5Gには、ワイヤレステストへの新しいアプローチが必要です

Charles Schroeder

5Gは、私たちの生活を大きく変える可能性を秘めていると、NationalInstrumentsのビジネスおよびテクノロジーフェローであるCharlesSchroeder氏は述べています。より良いビジネスコミュニケーションから、よりスマートな家や工場、自動運転車の進歩まで。このような変換を可能にするには、5Gワイヤレスデバイスは、前世代と比較して、より高速で、待ち時間が短く、比類のない接続性を備えている必要があります。その結果、構成がより複雑になるため、テストへの新しいアプローチが必要になります

以前は、テストエンジニアは、RF半導体から基地局や携帯電話に至るまで、無線通信技術を大量にテストするために、受け入れられている一連の測定と技術を繰り返し行っていました。 5Gを使用すると、これらのワイヤレスデバイス内のテクノロジーはより複雑になるため、前世代のテストに使用されてきた高度に最適化された技術を再考する必要があります。 5Gテクノロジーのパフォーマンスを検証するには、現在使用されているケーブル方式ではなく、無線（OTA）方式で5Gコンポーネントとデバイスをテストする必要があります。

帯域幅を拡大する新技術

5G規格の主な目標の1つは、ユーザーデータの需要の増加に対応するために、データ容量をユーザーあたり10Gbpsに大幅に増やすことです。しかし、これを達成するために、新しいテクノロジーが導入されています。まず、5G仕様にはマルチユーザーMIMO（MU-MIMO）テクノロジーが含まれており、ビームフォーミングテクノロジーを通じてユーザーが同じ周波数帯域を同時に共有し、ユーザーごとに独自の集中ワイヤレス接続を作成できます。第二に、5G規格は、より多くの無線スペクトルを追加し、センチメートルおよびミリ波（mmWave）周波数に拡張します。

MU-MIMOテクノロジーとmmWaveテクノロジーの両方の物理的な実装では、前世代のセルラー標準よりもはるかに多くのアンテナ要素を使用します。物理学の法則では、ミリ波周波数の信号は、現在の携帯電話周波数の信号よりも、自由空間を移動するときにかなり速く減衰することが示されています。したがって、同様の送信電力レベルの場合、ミリ波の携帯電話周波数は、現在の携帯電話帯域よりもはるかに狭い範囲になります。

この経路損失を克服するために、5G送信機と受信機は、同時に動作するアンテナアレイを利用し、現在のデバイスの帯域ごとに1つのアンテナではなく、ビームフォーミング技術を使用して信号電力をブーストします。信号電力を増やすためには重要ですが、これらの同じアンテナアレイとビームフォーミング技術は、MU-MIMO技術を実装するために重要です。

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これらすべてのアンテナを将来の携帯電話に適合させるために、ミリ波周波数のアンテナは、現在の規格で使用されているセルラーアンテナよりもはるかに小さくなります。アンテナインパッケージ（AiP）などの新しいパッケージング技術により、これらのアンテナを最新のスマートフォンの小さなスペースの制約に簡単に統合できますが、アンテナのアレイは、直接接触可能なテストポイントなしで完全に囲まれている可能性があります。

OTAが新しい課題に対処する方法

テストエンジニアにとって、周波数の増加、新しいパッケージテクノロジー、およびアンテナ数の増加により、資本コスト（テスト機器のコスト）と運用コスト（各デバイスのテスト時間）の両方の増加を制限しながら、品質を高く維持することが困難になります。新しいOTA手法は、これらの問題を克服するのに役立ちますが、いくつかの課題も提示します。

第一に、測定精度は難しいでしょう。ケーブルテストとは異なり、OTA測定を行う場合、テストエンジニアは、アンテナのキャリブレーションと精度、フィクスチャの許容誤差、および信号の反射に伴う追加の測定の不確かさに対処します。次に、電波暗室の統合、ビームの特性評価、最適なコードブックの計算、アンテナパラメータの特性評価のために、まったく新しい測定値をデバイスのテスト計画に統合する必要があります。

第三に、RF帯域幅が増加し続けると、これらの広い帯域幅で校正および測定を行うための処理ニーズも増加し、テスト時間の懸念が増します。最後に、テストマネージャーは、市場投入までの時間、資本コスト、運用コスト、およびフロアスペース（OTAチャンバーに対応するため）への影響を最小限に抑えながら、製品の品質を確保するために追加のビジネス上の考慮事項を作成する必要があります。

OTAには課題がありますが、メリットもあります。まず、OTAはAiPテクノロジーの唯一のオプションです。これは、アンテナアレイがパッケージ内に統合されており、アレイエレメントに直接ケーブル接続する方法がないためです。テストエンジニアが実施されたテスト方法を使用して個々のアンテナ要素に接触できたとしても、それらを並列にテストするか、直列にテストするかという難しい選択に直面します（テスト時間とスループットの運用コストがかかります）。多くの技術的な問題を解決する必要がありますが、OTAテストでは、アレイを個々の要素のセットではなくシステムとしてテストできる可能性があります。これにより、システムレベルのテストの効率が向上する可能性があります。

これまで、テスト機器のサプライヤとエンジニアは、市場投入までの時間とテストのコストを最小限に抑えながら、パフォーマンスと複雑さを増すテストの課題を克服することに成功しました。ですから、私は彼らが5Gで再びそれを行うことができると確信しています。今日、5Gのテストの課題は複雑に見えますが、世界中のエンジニアは、5Gを明日商業的に成功させるために必要な、OTAなどの新しいテスト機器と方法の開発において大きな進歩を遂げています。

著者は、NationalInstrumentsのビジネスおよびテクノロジーフェローであるCharlesSchroederです。