隨著5G New Radio（ NR）從標準和規格制定進入發展階段， 多輸入多輸出（MIMO）和波束成形等技術的支援至關重要。工程師可在基地台和裝置中，使用相 位陣列天線來部署MIMO和波束成形技術。實際上，這些主動式天線是克服信號傳播問題的重要關鍵，例如毫米波頻率的較高路徑損耗。它們還能夠針對特定使用者進行波束的動態塑形和控制。主動式天線可提供更高靈活性，並有效改善5G（尤其是在毫米波頻率）的通訊效能。

在商用級無線通訊中部署主動式相位陣列天線，與前幾代技術所使用的被動式天線截 然不同。MIMO和波束成形技術可增加基地台容量和涵蓋範圍。5G裝置和基地台需在多個頻段中（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基地台部署MIMO和波束成形，為設計人員帶來多項艱鉅的新挑戰。若干重大障礙包括解決更高的毫米波路徑損耗、透過空中傳輸（OTA）對3D天線波束場型進行射頻效能驗證，以及在真實條件下將基地台效能最佳化。真實世界的情況。工 程師需小心選擇硬體和軟體工具來模擬、設計和測試極其複雜的系統，其中包含數十或數百個天線元素。

5G裡的MIMO和波束成形

實現MIMO的方式，可以在發射器上使用多個天線（以實現發射分集），在接收器上使用 多個天線（以實現接收分集），或者在發射器和接收器上均使用多個天線來達成。

單使用 者多輸入多輸出（SU-MIMO）技術，是利用兩個或多個天線對一位使用者的資料進行多工處理，以提高特定使用者的資料速率。相對地，多使用者多輸入多輸出（MU-MIMO）， 也就是大規模天線陣列（Massive MIMO）所採用的關鍵技術，是利用多個天線對多位使用者傳輸資料，藉此增加基地台容量。Massive MIMO透過在基地台上部署更多（通常數百個），且比基地台支援的使用者還多的天線元件，來實現 MU-MIMO。

5G 將藉由採用 MU-MIMO，從蜂巢式通訊轉變成基於波束的無線通訊。波束成形是 MIMO 的一種特殊實現方式，利用多天線陣列，在各天線元件間設置特定間隔及特定相位/ 振幅偏移，以動態控制波束場型。天線元件的數量增加，且波形建設性地疊加，使輻射 能量變得更集中，而能有效增加對使用者的功率輸送和信噪比（SNR）。對每個元件上的 信號進行歸納並套用相位偏移，可將波束的指向從正交方向改變為陣列。透過控制相位 偏移，電子式相位偏移可實現快速波束控制，無需機械操作。在波束成形技術中，聚焦波 束可將用戶端設備（UE）的信噪比最大化，進而改善用於更高調變編碼機制的通訊鏈路。（如圖一所示）。

圖一 : 設置更多天線元件和相位偏移來建立波束場型

波束成形利用通道狀態資訊（CSI）計算出各天線元件的特定權重，並套用即時狀態變化來對目標UE的信號執行最佳化。換句話說，UE量測通道特性並告訴基地台該資訊，使基地台可藉以改變天線元件的相位和振幅，來抵消通道狀況的影響。此過程可對發射信號執 行精準的控制，使得信號至目標 UE 達到最強，進而提升基地台的涵蓋。

圖二 : 4G指向天線和5G波束天線的輻射功率比較

部署和測試MIMO所面臨的3個關鍵挑戰

航太與國防雷達和衛星通訊皆使用主動式相位陣列天線。這些天線陣列規模通常很大而且價格高昂，應用於商用級無線通訊更引入諸多全新挑戰。

圖三 : 典型軍用雷達主動式天線陣列和新的毫米波5G天線陣列比較

例如，第三代合作夥伴計劃（3GPP）針對基地台規範的一連串測試，包括輻射發射器測 試和輻射接收器測試。根據基地台的配置，某些頻率範圍 1（FR1 410 MHz - 7.125 GHz）測試需執行電磁輻射測試，而所有頻率範圍2（FR2 24.25 - 52.6 GHz）測試皆需執行電磁輻射測試。

各種不同的發射器和接收器測試分類如下：

‧ 發射器：輻射發射功率、基地台輸出功率、輸出功率動態範圍、發射信號ON/OFF功率、發射信號品質、不必要之發射和發射器交互調變。

‧ 接收器：參考靈敏度位準、動態範圍、頻內選擇性和阻塞干擾、頻外阻塞干擾、接收器雜散放射、接收器交互調變和通道內選擇性。

‧ PUCCH（實體上行鏈路控制通道）和 PRACH（實體隨機存取通道）的效能測試，可驗證基地台接收器對於特定SNR，在不同的多路徑衰減傳播條件下所能達到的傳輸速率。

請瀏覽3GPP技術規範TS 38.141-1和-2文件，以了解量測不確定性、測試方法、測試流程和測試要求。

由於採用了更高頻率、更寬頻寬和多元件主動式天線，基地台的相符性測試和過去的LTE測試有著明顯差別，而且變得更具挑戰性。現今的LTE測試解決方案很有限，不適用於5G的頻率和頻寬。5G NR中所使用的主動式天線陣列，必須採取創新的天線設計，而且需要新的測試方法來執行設計特性分析、先期認證和相符性測試。

以下列出幾項重大的測試挑戰：

1.對更高的毫米波頻率路徑損耗進行調適

在毫米波頻率，路徑損耗增加和信號缺損變得更為嚴重。毫米波信號傳播的問題，大幅減少了信號的有效傳播距離。因此，基地台將採用數百個天線元件來設計出高增益的指向型天線。

毫米波產品的測試解決方案，必須針對在更高頻率和更寬的通道頻寬進行調適，並且還 要解決毫米波頻率增加的路徑損耗。測試解決方案必須具有足夠的SNR，以能準確偵測和解調5G信號。測試發射器時，信號分析儀的SNR至關重要，可確保準確的誤差向量振幅（EVM）和鄰近通道洩漏比（ACLR）量測。選擇具有高動態範圍的信號分析儀，對於克服SNR問題會很有幫助。

圖四 : 採用系統級校驗來修正接收器測試的通道響應

為了提高接收器測試解決方案的SNR，必須使用具備高輸出功率和低EVM的向量信號產生器（VSG），以確保接收器能夠確實偵測到信號並執行信號解調。此外，執行系統級校驗很重要，能夠修正量測頻寬上的系統相位 和振幅偏移。圖四繪示修正後的波形對於待測裝置（DUT）平面通道響應的影響。這需用到功率計/感測器、信號分析儀，或網路分析儀來量測頻率響應。測得的資料隨即用於信號發生器，並在整個頻寬上預先修正波形。

2.透過空中傳輸進行 3D 天線波束場型的射頻效能驗證

絕大多數5G MIMO測試都是透過空中傳輸（OTA）來進行的。在開發早期，OTA測試解決方案必須在天線涵蓋範圍內對3D波束特性進行分析，包括完整5G頻率和頻寬範圍的天線增益、旁瓣和零深度等等。

電磁輻射先期認證和相符性測試需要經過校驗的OTA測試解決方案，後者須涵蓋3GPP TS 38.141文件中的所有規範要求。須執行的關鍵測試如下所列：

‧ 輻射發射器特性測試需執行有效的等向性輻射功率（EIRP）OTA量測，以驗證頻率範圍內每個波束是否準確成形和其輻射功率大小。

‧ 調變品質測試可量測出測得的載波信號和空中傳輸的參考信號之間的差異，並以誤 差向量振幅（EVM）來表示。

‧ 頻外量測是指測試解決方案必須包含第二諧波，或是目前規範的 OTA 60 GHz，甚至未來還會高達100 GHz 以上。這是因為不斷會有新的更高頻率操作頻段加到規範中。

輻射接收器測試包括如動態範圍、選擇性和阻塞干擾等等量測，以測試接收器在有相鄰 干擾信號的情況下，它在其指定通道頻率接收所需信號的能力。此測試設置中需要多個高輸出功率的毫米波信號產生器，以克服毫米波的高路徑損耗。

毫米波頻率的OTA測試系統要求測試設備不僅要滿足頻率和頻寬要求，還要具備（優於待測裝置的）高效能，以能正確評估待測裝置的射頻特性。

3.最佳化基地台在真實世界情況的效能

5G需操作在更高頻率，具有更寬的通道頻寬，並使用多元件相位陣列MIMO技術來進行存取。這些環境中，信號傳播問題比比皆是，例如過高路徑損耗、多路徑衰減，及恐 嚴重影響系統性能的延遲傳播。工程師在進行5G設計評估時必須考量這些缺損，以確保在真實的衰減和干擾通道條件下能具備有效的系統性能。

要在現場執行這些類型的測試，需花上幾週，甚至幾個月來評估必須測試的實際地點有 哪些。將通道模擬器加進測試設置可加速您進行評估，並以MIMO技術所使用的真實同調複雜3D傳播通道來分析完整的端到端性能。

圖五顯示透過結合網路模擬器和通道模擬器，可在實驗室環境中模擬真實的無線電條件。它還包括毫米波收發模組，可在毫米波 操作頻段進行測試。這種測試設置對於進行不同通道條件的MIMO天線特性評估和設計最佳化很有幫助。

圖五 : 將網路模擬器結合通道模擬器和射頻收發模組。可在真實通道條件下進行基地台效能評估和最佳化

結語

MIMO和波束成形是5G的關鍵技術。雖然必須採用主動式相位陣列天線來克服信號傳播問題，但這項技術也帶來了許多新的測試挑戰。

為了部署具備多元件相位陣列天線技術的基地台，設計人員需解決更高的毫米波路徑損耗，驗證OTA上3D天線波束場形的射頻特性，並且在真實條件下將基地台效能最佳化。工程師需要的測試解決方案，需能涵蓋寬範圍的頻率和頻寬要求，同時透過高輸出功率來 實現更高SNR的多通道配置，使基地台能夠偵測到5G信號並執行信號解調。理想的測試解決方案提供靈活性和可擴充性，以滿足舉凡特性分析到OTA驗證的多種5G測試要求，並能採用真實的通道條件將設計的系統性能進行最佳化。