5G Advanced－扩展5G技术详解

随着新技术在3GPP Rel-18的应用，5G Advanced将迎来新的机遇，可以扩展到以前版本无法实现的应用领域。扩展现实（XR，用作AR和VR的总称）是未来几年最受期待且有望实现增长的领域之一。这些应用所需的无线连接的性质意味着，上行链路和下行链路方向的高吞吐量和超低延迟对于成功实现至关重要。这些是即将发布的3GPP版本的重点领域，应能使这些应用将后续版本用作开发平台。

另一个同样需要高吞吐量和低延迟的关键应用是先进汽车连接。“软件定义汽车”一词的使用率越来越高，但此类汽车的可行性要依赖于先进的远程信息处理、对ADAS/AD系统的数据访问，并需要在车辆中部署双SIM调试解调器以实现更好的乘客连接性，这意味着汽车的功能受限于支持这些技术的网络连接是否强大。

这些只是5G Advanced及未来通信技术潜在新应用的几个示例，其他有前景的5G Advanced和6G发展领域还包括广域物联网扩展、5G工业网络、精确定位和非地面网络(NTN)等。

^{图2：5G至6G技术的改进空间。}

^{图片参考由Samsung Research的Advanced Communications Research Center提供}

这些应用将改变人们在日益互联的世界中进行通信和交互的方式。当然，只有能够满足挑战性技术需求的特定技术才能实现这些应用。这需要增强和优化现有技术，开发新型实现方法，也许最重要的是，要有测试并快速开发设备的方法来实现既定目标。

在深入探讨5G Advanced的具体细节和相关变化之前，值得一提的是，这是一种很大程度上以PHY/RF为中心的观点。在更高层次上，还进行了其他一些创新，包括网络切片、RAN分散基础（包括O-RAN）、对非公共网络（如校园网络）的支持，以及与LTE相比更出色的QoS功能，旨在满足增强型移动宽带、高可靠低延时通信和海量物联网通信的需求。虽然这些对于未来无线网络的实现和部署至关重要，但本技术白皮书将重点介绍PHY层的改进以及一些相关的测试影响。

5G的推出催生了诸多实用技术，可提高数据速率、频谱效率并降低延迟，从而实现前所未有的性能；5G Advanced将延续这一趋势，并在之前版本的基础上继续发展。

低带宽UE

Rel-18的改进之处包括功耗降低以及使用5、10和20 MHz带宽的UE规格。对于开发所谓的缩减容量(REDCap)设备，这些要求则带来了新的挑战。随着功耗的降低，功耗测量的精度也变得更低，在进行这些测量时，动态范围、本底噪声和绝对精度变得更加重要。关键性能指标、消耗模型和评估方法需要通过设定的测试标准来明确定义。

一个需要进行新测试的例子是BS向UE发送“唤醒”信号或启用gNB“休眠模式”。这两种情况均支持关闭组件，因此闲置时不会消耗电力，这可以大幅提高网络设备的效率。但是，如果实现不当，可能会带来不利影响。快速、高效、可靠且延迟更低的“唤醒”信号对于确保更大限度地提高可靠性和网络容量以及减少设备连续开关时的延迟至关重要。

降低BS和UE侧的功耗（绿色网络）

影响网络效率的另一个因素是单个组件的效率。RF前端需要进行优化，以确保充分降低功耗。5G Advanced旨在降低功耗并提高网络效率，实现方法是优化数字预失真(DPD)算法以提高线性度，或通过包络跟踪提高功率放大器(PA)效率。这两种方法都需要一个高度通用的开放式系统，以便进行快速特性分析和可视化，轻松实现更广泛的测试用例，并能够测试5 MHz至400 MHz的带宽。转换测试用例时效率低下（或设置时间长）可能意味着验证时间明显延长，从而影响产品上市时间。

由于DPD算法有多种选择，且变得越来越复杂，特别是功率放大器设计也变得越来越复杂，DPD的实现可能具有挑战性。例如，许多DPD算法已无法跟上不同频率和功率水平下动态变化范围更大的功率放大器行为。此外，DPD通常需要三到五倍的信号带宽才能正确实现。对于某些最新的5G NR波形，这可能意味着带宽范围为1600至2000 MHz。

NI在PA验证中将许多此类挑战考虑在内，并希望通过特定解决方案来解决这些挑战，这些解决方案支持广泛的DPD定制，同时仍然易于实现和分析。

详细了解在DPD条件下评估功率放大器的RFFE验证

针对FR2频率的方法变更

毫米波(FR2)规范和测试方法发生了一些明显的变化。其中一项是支持适用于FR2-1 (24.25 - 52.6 GHz)的UL 256-QAM。这种调制方案在较高频率范围内实现起来非常棘手。频率越高，带宽越宽，本底噪声越高，调制精度就越难保证，尤其是在FR2频率下，路径损耗更大，精度更低。即使在这些较高频率下也能实现低EVM测量的测试设备是成功实现的必要条件。

^{图3：54 GHz扩频PXIe-5842}

54 GHz扩频PXIe-5842具有高达54 GHz的覆盖范围，可全面覆盖5G FR2频率，并为更高阶调制方案提供出色的EVM性能。

详细了解使用PXI VST的毫米波测试

除了毫米波频率的变化之外，Rel-18中影响测试工程师的更显著进步之一是FR2测试方法的变化。这是Rel-15至Rel-17中进步的延续，但也有一些明显的例外。首先是两个面板上最多包含4个DL MIMO。由于多个面板同时处于活动状态，即使是对相邻通道的微小功率泄漏也可能导致信号质量下降，必须实现真正的相位相干同步才能确保共存。虽然FR2测试方法的这一变化以及到目前为止讨论的许多其他发展，都是之前5G开发的延续，但它们都包含向6G无线网络方向新实践的有意转变，我们接下来将进一步探讨这一点。 

如前所述，3GPP Rel-18是第一个使用“5G Advanced”说法的版本。这是因为人们越来越关注蜂窝通信的未来：6G。许多改进将为这一过渡奠定基础，其中包括高级MIMO演进、全双工天线阵列的实现以及空中接口上的AI/ML。

^{图4：5G Advanced徽标}

高级MIMO演进

迄今为止，由于天线尺寸较大，MIMO系统在低频下仍不可行。模块化大规模多输入多输出(mmMIMO)的出现将扭转这一局面。顾名思义，这将实现基站天线部署方式的标准化，并通过模块化天线组件的空间分布来尽可能减少占用空间。

^{图5：mmMIMO部署图}

MIMO天线阵列的这种标准化旨在降低成本并减少基站组件的开发工作。独立的天线模块类似于积木，可以通过模块化的方式降低实现的复杂性；它们能够以不同的方式组合成天线阵列，使其更能适应预定区域的空间限制。另一种有助于减少实现限制的方法是在更大的区域内对阵列进行物理空间分布。图5是不同的独立天线模块在预定义的结构或建筑物上协同运行的示例。

虽然这可通过分散大型要素来显著减少空间限制，但其实现仍面临一些挑战。分布式天线阵列需要超低延迟连接，这需要物理上相距较远的基站组件实现更好的定时和同步。分布式天线也需要更精确的校准才能实现可靠的连接，而分散式RAN架构的实现引入了基于基站组件之间标准化接口的新测试用例。更复杂的实现意味着更高的测试复杂性，每个子系统连接都需要一定程度的集成，而完整的在环系统级测试（可能很难设置）也会变得越来越普遍。

NI与合作伙伴携手，共同应对传统RAN和开放式RAN中日益复杂的基站组件测试所面临的挑战。NI与Spirent Communications合作开展了开放式RAN O-RU验证，通过强大的仿真功能对O-RU进行全面验证。NI及其合作伙伴的专业知识有助于简化复杂的无线基础结构测试开发。 

详细了解NI无线基础结构测试解决方案

实现全双工的途径

提高5G Advanced速度和性能的另一项进步是实现全双工传输。直到近期，这在高功率应用中仍不可行，仅用于WiFi等低功率应用。这种技术称为子带全双工（SBFD或XDD），可使用同一TDD频段内不重叠的相邻子信道同时进行上行链路和下行链路传输，从而实现超低延迟和高可靠性的连接。

这可以通过基站的自干扰消除(SIC)实现，此技术支持在单个信道、子信道、一对部分重叠的信道或同一频带中的任意一对信道上同时传输数据。这将在不影响吞吐量的情况下提高频谱使用效率；与传统FDD相比，SBFD所需的频谱更少，同时还能保持连续的UL和DL传输，并实现TDD无法实现的低延迟。对于5G Advanced，这一进步主要应用于基站侧，UE侧并无重大变化。

当然，SBFD在实现过程中会遇到许多需要解决的技术挑战。在同步传输过程中，上行和下行方向的干扰要大得多，因此在开发过程中需要（并测试）新的抑制技术。这可能包括RF前端中新的电路或滤波、DPD等数字实现或其他形式的数字信号处理(DSP)。无论如何，这都是另一组需要验证、记录和分析后才能正确实现的测试用例。

^{图6：子带全双工(SBFD)结构框图}

SBFD是一项至关重要的进步，因为它可能是实现单频全双工(SFFD)或真全双工（使用相同频率进行双向通信）的众多步骤中的第一步。全双工将为RF前端开发带来独特的挑战，并将成为未来6G 3GPP版本的主要讨论话题和技术挑战。

移动毫米波技术演变

移动毫米波技术正在发生重大变化。集成接入回程(IAB)旨在扩展汽车和火车上的功能，以在sub-6 GHz和毫米波部署中实现更好的覆盖。此外，在未授权的5 GHz和6 GHz频段上优化的侧链路操作、多波束操作和侧链路载波聚合将通过进一步集成网络上的设备，将连接性和可靠性提高到新的水平。侧链路增强功能包括支持设备到设备（UE到UE）中继的机制，支持用户通过其他用户接收来自网络的信息。 

与传统的单一上行链路和下行链路连接不同，在5G Advanced网络上运行的设备将与连接网络连接，从而增加了通信方式的复杂性。对于未来5G设备的RF前端和数字信号处理(DSP)而言，由于同时存在多个上行链路、下行链路和侧链路连接，如何在频率、时间、方向和空间方面拆分每个链路上的信息将日益复杂。

FR3频率

毫米波尚未像几年前所预测的那样得到广泛采用。虽然它确实有对应的用例，并且在一些小众应用（如超高密度、高流量应用，包括体育场或市中心等）中有所发展，但事实证明，它的广泛实现在技术上具有挑战性且成本高昂。由于毫米波的传输距离较短，因此需要许多小型基站，而且现有的网络基础结构无法重新用于毫米波频率。

尽管5G毫米波发展缓慢，但还有另一个潜在的频谱范围，有可能融合两者的优点。另一种选择可将毫米波的优势（高吞吐量和相对开放的频谱）与sub-6 GHz蜂窝网络易于实现和覆盖范围更大的优势相结合。 

无线频谱中的这个“理想方案”被称为FR3。它包含7.125 GHz至24.25 GHz的频率，是蜂窝通信的折衷方案，兼顾了sub-6 GHz和毫米波频率的优缺点。 

^{图7：蜂窝频段}

虽然从技术上来看，FR3频率的测试并不像毫米波测试那样具有挑战性，但用于UE和基础结构的RF前端不会仅在这些频率上运行。sub-6 GHz、FR3和毫米波频率可混合使用，并经常用于相同的RF前端和系统。这无疑会增加测试案例，包括每个不同频率范围的测试案例，以及多个频率范围同时互操作和共存的测试案例。

^{图8：PXIe-5842矢量信号收发仪}

PXIe-5842的连续频率覆盖范围高达26.5 GHz，非常适合满足sub-6 GHz和FR3频率的测试要求，是面向未来的综合测试系统的核心仪器。

详细了解PXI矢量信号收发仪

支持AI的空中接口

5G Advanced的最后一个重大进步，也是从长远来看可能会产生最重大影响的进步，是用于支持NR的空中接口的AI/ML。虽然这些潜在变更的影响仍有待观察，但它无疑是一个热门话题，引起了业内许多主要参与者的极大兴趣。AI/ML很可能会改变系统测试的方式，从参数测试方法转向更加基于场景的测试方法。

支持AI的蜂窝网络可以大幅提高效率，自动执行以前需要人工干预的任务。为此，从网络基础结构收集的大量数据可帮助这些智能网络解决复杂的问题，并根据需要在更灵活的系统中实现解决方案。

5G非地面网络(NTN)

5G NTN是专为5G设计的一种卫星通信形式，涉及使用卫星实现物联网和宽带连接。虽然其用例仍有待确定，但在UE、联网车辆以及固定和广播卫星服务中的潜在用途使其成为一个有吸引力的发展领域。时至今日，许多UE在设计上都具有某种形式的NTN功能，为真正的全球通信奠定了基础，即使是在远离现有蜂窝基础结构的偏远或农村地区也是如此。

虽然这种功能可能会改变我们在全球范围内的通信方式，但NTN需要解决一些固有的技术挑战。卫星通信的性质会带来高延迟、多普勒频移和路径损耗。这是因为UE与卫星的距离较远，相对于静止物体的速度较快，以及仰角、波束覆盖和大气干扰对传输信号的影响。此外，针对NTN通信提议的一些潜在频率覆盖从L波段的几MHz到带宽高达5 GHz的Ka或Ku波段的范围，而不同的波形会产生不同的行为。

^{图9：不同卫星位置的多普勒频移量不同}

详细了解适用于5G及未来通信技术的NTN测试

进入讨论范围的主题很多，每个主题对负责设计、验证和生产5G Advanced设备的工程师都有不同的影响。在讨论了许多场景考虑因素的同时，也会有一些超越大多数5G Advanced具体开发的通用性话题。

其中之一就是5G Advanced的发展将带来测试用例的大量增加。每台新的5G Advanced设备都会引入许多可配置的参数，每个参数都需要通过许多不同的测试用例进行验证。从更多的调制类型到不同频率的多天线阵列、同步的上行和下行连接，再到UE至UE的侧链路传输和功率效率考虑因素，5G Advanced需要验证的场景更多。这将大幅增加测试用例的数量，这意味着高效的设备循环验证方法是确保产品快速上市同时持续从收集的数据中获取有意义见解的关键。

另一个例子是，为实现这些开发，需要不断更新规范，而我们很难跟踪这些更新，以确保纳入新的测试用例和测量，并满足规范要求。RFmx每季度发布一次，并提供标准专用工具（如RFmx NR），是适合用于基于标准的测量的工具。

^{图10：用于无线测试应用的完整硬件和软件解决方案}

此列表并不全面，随着蜂窝技术的不断发展，还将出现许多独特和新颖的测试要求。NI的目标是在此过程中成为优秀的合作伙伴，提供开发下一代和未来无线通信所需的工具、工作流程和系统。如需详细了解NI如何帮助您为未来的无线通信做好准备，请联系NI并咨询技术专家。

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