NI解讀5G產(chǎn)業(yè)測(cè)試趨勢(shì)，平臺(tái)化方案有效應(yīng)對(duì)研發(fā)挑戰(zhàn)

都說(shuō)2020年是5G商用元年。而在剛剛過(guò)去的2016年里，HUAWEI、Nokia、Ericsson、Qualcomm、AT&T、Optus、CMCC等設(shè)備商與運(yùn)營(yíng)商積極合作測(cè)試5G，早已蠢蠢欲動(dòng);ITU也很及時(shí)地公布了5G時(shí)間表等重要消息，憧憬萬(wàn)物互聯(lián)應(yīng)用巨大市場(chǎng)的業(yè)界對(duì)5G可說(shuō)更是期待萬(wàn)分。

而業(yè)內(nèi)公認(rèn)2018年5G將確立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這之前將是一場(chǎng)大角力。“在現(xiàn)階段原型化在5G的標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)過(guò)程中是非常重要的一個(gè)步驟，可以推動(dòng)5G從概念到落地實(shí)現(xiàn)!”NI中國(guó)區(qū)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理姚遠(yuǎn)先生在不久前召開(kāi)的第六屆EEVIA年度中國(guó)ICT媒體論壇暨2017產(chǎn)業(yè)和技術(shù)展望研討會(huì)上這樣說(shuō)道。他從SDR原型挑戰(zhàn)入手，同時(shí)結(jié)合5G的高帶寬、爆炸性萬(wàn)物互連測(cè)量需求以及任務(wù)關(guān)鍵性應(yīng)用場(chǎng)景的極低時(shí)延Timing要求，詳細(xì)闡述了5G測(cè)試趨勢(shì)和最先進(jìn)的平臺(tái)化方案。

圖1：NI中國(guó)區(qū)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理姚遠(yuǎn)EEVIA年度論壇發(fā)表演講。

如何克服開(kāi)發(fā)語(yǔ)言多樣化的原型階段障礙

軟件定義無(wú)線電SDR(SoftwareDefinedRadio)是目前進(jìn)行原型化的重要手段，IEEE對(duì)SDR技術(shù)的定義是“部分或者全部物理層功能通過(guò)軟件定義完成”，簡(jiǎn)易框圖如下圖所示。右側(cè)的射頻硬件部分，由于集成度、頻率范圍、可調(diào)帶寬以及功耗等方面的局限性，在過(guò)去是一個(gè)瓶頸。但近幾年，一些頂尖廠商推出了高集成度、高頻率范圍和高通道帶寬的標(biāo)準(zhǔn)化可編程射頻收發(fā)器產(chǎn)品，在很大程度上解決了這個(gè)問(wèn)題。所以，存在于CPU、GPP、DSP、FPGA中待開(kāi)發(fā)的下圖左側(cè)軟件部分，其重要性也愈發(fā)顯現(xiàn)出來(lái)。

圖2：軟件定義無(wú)線電架構(gòu)。

但對(duì)許多開(kāi)發(fā)者而言，在SDR系統(tǒng)中，利用軟件代碼去定義硬件前端是一個(gè)首要的挑戰(zhàn)。因?yàn)榭晒┻x擇的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言種類(lèi)眾多、標(biāo)準(zhǔn)不一。Matlab、C、C++、Assembly、VHDL、Verilog等眾多開(kāi)發(fā)語(yǔ)言都可以應(yīng)用在5G、SDR等開(kāi)發(fā)場(chǎng)景與技術(shù)構(gòu)想中。最后實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)的過(guò)程中，并不限于某一種語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)者與科研工作者浪費(fèi)了大量寶貴的時(shí)間在學(xué)習(xí)不同的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言與開(kāi)發(fā)工具上，這顯然不是一個(gè)高效率的做法。目前，NI可提供一整套完整的實(shí)現(xiàn)SDR原型化的工具系列，包含LabVIEW在內(nèi)的開(kāi)發(fā)工具，提供LTE、WiFi及物理層的一些開(kāi)源源代碼，開(kāi)發(fā)者可在此基礎(chǔ)上利用，這一優(yōu)勢(shì)毋庸置疑。

圖3：NI可提供完整的無(wú)線快速原型化的革命性平臺(tái)工具。

搭一個(gè)應(yīng)對(duì)5G高頻高帶寬的高精度超級(jí)儀器!

如前邊提及到的，很多設(shè)備廠商在測(cè)試5G，比如Nokia在2014年就使用NILabVIEW和PXI基帶模塊來(lái)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)用的5G概念驗(yàn)證系統(tǒng)。后續(xù)也利用NI的毫米波信號(hào)收發(fā)器系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了第一代10Gbps可處理流數(shù)據(jù)的毫米波通信鏈路。姚遠(yuǎn)在演講中，介紹了Nokia在幾個(gè)重要場(chǎng)合展示的基于NI平臺(tái)方案的5G峰值速率等測(cè)試。

圖4：Nokia與NI合作進(jìn)行的5G峰值速率等測(cè)試

同樣是使用73GHz頻段的信號(hào)，Nokia在2014年的測(cè)試展示中，通過(guò)one-by-one的單入單出架構(gòu)，采用16QAM的調(diào)制方式，在1GHz的帶寬中實(shí)現(xiàn)了2.3Gbps的峰值速率。而在2015年和2016年的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)MIMO的二乘二架構(gòu)，或采用更復(fù)雜的64QAM調(diào)制方式，分別實(shí)現(xiàn)了10Gbps和14.5Gbps的峰值速率。請(qǐng)注意，這是傳輸碼元的速率。單論峰值速率這一點(diǎn)，已經(jīng)達(dá)到了5G的標(biāo)準(zhǔn)。

速率的突破是5G勢(shì)如破竹的利劍，而高效精確的測(cè)試測(cè)量方案則是5G保駕護(hù)航的盾牌!對(duì)于科研工作者而言，如何去測(cè)試這些高頻率范圍、高通道帶寬的通訊信號(hào)呢?NI公司推出的矢量信號(hào)收發(fā)儀(VST)是這一方面的先驅(qū)者產(chǎn)品。早在5年前，NI第一次在中國(guó)地區(qū)發(fā)布了第一版的矢量信號(hào)收發(fā)儀，作為NI歷史上最成功的硬件產(chǎn)品之一，結(jié)合了RF生成器、RF分析儀、數(shù)字I/O以及可使用LabVIEW編程的Xilinx FPGA。

圖5：NI的第二代VST(矢量信號(hào)收發(fā)儀)。

VST2.0將Xilinx FPGA升級(jí)為Virtex-7，具有1GHz的及時(shí)帶寬，可用于高級(jí)數(shù)字預(yù)失真(DPD)測(cè)試和雷達(dá)、LTE-Advanced Pro和5G等高寬帶信號(hào);其高測(cè)量精度，該儀器的誤差矢量幅度(EVM)可以達(dá)到-50dB。用戶(hù)可以進(jìn)行軟件自定義是其重要核心。因?yàn)镹I LabVIEW FPGA模塊擴(kuò)展了LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，以便在可重配置I/O硬件上應(yīng)用FPGA，NI的VST正是其中之一。

“而我們知道LabVIEW能夠清楚表現(xiàn)并行架構(gòu)和數(shù)據(jù)流的優(yōu)勢(shì)，使其非常適用于FPGA程序的編寫(xiě)。甚至你腦洞大開(kāi)，嘗試把四塊VST拼在一起，你將會(huì)看到一個(gè)超過(guò)3.5GHz帶寬的超級(jí)儀器!“姚遠(yuǎn)指出。

圖6：四塊VST拼在一起的超過(guò)3.5GHz帶寬的超級(jí)儀器。

平臺(tái)化測(cè)量解決方案應(yīng)對(duì)IoT時(shí)代海量聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

在本屆EEVIA年度論壇上，NI的姚遠(yuǎn)引用Gartner在早前的報(bào)告中指出，到2020年，接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)量將超過(guò)500億。在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景中，500億設(shè)備都需聯(lián)網(wǎng)與測(cè)量;采用低效率的一對(duì)一測(cè)量方式顯然是無(wú)法滿(mǎn)足需求的。而物聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)景中，對(duì)數(shù)據(jù)的采集與分析又是不可或缺的。如何在需求與效率中尋求平衡，實(shí)現(xiàn)大范圍的高精度測(cè)量，將是物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中不可繞過(guò)的挑戰(zhàn)!

他說(shuō)：“舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，Google收購(gòu)的Nest公司最為人們熟知的產(chǎn)品是恒溫器，在下圖中，我們可以看到Nest恒溫器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從右往左看，分別有各種各樣的Sensor、OFN模塊、電池、ZigBee、藍(lán)牙、WiFi模塊等部分。它還肩負(fù)了一些其他功能,如煙霧探測(cè)器支持IFTTT(功能)，在探測(cè)到有害煙霧之后向用戶(hù)的鄰居發(fā)送一條求救短信。或者與家里的空調(diào)和加濕器連接，聯(lián)合控制這些家居設(shè)備的開(kāi)關(guān)。又或者通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)連接LIFX智能燈泡，再由Nest設(shè)備來(lái)判斷用戶(hù)的狀態(tài)進(jìn)而調(diào)節(jié)亮度等等。它的角色更像智能家居的大腦，兼顧處理著多種數(shù)據(jù)，而這一切都是無(wú)線連接的。不難想象，未來(lái)我們面對(duì)這樣的無(wú)線場(chǎng)景將是“家常便飯”。所以問(wèn)題來(lái)了，面對(duì)這樣復(fù)雜的多路通訊，怎么去高效地測(cè)量這些信號(hào)呢?NI公司基于PXI平臺(tái)的模塊化儀器系統(tǒng)為此提供了一種“打破常規(guī)”的解決思路。

圖7：NI提供測(cè)試智能設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái).

“絕大多數(shù)的傳統(tǒng)儀器都是單通道矢量信號(hào)發(fā)射或者分析，少數(shù)儀器可以擴(kuò)展成雙通道矢量信號(hào)分析，也都是獨(dú)立射頻信道，理論上無(wú)異于使用兩臺(tái)獨(dú)立的臺(tái)式儀器。使用獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器進(jìn)行MIMO測(cè)試，遇到的最大困難是，如何讓各個(gè)射頻通道進(jìn)行同步相干采集，并針對(duì)原始信號(hào)做有效解調(diào)及分析。傳統(tǒng)臺(tái)式儀器通常是依靠共享同一參考時(shí)鐘的方式來(lái)進(jìn)行同步，其相位精度很難得到保證。這時(shí)，基于PXI平臺(tái)的模塊化儀器的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來(lái)，由于模塊化儀器其本振，上/下變頻器，數(shù)字化儀以及任意波形發(fā)生器是分開(kāi)的，我們可以很容易的將同一個(gè)本振信號(hào)共享給多個(gè)上/下變頻器，獲得一個(gè)更加精準(zhǔn)的相位相干多路信號(hào)，或者針對(duì)MIMO系統(tǒng)的輸出射頻信號(hào)進(jìn)行分析。“姚遠(yuǎn)闡述道。

一方面，在成本與體積上，PXI平臺(tái)使用現(xiàn)成可用技術(shù)的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn);另一方面，這是一種軟件定義的模塊化解決方案，其具有非常強(qiáng)大的靈活性與可擴(kuò)展性，不斷支持演進(jìn)的通信標(biāo)準(zhǔn)。如圖中的NI標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試儀器，模塊化使其能夠?qū)崿F(xiàn)如VST用于測(cè)量WiFi、ZigBee、藍(lán)牙等信號(hào)，SMU用于測(cè)量電池，DAQ則用于測(cè)量各種各樣的Sensor，再搭配LabVIEW圖像化編程的優(yōu)勢(shì)，這在測(cè)量上無(wú)疑是具有突破性的。

無(wú)人駕駛等任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用的極低時(shí)延仿真探討

除了帶寬之外，Timing時(shí)延對(duì)未來(lái)很多前景應(yīng)用也非常重要。尤其是在無(wú)人駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療這些任務(wù)關(guān)鍵型的應(yīng)用，對(duì)于延遲和穩(wěn)定性有非常高的要求。如無(wú)人駕駛，需要分辨人和樹(shù)。緊急情況下，車(chē)可以選擇撞樹(shù)、但絕對(duì)不能去撞人。那么在開(kāi)發(fā)過(guò)程中怎么模擬場(chǎng)景，怎么將場(chǎng)景快速地進(jìn)行仿真，就需要有系統(tǒng)性的解決辦法，可以使用不同技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖8：兼顧低時(shí)延與靈活性的技術(shù)選擇。

“如圖8中最上邊的納秒級(jí)別的Backplane同步技術(shù)，精確、時(shí)延低，但靈活性不高;又比如用于開(kāi)發(fā)的LabVIEW軟件，其內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是較高的延遲，卻有很好的靈活性。我們需要針對(duì)不同的Timing場(chǎng)景，選擇利用不同的技術(shù)。”姚遠(yuǎn)指出。

后記

測(cè)試測(cè)量的模塊化架構(gòu)最早由NI提出，其在這一領(lǐng)域也有超過(guò)10年的積累。產(chǎn)品的豐富性、多樣性、以及與軟件無(wú)縫結(jié)合的特點(diǎn)都是其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。無(wú)論如何，在IMT-2020(5G)推進(jìn)組的組織下，5G研發(fā)與測(cè)試正在按照規(guī)劃的時(shí)間周期進(jìn)行中，相信在2020年的奧運(yùn)會(huì)上，5G就會(huì)綻放耀眼的光彩!