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頁數 1 如需聯絡我們，請上網查詢 www.keysight.com 邁向 5G 的第一步 克服 New Radio 裝置設計挑戰系列專文 白皮書 第 3 部：MIMO 和波束成形 MIMO（多輸入／多輸出）波束控制和波束成形是 5G 中最受關注的技術。對於 IMT- 2020 設定的前瞻標目標：資料速率準提高 100 倍，容量增加 1000 倍，MIMO 扮演 關鍵性角色。根據 Ericsson 行動報告 1 （2017 年 11 月發布），行動資料訊務的年 成長率約 65%，預計將以 42% 的年複合成長率向上攀升。到 2023 年，全球預計將 有 91 億的行動訂閱戶，其中 10 億將使用 5G 增強型行動寬頻服務。 1. https://www.ericsson.com/assets/local/mobility-report/documents/2017/ericsson-mobility-report- november-2017.pdf MIMO 帶來了 3 項主要 的設計挑戰： 1. 3D 天線波束碼型驗 證 2. 毫米波驗證鏈路完整 性 3. 裝置效能在真實條件 下進行最佳化
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邁向 5G 的第一步克服 New Radio 裝置設計挑戰系列專文
白皮書
第 3 部：MIMO 和波束成形
MIMO（多輸入／多輸出）波束控制和波束成形是 5G 中最受關注的技術。對於 IMT-
2020 設定的前瞻標目標：資料速率準提高 100 倍，容量增加 1000 倍，MIMO 扮演
關鍵性角色。根據 Ericsson 行動報告1（2017 年 11 月發布），行動資料訊務的年
成長率約 65%，預計將以 42% 的年複合成長率向上攀升。到 2023 年，全球預計將
有 91 億的行動訂閱戶，其中 10 億將使用 5G 增強型行動寬頻服務。
1. https://www.ericsson.com/assets/local/mobility-report/documents/2017/ericsson-mobility-report-november-2017.pdf
MIMO 帶來了 3 項主要的設計挑戰：
1. 3 D 天線波束碼型驗證
2. 毫米波驗證鏈路完整性
3. 裝置效能在真實條件下進行最佳化
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MIMO 是改善網路容量和效率以滿足前述需求的最佳方法之一。5G 裝置需在多個頻段中
（從低於 6 GHz 到毫米波頻率）支援多天線技術，並須因應各種情境的要求，
包括大量的物聯網連接和極高的資料傳輸速率。
在 5G 裝置上部署 MIMO，為設計人員帶來多項艱鉅的新挑戰，包括 3D 天線波束碼型驗
證、毫米波鏈路完整性，並需真實條件下將裝置效能最佳化。
MIMO 技術概論如欲克服這些挑戰，您需對相關技術有基本認識，以便從 5G 裝置之間傳送高品質、穩定
的信號。目前有多種不同的多天線技術，每種技術各有其優缺點。
空間分集是一種常見的技術，用於改善各種射頻通訊的可靠性。透過多個天線傳送同一信
號，可以達到空間分集的目標。利用該技術，可提高正確接收信號的機率，進而提高可靠
性。
空間多工則是另一種不同的多天線技術，它先將獨立的資料饋送到每個天線，然後在相同
頻率下經由所有天線進行傳輸。空間多工運用獨立資料流建立多個通道，以便提高了整體
資料速率。
波束控制和波束成形是額外的技術，它們使用多個天線來建立高度定向傳輸，波束必須準
確地指向接收天線，以增加其增益。波束成形比波束控制更複雜，因其結合通道反饋，以
便即時控制波束的形狀和方向。對波束成形進行空間多工，可提升信號的穩定性，並獲得
傳輸速率提高的優點。當多個波束指向不同的裝置，還可以獲得更高的頻譜效率，此概念
稱為多使用者 MIMO。
多使用者 MIMO
4 個資料流, 3 個元件
特別分工
MIMO (2x2)
波束成形
MIMO (4x2)
通道狀態反饋
圖 1：空間多工 MIMO 配置
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圖 2：使用 MIMO 天線技術的 5G 智慧型手機原型
MIMO 和波束成形的挑戰與解決方案在毫米波頻率下的 MIMO 和波束成形，讓裝置設計人員面臨許多新的挑戰。5G NR 標
準帶來實體層框架結構、新的參考信號和新的傳輸模式，以支援 5G 增強型行動寬頻
（eMBB）資料速率。設計人員必須瞭解 3D 波束碼型，並確保波束可以連接到基地台，
且提供所需的效能、可靠性和使用者體驗。以下是成功部署 5G 裝置設計不可或缺的重要
技術：
1. 3D 天線波束碼型驗證
2. 毫米波鏈路完整性驗證
3. 在真實條件下將裝置效能最佳化
天線
波束
天線
波束天線
波束
多天線陣列將用於行動裝置，以便執行波束控制或波束成形。相位陣列天線又稱為波束控制，它是一種實用且低成本的方法，用於動態建立並將波束指向指定的方向，這種方法也就是所謂的波束控制。相位陣列天線由一較小的天線元件陣列所組成。藉由改變套用於個別元件之信號的相對相位和振幅，天線陣列可在選定的方向上控制並形成波束。這些陣列將緊密整合入射頻積體電路（R F I C）中，並需進行 OTA 測試，因為它沒有探測點可進行傳導量測。
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圖 4：使用間接遠場縮距量測系統（CATR）進行毫米波 OTA 測試
1. 波束碼型驗證。如需驗證波束效能，您可量測 3D 天線波束碼型，並驗證它們在 5G 完整頻率和頻寬範圍內，具有正確的天線增益、旁瓣和零位深度。旁瓣和空值必須在
適當的位置，以調整天線並將信號輻射效率最大化。
驗證原型設計非常重要，但建構毫米波原型的成本極為高昂。在模擬系統中，使用通
道模型和基地台鏈路建立天線模型，有助於在設計週期的早期，提供可降低原型建構
和重新設計成本的洞察力。資料模擬成為設計過程中的重要環節，讓您能在整個開發
工作流程中進行故障排除。圖 3 顯示使用毫米波通道模型進行鏈路位準模擬，以了解模擬天線的效能。利用這個方法，您可以在模擬中添加不同的缺損，以便在開發硬體
原型之前，將設計最佳化。
圖 3：SystemVue 等電子系統位準測試工具，可幫助設計人員在進入硬體開發階段之前，快速整合並驗證其設計
如上所述，一旦進入硬體設計，設計人員需驗證裝置是否能夠在指定範圍內產生正確
的波束寬度、零位深度和增益，並且符合功率輸出限制。如此一來，您需透過 OTA 測試來驗證硬體設計。
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毫米波鏈路完整性。 LTE 系統使用可涵蓋寬廣角度的天線，為潛在使用者建構廣域網路。5G 技術預料將使用窄波束來克服毫米波信號傳播問題，但這會讓 UE（終端設備）更難從基地台找到波束。維持鏈路品質也是一個問題，尤其是當裝置在網路中任
意移動時。5G NR 第 15 版標準訂定在建立無線連接時，初始存取和連接的新程序。如圖 5 所示，由於裝置和基地台都不知道對方的位置，因此基地台使用波束掃描，在各個頻譜的同步區塊中傳送通道資訊。UE 將決定最合適的匹配，並將其傳送回基地台。現在基地台已經知道 UE 的方向，因此可建立通訊鏈路。
新的程序為波束擷取與追蹤、波束劃分 (beam refinement)、波束反饋和波束切換。使用混合參數集時，可能需要更長時間才能建立此連接。設計人員必須部署、驗證並最佳
化所有這些特性，否則使用者將面臨通話中斷或效能不佳的情況。
在開發階段的早期測試協定，有助於確保裝置能夠建立並維持連線。具備內建協定狀
態機的網路模擬器，可模擬網路信號並測試所產生的裝置信號，以驗證並最佳化初始
存取和波束管理。
圖 5：5G 初始存取和波束管理
2.
同步信號
系統資訊
隨機存取通道
隨機存取響應和系統資訊
資料和控制通道
TRxP-寬覆蓋範圍
UE 特定覆蓋範圍
UE
UE
UE
初始存取和波束管理
所有 UE 的基本資訊
只有在隨機存取後的 UE 才需要
單一波束或波束掃描
波射掃描發射
波束掃描發射
波束掃描接收
UE 特定選擇波束
UE 特定波束成形
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在真實條件下將裝置效能最佳化。 傳輸速率和延遲是無線通訊系統的關鍵效能指標。如果延遲太久，則使用者體驗將變得很差。協定堆疊的不同層必須協同運作，以達到 5G 系統的延遲和傳輸速率目標。重要的是，您需瞭解該裝置的整體效能，除了擷取波束外，還包括如何執行交遞、如何降速到 4G，以及其他波束管理功能。
測試波束端對端傳輸速率時，最有效率的方法之一，就是使用網路模擬器對 UE 發送協定指令，並量測 UE 的響應。如圖 6 所示，網路模擬器提供用於配置 5G 基地台連接、更改同步功率位準和參考信號、設定波束成形參數，以及用於傳輸和接收控制的
資源區塊之程式指令。
圖 6：具網路模擬器的測試配置
大部分元件和裝置測試是在受控制環境中完成的。然而，這些裝置實際上需在有信號
傳播問題的環境中運作，包括過多的路徑損耗、多路徑衰減和延遲擴展。因此，您必
須在真實條件下評估這些缺損對裝置效能的影響。在測試配置中加人通道模擬器，有
助於了解端對端的全堆疊資料傳輸速率特性，並模擬各種真實的射頻條件。
圖 7：Keysight PROPSIM F64 等通道模擬器可讓您在真實條件下對裝置進行評估。
3.
UXMUE微米波連接IP 連接
5G 協定研發工具組
測試系統 PC
通道模擬器
基本站點網路模擬器
遮蔽盒或環境噪音室
OTA 探棒天線
DUT
頁數 7本文件資訊如有修改，恕不另行通知。© Keysight Technologies, 2018, Published in USA, August 29, 2018, 5992-3070ZHA
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結語
MIMO、波束控制和波束成形是 5G 裝置的關鍵技術。部署多元件天線將為裝置設計人
員帶來許多新的挑戰。以合適的工具評估天線波束碼型，確保裝置能夠連接到網路並提
供預期的服務品質至關重要。是德科技測試解決方案，可協助設計人員驗證模擬網路中
的波束結構和裝置效能，以便順利度過從協定到射頻的工作流程。此外，即便在快速
演進的 5G 標準環境中，設計人員也能實現更高效率的開發。在測試配置中加入通道模
擬器，設計人員可在真實測試情境中驗證其設計，讓高效能產品能盡快在市場中捷足先
登。
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5G 白皮書系列的下一份文件，以了解採用 OTA 測試方法面臨的挑戰。
