5G requer uma nova abordagem para teste sem fio

Charles Schroeder
5G tem o potencial de transformar significativamente nossas vidas, diz Charles Schroeder, bolsista de Negócios e Tecnologia da National Instruments. De melhores comunicações comerciais a casas e fábricas mais inteligentes e avanços em veículos autônomos. Para permitir essas transformações, os dispositivos sem fio 5G precisarão ser mais rápidos, ter uma latência mais baixa e ter conectividade incomparável em comparação com as gerações anteriores. Como resultado, eles serão mais complexos em sua composição e, portanto, exigem uma nova abordagem de teste

Anteriormente, os engenheiros de teste faziam iterações em um conjunto aceito de medições e técnicas para testar a tecnologia de comunicação sem fio em grandes volumes, de semicondutores de RF a estações base e telefones móveis. Com o 5G, a tecnologia dentro desses dispositivos sem fio será mais complexa, portanto, as técnicas altamente otimizadas que foram usadas para testar as gerações anteriores precisarão ser repensadas. Testar componentes e dispositivos 5G com métodos over-the-air (OTA) em vez dos métodos cabeados atualmente em uso será necessário para validar o desempenho da tecnologia 5G.

Novas tecnologias para aumentar a largura de banda

Um dos principais objetivos do padrão 5G é aumentar significativamente a capacidade de dados para 10 Gbps por usuário, para atender ao aumento da demanda de dados do usuário. Mas para conseguir isso, novas tecnologias estão sendo introduzidas. Primeiro, a especificação 5G inclui a tecnologia Multiuser MIMO (MU-MIMO) que permite aos usuários compartilhar simultaneamente a mesma banda de frequência por meio da tecnologia de formação de feixes, criando conexões sem fio exclusivas e focadas para cada usuário. Em segundo lugar, o padrão 5G adiciona mais espectro sem fio, expandindo em frequências centimétricas e milimétricas (mmWave).

As implementações físicas das tecnologias MU-MIMO e mmWave usam significativamente mais elementos de antena do que as gerações anteriores de padrões celulares. As leis da física determinam que os sinais nas frequências mmWave serão atenuados consideravelmente mais rápido à medida que viajam pelo espaço livre do que os sinais nas frequências celulares atuais. Portanto, para um nível de potência transmitido semelhante, as frequências celulares mmWave terão um alcance muito menor do que as bandas celulares atuais.

Para superar essa perda de caminho, os transmissores e receptores 5G utilizarão conjuntos de antenas trabalhando simultaneamente e usando a tecnologia de formação de feixes para aumentar a potência do sinal, em vez de uma única antena por banda nos dispositivos atuais. Embora importantes para aumentar a potência do sinal, esses mesmos arranjos de antenas e técnicas de formação de feixes são cruciais para a implementação de técnicas MU-MIMO.





Para encaixar todas essas antenas nos telefones celulares de amanhã, as antenas nas frequências mmWave serão muito menores do que as antenas de celular usadas para os padrões atuais. Novas tecnologias de embalagem, como antena em pacote (AiP), irão facilitar a integração dessas antenas nas pequenas restrições de espaço do smartphone moderno, mas os arranjos de antenas podem ser completamente fechados sem quaisquer pontos de teste diretamente contatáveis.

Como OTA pode enfrentar novos desafios

Para engenheiros de teste, as frequências aumentadas, novas tecnologias de pacote e maior contagem de antenas dificultarão manter a alta qualidade, enquanto limitam os aumentos nos custos de capital (custo do equipamento de teste) e nos custos operacionais (tempo para testar cada dispositivo). As novas técnicas de OTA ajudarão a superar esses problemas, mas também apresentam alguns desafios.

Em primeiro lugar, a precisão da medição será um desafio. Ao contrário dos testes de cabo, ao fazer medições OTA, os engenheiros de teste lidarão com a incerteza de medição adicional que vem com a calibração e precisão da antena, tolerância de fixação e reflexos de sinal. Em segundo lugar, novas medições devem ser integradas aos planos de teste do dispositivo para integração da câmara anecóica, caracterização do feixe, cálculo ideal do livro de código e caracterização do parâmetro da antena.

Em terceiro lugar, como as larguras de banda de RF continuam a aumentar, as necessidades de processamento para calibrar e fazer medições nessas larguras de banda também aumentam, o que aumenta as preocupações com o tempo de teste. Finalmente, os gerentes de teste devem fazer considerações adicionais de negócios para garantir a qualidade do produto enquanto minimizam o impacto no tempo de comercialização, custo de capital, custo operacional e espaço físico (para acomodar as câmaras OTA).

Embora a OTA apresente desafios, também oferece benefícios. Primeiro, OTA é a única opção para tecnologias AiP porque os arranjos de antenas são integrados dentro de um pacote sem nenhuma maneira de cabear diretamente para os elementos do arranjo. Mesmo que os engenheiros de teste pudessem contatar elementos de antena individuais usando métodos de teste conduzidos, eles enfrentariam a difícil escolha de testá-los em paralelo ou em série (às custas operacionais do tempo de teste e do rendimento). Muitos problemas técnicos ainda precisam ser resolvidos, mas o teste OTA oferece a possibilidade de testar o array como um sistema em vez de um conjunto de elementos individuais, o que poderia levar a promessas de maior eficiência do teste em nível de sistema.

No passado, os fornecedores e engenheiros de equipamentos de teste superaram com sucesso o desafio de aumentar o desempenho e a complexidade dos testes, ao mesmo tempo em que minimizam o tempo de entrada no mercado e o custo do teste. Portanto, tenho plena confiança de que eles podem fazer isso novamente para 5G. Embora os desafios de testar 5G pareçam complexos hoje, engenheiros em todo o mundo estão fazendo grande progresso no desenvolvimento de novos instrumentos e métodos de teste, como OTA, que são necessários para tornar o 5G um sucesso comercial amanhã.

O autor é Charles Schroeder, bolsista de Negócios e Tecnologia da National Instruments