La 5G nécessite une nouvelle approche des tests sans fil

Charles Schroeder

La 5G a le potentiel de transformer considérablement nos vies, déclare Charles Schroeder, chercheur en commerce et technologie, National Instruments. De meilleures communications d'entreprise aux maisons et usines plus intelligentes, aux progrès des véhicules autonomes. Pour permettre de telles transformations, les appareils sans fil 5G devront être plus rapides, avoir une latence plus faible et avoir une connectivité inégalée par rapport aux générations précédentes. En conséquence, ils seront plus complexes dans leur composition et nécessiteront donc une nouvelle approche des tests

Auparavant, les ingénieurs de test avaient itéré sur un ensemble accepté de mesures et de techniques pour tester la technologie de communication sans fil en grands volumes, des semi-conducteurs RF aux stations de base et aux combinés mobiles. Avec la 5G, la technologie à l'intérieur de ces appareils sans fil sera plus complexe, de sorte que les techniques hautement optimisées qui ont été utilisées pour tester les générations précédentes devront être repensées. Il sera nécessaire de tester les composants et les appareils 5G avec des méthodes OTA (over-the-air) au lieu des méthodes câblées actuellement utilisées pour valider les performances de la technologie 5G.

De nouvelles technologies pour augmenter la bande passante

L'un des principaux objectifs de la norme 5G est d'augmenter considérablement la capacité de données à 10 Gbit/s par utilisateur, afin de répondre aux demandes croissantes de données des utilisateurs. Mais pour y parvenir, de nouvelles technologies sont introduites. Premièrement, la spécification 5G inclut la technologie Multiuser MIMO (MU-MIMO) qui permet aux utilisateurs de partager simultanément la même bande de fréquences grâce à la technologie de formation de faisceau, créant des connexions sans fil uniques et ciblées pour chaque utilisateur. Deuxièmement, la norme 5G ajoute plus de spectre sans fil, s'étendant aux fréquences d'ondes centimétriques et millimétriques (mmWave).

Les implémentations physiques des technologies MU-MIMO et mmWave utilisent beaucoup plus d'éléments d'antenne que les générations précédentes de normes cellulaires. Les lois de la physique dictent que les signaux aux fréquences mmWave s'atténuent considérablement plus rapidement lorsqu'ils voyagent dans l'espace libre que les signaux aux fréquences cellulaires actuelles. Ainsi, pour un niveau de puissance transmise similaire, les fréquences cellulaires mmWave auront une portée beaucoup plus petite que les bandes cellulaires actuelles.

Pour surmonter cette perte de chemin, les émetteurs et récepteurs 5G utiliseront des réseaux d'antennes fonctionnant simultanément et utilisant la technologie de formation de faisceaux pour augmenter la puissance du signal au lieu de l'antenne unique par bande dans les appareils actuels. Bien qu'importants pour augmenter la puissance du signal, ces mêmes réseaux d'antennes et techniques de formation de faisceaux sont essentiels à la mise en œuvre des techniques MU-MIMO.

Pour intégrer toutes ces antennes dans les téléphones portables de demain, les antennes aux fréquences mmWave seront beaucoup plus petites que les antennes cellulaires utilisées pour les normes actuelles. Les nouvelles technologies d'emballage, telles que l'antenne dans le boîtier (AiP), faciliteront l'intégration de ces antennes dans les contraintes d'espace réduites du smartphone moderne, mais les réseaux d'antennes peuvent être complètement enfermés sans aucun point de test directement contactable.

Comment l'OTA peut relever de nouveaux défis

Pour les ingénieurs de test, l'augmentation des fréquences, les nouvelles technologies de boîtier et le nombre d'antennes plus important rendront difficile le maintien d'une qualité élevée tout en limitant les augmentations des coûts d'investissement (coût de l'équipement de test) et des coûts d'exploitation (temps de test de chaque appareil). Les nouvelles techniques OTA aideront à surmonter ces problèmes, mais présentent également quelques défis.

Premièrement, la précision des mesures sera un défi. Contrairement aux tests câblés, lorsqu'ils effectuent des mesures OTA, les ingénieurs de test doivent gérer l'incertitude de mesure supplémentaire liée à l'étalonnage et à la précision de l'antenne, à la tolérance de fixation et aux réflexions du signal. Deuxièmement, de toutes nouvelles mesures doivent être intégrées dans les plans de test des appareils pour l'intégration de la chambre anéchoïque, la caractérisation du faisceau, le calcul optimal du livre de codes et la caractérisation des paramètres d'antenne.

Troisièmement, à mesure que les bandes passantes RF continuent d'augmenter, les besoins de traitement pour l'étalonnage et la réalisation de mesures sur ces larges bandes passantes augmentent également, ce qui ajoute aux problèmes de temps de test. Enfin, les responsables des tests doivent prendre en compte des considérations commerciales supplémentaires pour garantir la qualité du produit tout en minimisant l'impact sur le délai de mise sur le marché, les coûts d'investissement, les coûts d'exploitation et l'espace au sol (pour accueillir les chambres OTA).

Bien que l'OTA présente des défis, il offre également des avantages. Premièrement, l'OTA est la seule option pour les technologies AiP car les réseaux d'antennes sont intégrés à l'intérieur d'un boîtier sans aucun moyen de câbler directement les éléments du réseau. Même si les ingénieurs de test pouvaient contacter des éléments d'antenne individuels en utilisant des méthodes de test conduites, ils sont confrontés au choix difficile de les tester en parallèle ou de les tester en série (au détriment du temps de test et du débit). De nombreux problèmes techniques doivent encore être résolus, mais le test OTA offre la possibilité de tester la matrice en tant que système au lieu d'un ensemble d'éléments individuels, ce qui pourrait conduire à des promesses d'efficacité plus importantes du test au niveau du système.

Dans le passé, les fournisseurs d'équipements de test et les ingénieurs ont réussi à relever le défi de tester les performances et la complexité tout en minimisant le temps de mise sur le marché et le coût des tests. Donc, j'ai toute confiance qu'ils peuvent le refaire pour la 5G. Alors que les défis du test de la 5G semblent complexes aujourd'hui, les ingénieurs du monde entier font de grands progrès dans le développement de nouveaux instruments et méthodes de test, comme l'OTA, qui sont nécessaires pour faire de la 5G un succès commercial demain.

L'auteur est Charles Schroeder, chercheur en commerce et technologie, National Instruments