出信號的設備(也稱為”標簽”)或響應設備(也稱為”錨點”)的測量時間。

　　UWB技術非常適合采用三角測量方法，其中標簽設備會比較多個錨點設備的響應時間，以此確定位置。然而，為了讓設備在更多的點對點應用場景中運作，設備不僅需要測量距離，還需要確定發(fā)送或接收信號的角度。這種角度稱為到達角(AoA)，使用AoA測量時要求裝置具有多根天線(至少2根)并且天線間的間距已知。透過測量每個天線所接收信號之間的微小差異，可以計算出方向，為了準確校準和驗證設備的角度測量精準度，測試設備必須能夠提供非常精細的分辨率來生成和測量信號偏移(數(shù)皮秒量級)。

　　各種各樣的UWB產(chǎn)品和應用帶來了值得關注的各種挑戰(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技術的安全精細測距和定位功能來提供無縫的用戶體驗，該組織正在制定一項認證計劃，以期協(xié)助UWB裝置生態(tài)系統(tǒng)的健康、蓬勃發(fā)展。該認證計劃包括RF PHY和MAC一致性測試案例，旨在實現(xiàn)不同芯片組、設備和解決方案之間的操作兼容性。

　　無線技術是一段旅程，而非目的地

　　2020年，我們高度依賴技術來保持聯(lián)系，在這充滿挑戰(zhàn)的一年中，無線技術對于維持我們的正常工作、學習和生活發(fā)揮了巨大作用。隨著技術不斷發(fā)展，未來我們將著重于進一步增強5G、Wi-Fi和其他連接技術的性能。5G需要借助一些工具來擴展網(wǎng)絡覆蓋范圍，如小型蜂窩基站、中繼器和FR1和FR2頻段的CPE等。6GHz頻段中免授權頻譜的可用性是解鎖新功能的關鍵，下一代Wi-Fi技術已進入開發(fā)階段，要求裝置和測試設備性能實現(xiàn)巨大飛躍。此外，進一步增強設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裝置的應用將大幅增加，從而為無線技術成為應對日常挑戰(zhàn)的實用解決方案奠定基礎。

　　作者：Adam Smith，LitePoint