5G requiere un nuevo enfoque para las pruebas inalámbricas

Charles Schroeder

5G tiene el potencial de transformar significativamente nuestras vidas, dice Charles Schroeder, miembro de Negocios y Tecnología de National Instruments. Desde mejores comunicaciones comerciales, hogares y fábricas más inteligentes, hasta avances en vehículos autónomos. Para permitir tales transformaciones, los dispositivos inalámbricos 5G deberán ser más rápidos, tener una latencia más baja y tener una conectividad incomparable en comparación con las generaciones anteriores. Como resultado, serán más complejos en su composición y, por lo tanto, requerirán un nuevo enfoque para las pruebas

Anteriormente, los ingenieros de pruebas habían estado iterando sobre un conjunto aceptado de medidas y técnicas para probar la tecnología de comunicaciones inalámbricas en grandes volúmenes, desde semiconductores de RF hasta estaciones base y teléfonos móviles. Con 5G, la tecnología dentro de estos dispositivos inalámbricos será más compleja, por lo que será necesario repensar las técnicas altamente optimizadas que se han utilizado para probar generaciones anteriores. Será necesario probar los componentes y dispositivos 5G con métodos por aire (OTA) en lugar de los métodos cableados actualmente en uso para validar el rendimiento de la tecnología 5G.

Nuevas tecnologías para aumentar el ancho de banda

Uno de los principales objetivos del estándar 5G es aumentar significativamente la capacidad de datos a 10 Gbps por usuario, para satisfacer las crecientes demandas de datos de los usuarios. Pero para lograrlo, se están introduciendo nuevas tecnologías. Primero, la especificación 5G incluye la tecnología Multiuser MIMO (MU-MIMO) que permite a los usuarios compartir simultáneamente la misma banda de frecuencia a través de la tecnología de formación de haces, creando conexiones inalámbricas únicas y enfocadas para cada usuario. En segundo lugar, el estándar 5G agrega más espectro inalámbrico, expandiéndose a frecuencias de ondas centimétricas y milimétricas (mmWave).

Las implementaciones físicas de las tecnologías MU-MIMO y mmWave utilizan significativamente más elementos de antena que las generaciones anteriores de estándares celulares. Las leyes de la física dictan que las señales en las frecuencias de ondas milimétricas se atenuarán considerablemente más rápido a medida que viajan a través del espacio libre que las señales en las frecuencias celulares actuales. Entonces, para un nivel de potencia de transmisión similar, las frecuencias celulares de mmWave tendrán un rango mucho más pequeño que las bandas celulares actuales.

Para superar esta pérdida de ruta, los transmisores y receptores 5G utilizarán conjuntos de antenas que funcionan simultáneamente y utilizan tecnología de formación de haces para aumentar la potencia de la señal en lugar de la antena única por banda en los dispositivos actuales. Aunque son importantes para aumentar la potencia de la señal, estos mismos conjuntos de antenas y técnicas de formación de haces son cruciales para implementar técnicas MU-MIMO.

Para encajar todas estas antenas en los teléfonos móviles del mañana, las antenas en las frecuencias de onda milimétrica serán mucho más pequeñas que las antenas móviles utilizadas para los estándares actuales. Las nuevas tecnologías de empaque, como la antena en paquete (AiP), facilitarán la integración de estas antenas en las pequeñas limitaciones de espacio del teléfono inteligente moderno, pero los conjuntos de antenas pueden estar completamente encerrados sin puntos de prueba directamente contactables.

Cómo puede OTA abordar nuevos desafíos

Para los ingenieros de pruebas, el aumento de frecuencias, las nuevas tecnologías de paquetes y el mayor número de antenas dificultarán mantener una alta calidad al tiempo que limitarán los aumentos tanto en los costos de capital (costo del equipo de prueba) como en los costos operativos (tiempo para probar cada dispositivo). Las nuevas técnicas de OTA ayudarán a superar estos problemas, pero también presenta algunos desafíos.

En primer lugar, la precisión de la medición será un desafío. A diferencia de las pruebas cableadas, al realizar mediciones OTA, los ingenieros de pruebas se ocuparán de la incertidumbre de medición adicional que conlleva la calibración y precisión de la antena, la tolerancia de fijación y los reflejos de la señal. En segundo lugar, las nuevas mediciones deben integrarse en los planes de prueba del dispositivo para la integración de la cámara anecoica, la caracterización del haz, el cálculo óptimo del libro de códigos y la caracterización de los parámetros de la antena.

En tercer lugar, a medida que los anchos de banda de RF continúan aumentando, las necesidades de procesamiento para calibrar y realizar mediciones en estos anchos de banda amplios también aumentan, lo que se suma a las preocupaciones sobre el tiempo de prueba. Finalmente, los gerentes de pruebas deben hacer consideraciones comerciales adicionales para garantizar la calidad del producto y, al mismo tiempo, minimizar el impacto en el tiempo de comercialización, el costo de capital, el costo operativo y el espacio de piso (para acomodar las cámaras OTA).

Si bien la OTA presenta desafíos, también ofrece beneficios. Primero, OTA es la única opción para las tecnologías AiP porque las matrices de antenas están integradas dentro de un paquete sin forma de cablear directamente a los elementos de la matriz. Incluso si los ingenieros de pruebas pudieran ponerse en contacto con elementos de antena individuales utilizando métodos de prueba realizados, se enfrentan a la difícil elección de probarlos en paralelo o probarlos en serie (a expensas del tiempo de prueba y del rendimiento). Aún deben resolverse muchos problemas técnicos, pero la prueba OTA ofrece la posibilidad de probar la matriz como un sistema en lugar de un conjunto de elementos individuales, lo que podría conducir a las promesas de mayor eficiencia de la prueba a nivel del sistema.

En el pasado, los proveedores e ingenieros de equipos de prueba han superado con éxito el desafío de probar el aumento del rendimiento y la complejidad al tiempo que se minimiza el tiempo de comercialización y el costo de la prueba. Por lo tanto, tengo plena confianza en que pueden volver a hacerlo para 5G. Si bien los desafíos de probar 5G parecen complejos hoy en día, los ingenieros de todo el mundo están logrando un gran progreso en el desarrollo de nuevos instrumentos y métodos de prueba, como OTA, que son necesarios para que el 5G sea un éxito comercial mañana.

El autor es Charles Schroeder, miembro de Negocios y Tecnología de National Instruments