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ビームフォーミング時代の必須評価 遠方界・CATR・近傍界を正しく使い分ける
5G NRのミリ波化により、RFとアンテナは高度に統合され、従来のケーブル接続測定では性能を評価できなくなりました。本資料では、ミリ波5Gに特有の経路損失、ビームフォーミング、フェーズドアレイ設計の課題を整理し、OTA(Over-The-Air)テストが不可欠となる理由を解説。
さらに、直接遠方界、CATR(コンパクト・アンテナ・テスト・レンジ)、近傍界測定それぞれの特徴とトレードオフ、R&Dからコンフォーマンス、製造テストまでの適用指針を体系的に紹介します。5G NRミリ波デバイス/システム開発に携わるエンジニア必読の包括的ホワイトペーパーです。
このカタログについて
| ドキュメント名 | ケーブルでは測れない5Gへ。 ミリ波 5G NR デバイス/システムの OTA テスト完全ガイド |
|---|---|
| ドキュメント種別 | ホワイトペーパー |
| ファイルサイズ | 1.7Mb |
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| 取り扱い企業 | キーサイト・テクノロジー株式会社 (この企業の取り扱いカタログ一覧) |
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Keysight Technologies
ミリ波 5G NR デバイス/システムの OTA テスト
White Paper
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02 | Keysight | 5G のテスト:ミリ波 5G NR デバイス/システムの OTAテスト - White Paper
目次
概要:5G でのミリ波 ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������03
ミリ波 5G ネットワークの技術的な課題 ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������04
ミリ波でのチャネルサウンディングとモデリング ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������04
経路損失のモデリング ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������04
フェーズド・アレイ・テクノロジー、ビームフォーミング、ビームステアリング ����������������������������������������������������������������������������������������������05
デバイス校正 ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������07
ミリ波 5G の新しい OTA テストの影響 ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������07
放射電磁界の測定 ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������08
直接遠方界テスト方法 �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������09
遠方界テスト方法の代替 – コンパクト・アンテナ・テスト・レンジ(CATR) �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������11
直接遠方界対 CATR:比較対照 �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������12
近傍界測定システム ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������14
5G NR の開発スケジュールを通した測定要件 �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������15
極限状態でのテスト ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������17
動的適応動作の測定 ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������17
NR コンフォーマンステスト �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������17
製造テスト ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������17
まとめ �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������18
参考資料 �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������19
www.keysight.co.jp/find/5G
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概要:5G でのミリ波
ネットワーク社会のニーズに応えるため、次世代の 5G セルラーネットワークが約束しているのが、ネッ
トワーク容量、データレート、レイテンシーの劇的な改善と、ネットワークの柔軟性と効率の大幅な向
上です。同時に、ネットワークプロバイダは、現在よりも運用コストとインフラコストが低減すること
を期待しています[1 ]、[2 ]。これらの挑戦的な目標を達成するには、チップセットやデバイスから基地局
やスモールセルまで、フロントホールやバックホールからネットワーク管理やデータセンターのパフォ
ーマンスまで、セルラーエコシステムのあらゆる面で、広範囲に及ぶ多面的な変更が求められます。ネ
ットワークのパフォーマンスを向上させるため、NFV(network funct ion v irtual izat ion/ネットワーク
機能仮想化)、アダプティブビームフォーミング/ビームトラッキング技術、4G LTE との緊密な統合、
モバイルデバイス向けの新しいデザインなど、多くの新技術が開発されることになりますが、それだけでは不十分です。
5G ビジョンを完全に実現するには、さらに多くのスペクトラムが必要です。6 GHz 未満の追加スペクトラムは特定さ
れており、一部の国ではすでに移動体通信用に割り当てられていますが、はるかに大きな連続スペクトラムが利用でき
るのは、24 GHz を超えるセンチ波/ミリ波 (mmWave) バンドです。図 1 [3]に、5G NR (New Radio) に対する世界各
地の候補ミリ波バンドをいくつか示します。便宜上、ここでは6 GHzを超える周波数バンドをミリ波と呼びます。
ブロードバンド配信、バックホールなどのアプリケーションでは、40 GHz を超える周波数も検討中です。「5G」とし
て議論の余地はあるとしても、これらの領域では作業が進行中で、現在の 5G NR 開発の大半を牽引している 28 GHz お
よび 39 GHz 付近の周波数バンドと同様の課題が多数提示されています。
ITU(国際電気通信連合)
欧州連合
米国
韓国
日本
中国
20 25 30 35 40 45
帯域幅 (GHz) 重要
2019 年世界無線通信会議
(WRC-2019) 対象
図1� 6 GHz を超える NR 配備用の候補バンド [3]
Figure 1� Candidate bands for NR (new radio) deployment
ポリシーの立案者が割り当て中の新しいスペクトラムの量を見ると、容量の増加、データレートの高速化、レイテンシ
ーの短縮は、簡単に実現しそうなことに思われます。しかし、ミリ波スペクトラムの追加には、よくない影響やトレー
ドオフが伴います。ミリ波デバイスをネットワークに組み込むと、さらに複雑化が進み、新しいテクノロジー開発が必
要になります。また、新たな放射テストまたは無線 (OTA) テスト要件が発生します。このドキュメントでは、これらの
OTA の課題と関連するテスト方法を重点的に取り上げます。
24�25 GHz
26�5 GHz
27�5 GHz
29�5 GHz
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ミリ波 5G ネットワークの技術的な課題
ミリ波でのチャネルサウンディングとモデリング
実環境でのミリ波の伝送特性を理解することは、5G NR の UE と基地局 (gNB) のコアデザインの
基本です。波長が短くなるにつれて、回折、散乱、材料透過損失、自由空間経路損失など、あらゆ
る物理的プロセスで、ミリ波バンドと今日の 6 GHz 未満のバンドのチャネル特性に大きな違いが
生まれます。チャネルモデルは、2G から 4G まで長年にわたって、主にチャネル測定(サウンデ
ィング)に基づいて開発されてきました。もともとは非空間モデルを提示していましたが、時間の
経過とともに3次元空間モデル[4]に進化しました。
0�5〜100 GHz の周波数[5]用の 5G チャネルモデルに関する 3GPP の調査では、アーバンマイ
クロ、アーバンマクロ、屋内、バックホール、デバイス間(D2D、Device to Device)、車車間
(V2V、Vehicle-to-Vehicle)、スタジアムなど、いくつかのシナリオが検討されています。ミリ
波チャネル(および空間ダイナミクス)では、空間クラスターとクラスターあたりのマルチパスコ
ンポーネントの数が、ネットワークコンポーネントの設計に広範囲に及ぶ影響を与えます。例え
ば、チャネルモデルで空間的に豊富なチャネルを定義する場合、アンテナビームステアリングの要
件はそれほど重要ではありません。シングルユーザー MIMO (SU-MIMO) に対して多数の固有モー
ドを利用できます。ただし、多くのマルチパス信号が追加された結果として生じる、高速フェージ
ングは複雑化します。一方、よりまばらなチャネルの場合、固有モードがほとんど含まれず、フェ
ージングは少なくなるものの、はるかに精度の高いビームステアリングが必要です。そのため、現
実に即したチャネルモデリングが、デバイスデザインと現実的かつ有用なテストケースの定義にと
って重要となります。
[5] の発表以降、ミリ波チャネルのモデリング作業は、ミリ波チャネルとその動作をより深く理解
するための取り組みとして、企業、大学、政府機関で継続して行われています。
経路損失のモデリング
大気の影響を無視すると、自由空間を介して通信するトランスミッターとレシーバーの受信パワー
は、フリスの伝達公式[6]を使って簡単に計算できます。この式を方程式1として示します。
Pr c 2
=
P ( ) G t G r
t 4πRf 式1
ここで、Pr は受信パワー、Pt は送信パワー、R はトランスミッターとレシーバーの距離、fは周波
数、c は光の速度、Gt はトランスミッターアンテナの利得、Gr はレシーバーアンテナの利得です。
したがって、Pr は周波数、f の二乗に反比例します。例えば、同じアンテナ利得を使用して 3 GHz
から 30 GHz に移行すると、20 dB の経路損失が加わります。これは、緩和措置がないとネット
ワーク性能に重大な影響を与える値です。ミリ波での OTA 通信では、自由空間の経路損失に加え
て、大気吸収、湿度、ブロッキング、降水、およびトランスミッターとレシーバー間の実効経路損
失を増加させる他の要因の影響も考慮する必要があります。屋内チャネルの場合、経路損失はそれ
ほど心配ありませんが、ブロッキングなどの影響を緩和する必要があります。
ミリ波周波数での追加の経路損失を補償するために通常使用されるのが、アンテナの利得を増加
し、指向性を高めるための機構です。5G ネットワークの基地局は、20 dBi を超える指向性を持つ
アンテナを装備する可能性が高く、5G のユーザーデバイス (UE) にも、指向性は基地局ほど高くな
いものの、指向性アンテナが組み込まれる見込みです。[7]における 3GPP 共存研究では、gNB の
指向性は 30 dBi、UE は25 dBi と仮定しています。ただし、実用的な UE の指向性は、
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固定無線アクセスアプリケーションでない限り、かなり低くなる可能性があります。指向性
は、ミリ波チャネルの経路損失への対抗策となるほか、チャネルの空間的再利用にも役立ちま
す。gNB は、空間的に分離されたビームを使って 1 つのセル内の複数のユーザーに対応できるよ
うになります。さらに指向性には、ネットワーク内の隣接セルへの干渉を低減するという利点もあ
ります。通常、これによってスペクトラム効率が改善されます。したがって、ミリ波周波数を利用
する 5G ネットワークでは、リンクバジェット (Link Budget) を最適化し、効果的な通信を提供す
るため、基地局と UE が、比較的狭いビーム幅のビームを互いの方向に(反射面を介して)向ける
必要があります。基地局と UE が互いを見つけてトラッキングし、セル間ハンドオーバーを実行で
きるようにするプロトコルを開発することは、5G のミリ波通信の重要な技術的課題です。
フェーズド・アレイ・テクノロジー、ビームフォーミング、ビームステアリング
フェーズド・アレイ・アンテナ [8] は、ビーム幅の狭いビームを作成し(ビームフォーミング)、
それらを必要な方向に動的に向ける(ビームステアリング)、実用的で低コストの手段です。これ
らのアンテナは、機械的な動きのないビームステアリングを実現しており、基地局とUEの両方に
使用される主要なミリ波アンテナとして期待されます。フェーズド・アレイ・アンテナは、個々の
パッチやダイポールなど、より小さなアンテナエレメントの配列によって形成されます。個々の素
子に印加される信号の相対的な位相と振幅を変化させることにより、アンテナアレイは、ビームを
形成して選択された方向に向けることができます。図 2 [9] に、フェーズドアレイの基本動作を示
します。トランスミッター (Tx) からの信号が、複数のアンテナエレメントに分配されます。位相
シフターを制御して、各素子から送信された信号の個々の位相を調整することで、可変角度シータ
(θ)でのビームフォーミングを可能にします。
信W号av波e p面lanes
位Ph相as器e
shifters( Φ(Φ))
Φ
Φ アVaンriaテbleナ b要ea素m かdiらrecのtio位n 相シ
フduトe 信to 号supをer重poねsit合ionわ oせf るこ
Φ phase-shifted signals from
とanでte方nn向a eがle変me動ntすsるビーム
トラTrンanスsmミitッterタ
Φ
ー(T(TX)) Φ
Φ
Φ
Φ
Antenna
array
ビElーemムenのt 方co向ntをrol変s p動haさse shifters to
せvaるry 要th素e b制ea御m位 di相re器ction
図2� フェーズドアレイの基本動作
Figure 2� Basic operation of a phased array
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5G ネットワークでは、デジタル(ベースバンドで実装)、アナログ(IF または RF で実装)、ハイブ
リッド [10] の 3 種類のビームフォーミングアーキテクチャーが検討されています。それぞれに相対的な
メリットがあります。コストとパワーの点で、UE におけるビームフォーミングはアナログであると予
想されますが、基地局のビームフォーミングは、アナログ、デジタル、ハイブリッドのいずれも可能性
があります。
図 3 に、ゼロ強制プリコード化を使用した 50 素子リニアアレイからの伝搬の、タイム・ドメイン・デ
ュプレックス (TDD) シミュレーションを示します。個々のビームはターゲットUEに方向付けされ、
ヌルはその他の UE および干渉源に方向付けされます。
ヌルステアリ
ングの干渉源
ターゲットUE
ターゲットUE
図3� ビームをターゲット UE に方向付けし、ヌルを干渉源に方向付けする2次元フェーズドアレイのシミュレーション
無線とアンテナの統合、RF コネクタの除去
5G ミリ波デバイスの統合レベルの向上には、さまざまな要因が関係しています。これらの要因は、
相互に関連しており、高周波数、多数のアンテナエレメント、信号経路の減衰を最小限に抑える必要
性、コスト削減の必要性の組み合わせに基づきます。統合によってもたらされた重要な結果として、無
線分配回路回線とアンテナシステム間の境界で従来の RF コネクタが実装できなくなりました。無線か
らアンテナへのミリ波信号の接続に使用される分配回路は、特にハンドヘルド機器などのユーザー機器
では、非常にコンパクトでなければなりません。その結果、5G ミリ波デバイス用のトランシーバーシ
ステムは、図4に示すように、アンテナアレイと直接統合されます。こうしたタイプのデバイスでは、
導通テストを可能にするコネクタやプローブポイントがありません。代わりに、テスト作業の大部分を
OTA で成し遂げる必要があります。
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図4� 28 GHz RFIC とアンテナアレイのハイレベルの統合を示す、プリント回路基板の2面。画像提供:G� Rebeiz 教授、カリフォ
ルニア大学サンディエゴ校。[11]
デバイス校正
フェーズド・アレイ・デバイス(Txパスと R xパス)の位相および利得状態に対する OTA 校正手法
を確立することは主要な研究開発業務ですが、業務は必然的に OTA で行われることになります。
校正は、UE と基地局から送信されたビームが必要な指向角度範囲にわたって正しいビーム幅また
は利得を生成していること、パワー出力限界内に収まっていること、ビームフォーミング特性が意
図したとおりに発揮されていることを保証するために必要となります。これらの特性には、低/高
解像度スキャン動作、スキャン角度の精度、利得フラットネス補正が含まれます。
OTA 校正にどの手法が選択されるかは、デバイスのアーキテクチャーとデバイスの制御インタフ
ェースに依存します。例えば、個々のアンテナエレメントを個別に制御できる場合、アンテナエレ
メント間の相対位相を測定して補正することができます。アンテナエレメントをブロックまたは行
単位でしか制御できない場合、より高度な校正ルーチンが必要です。
ミリ波 5G の新しい OTA テストの影響
前のセクションで、5G NR システムにミリ波周波数を使用すると、ネットワークで使用されるデ
バイスと無線アクセスネットワーク自体の動作が複雑化することを説明しました。テストシステム
は、研究開発からコンフォーマンステスト、製造、設置、メンテナンスまで、5G NR の開発と検
証で重要な役割を果たします。無線とアンテナがハイレベルで統合されているため、このテスト作
業の多くは OTA になりますが、さまざまなテストニーズ(能力、精度、サイズ、コスト)に応じ
てテストソリューションの範囲を柔軟に変える必要があります。次のセクションでは、5G ミリ波
システムの OTA テスト方法について説明します。
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放射電磁界の測定
OTA 測定は、通常、図5に示すように、被試験アンテナシステムの放射近傍界または放射遠方界領
域で行われます。
無効近 放射近 放射遠
傍界 傍界 方界
D は最大の
アンテナ寸法 D
D3
R ≥ 0�62 R ≥ 2D2
λ λ
図5� アンテナからの距離の関数としてのビームの拡大
アンテナ自体のすぐ近く(通常、数波長以下)は、リアクティブ近傍界です。この領域では、物体
(例えば、プローブアンテナ)への吸収または結合は、アンテナから放射される電界Eと磁界 H の成
分に影響を及ぼします。図 5 に示すように、この領域は、以下の式で近似される距離まで伸びます。
D3 ここで、D は、アンテナのすべての放射素子をカプセル化する最小の球の直
R = 0�62
λ 径です。受動素子を含む場合があります。
この距離を超えると、プローブアンテナは、アンテナによって放射される信号に影響を与えま
せん。フレネル領域として知られている放射近傍界では、放射角電磁界分布はアンテナからの
距離と共に拡大しますが、距離が長くなるにつれて拡大速度が遅くなります。電界 E と磁界Hの
動径成分は、この領域ではかなりの大きさがありますが、距離 R とともに強度が急激に低下しま
す。D >> λ のアンテナの場合、遠方界(フラウンホーファー)距離は、アンテナから 2D2⁄λ で
始まります。フラウンホーファー距離を越えると、電界Eと磁界Hの成分が横方向かつ直交にな
り、電磁界動径成分を無視できます。
フラウンホーファー領域との境界は、放射パターンの拡大における突然の遷移ではありません。放
射パワーの分布はこの距離を超えて拡大し続けます。そのため、2D2⁄λ で測定されるアンテナパ
ターンは、はるかに離れたところで測定されるパターンと多少異なりますが、多くの OTA テスト
の目的では十分に近いといえます。アンテナからの距離が増すにつれて、放射パターンにおけるピ
ーク、サイドローブ、ヌルの振幅が安定します。
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直接遠方界テスト方法
遠方界での測定は、概念的には最も簡単なタイプの OTA 測定システムです。3GPP によって認可
された基地局 RF 測定用の承認済みの方法であり、UE RF テスト方法の基本例となります。図 6
に、代表的な遠方界電波暗室を示します。
電波暗室
吸収材
測定距離 = 遠方界
DUT プローブアンテナ
R ≥ 2D2
λ
ポジショナー
図6� 遠方界電波暗室
被試験デバイス (DUT) は、2 つの面(方位角と仰角、または方位角とロール角)で回転するポジシ
ョナーに取り付けられており、任意の 3 次元角度をプロービングすることができます。一部の電波
暗室システムでは、単一のアンテナの代わりにプローブアンテナの配列を配備しています。これに
よって、標準的なポジショナーの動きを簡素化できますが、スイッチングと校正は複雑化します。
遠方界フラウンホーファー距離方程式から、遠方界距離と必要な電波暗室のサイズは、アンテナの
大きさと周波数によって大きく変わる可能性があることがわかります。表 1 に、5G の必要な周波
数におけるいくつかの代表的な遠方界距離を示します。直接遠方界電波暗室自体をこの最小距離よ
り大きくする必要があるため、こうしたシステムのサイズとコストは、急速に増大する可能性があ
ります。
遠方界距離(m)
D (mm) 28 GHz 39 GHz 60 GHz
50 0�47 0�65 1
100 1�9 2�6 4
150 4�2 5�9 9
200 7�5 10�4 16
300 16�8 23�4 36�0
表1� さまざまなサイズのアンテナの遠方界距離
ミリ波周波数で動作する基地局用の代表的なアクティブ・アンテナ・アレイ・システム (AAS) は
(サブアレイまたはアレイ全体がアクティブであるかどうかに応じて)100 mm〜300 mmの 範
囲に配置できます。直接遠方界電波暗室を大きな部屋サイズで設置することが必要です。ミリ波
5G UE のアンテナアレイは、100 mm より大幅に小さくなる予定なので、直接遠方界電波暗室の使
用がより実現しやすくなります。
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ただし、遠方界方程式で使用される D を、簡単に定義できない場合もあります。代表的なアンテ
ナアレイの場合、D はアレイの対角範囲です。そのアレイがUEまたは基地局に組み込まれると、
アレイが背後のグランドプレーンおよび近接する導電性材料に結合し、有効放射面積が広がる可
能性があります。ミリ波 5G UE の場合、D の値の決定にはもう 1 つ複雑な要因があります。それ
は、球面全体をカバーするため、デバイスに複数のアンテナアレイを搭載することが見込まれる点
です。複数のアレイがあることで、信号が人間の手や頭によってブロックされる状況もなくなりま
す [12]。図7に、可能なアレイ配置の例を示します。
図7� ミリ波 5G UE 用の可能性のあるアンテナアレイ構成
1 つまたは複数のアンテナアレイを備えたデバイスの測定には、2 つの方法が考えられます。最初の
「ホワイトボックス」方法は、DUT 上のアンテナアレイの配置に関する事前の知識に基づくもので
す。この配置は、デザイン、宣言、近傍界スキャンのいずれかによって決定できます。次に、DUT
を、放射の中心がテストゾーンの中央に来るようにして配置します。この後、D をアレイの最大寸
法に設定することで、遠方界の距離を計算できます(グランドプレーンの有意な影響がないと仮
定します)。代表的なアレイ寸法から、UE に対して 1 m よりはるかに短い遠方界距離が導かれま
す。デバイス全体をテストするには、各アレイに対して DUT を再配置する必要があります。
もう 1 つの方法は、アンテナアレイの配置の知識を必要としない方法で、「ブラックボックス」方
法と呼ばれています。このインスタンスでは、DUT の幾何中心がテストゾーンの中央に配置され
ます。遠方界の計算に使用される D は、DUT の最大寸法です。この方法の遠方界は、ホワイトボ
ックス方法よりはるかに大きくなりますが(例えば、150 mm DUT、28 GHz の場合は 4�2 m)、
どのアンテナアレイがアクティブであるかに関係なく、デバイスを再配置する必要がありません。
遠方界距離がはるかに短く、アンテナ構造についての知識を有する可能性が高い開発環境では、ホ
ワイトボックス方法の使用に分があります。ただし、コンフォーマンステストに対しては、3GPP
は、ブラックボックス方法の使用のみを許可することを決定しました。[13] で概説されているホ
ワイト・ボックス・テストの要件を、アンテナ構造を宣言したくない UE ベンダーが受け入れて
いないためです。さらに、UE がアレイを変更するときに信号を送るメカニズムがありません。
また、ホワイトボックス方法では、一度に複数のアレイを使用することも除外しています。
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遠方界テスト方法の代替–コンパクト・アンテナ・テスト・レンジ (CATR)
コンパクト・アンテナ・テスト・レンジ (CATR) 方法は、遠方界特性評価の標準的な手段として認
識されています [14]。放物面反射鏡など、1 つ以上の準光学素子を使用し、テストプローブからの
放射を平行化します [15]。図 8 に、基本的な構成と操作を示します。
電波暗室
反射鏡システム
二重偏波フィードアンテナ
DUT ポジショナー
画像提供:NSI-MI。
図8� コンパクト・アンテナ・テスト・レンジ。
図8に、CATR 方法の主な構成要素である、フィードまたはプローブアンテナ、放物面反射鏡、
および DUT を収容するための回転ポジショナーを示します。
鏡の焦点に配置されたプローブアンテナからの発散ビームが、放物面反射鏡に照射されます。放物
面反射鏡が元のビームを平行化し、ビームを DUT の方向に向けます。平行化されたビームは、そ
の範囲全体でほぼ均一な振幅と位相を有します。DUT に対する表面上理想的な平面波照射が得ら
れます。反射鏡を使用すると、遠方界平面波条件での DUT のテストを 2D2⁄λ よりも短い距離で実
施することができます。その結果、同等の直接遠方界方法よりも、システムのフットプリントがは
るかに小さくなり、経路損失が低下します。
DUT がほぼ均一な振幅と位相で照射されているときの電波暗室内の量は、クワイエットゾーン
(Quiet Zone) と呼ばれます。CATR では、クワイエットゾーンの形状は、通常、円筒形または楕
円形です。直径や軸は、位相と振幅が特定のリミット内にある、平行化されたビームの範囲によっ
て設定されます。ゾーンは、プローブアンテナの背後の短い距離から始まります [16]。クワイエ
ットゾーンの仕様(代表値)は、位相変動10度、振幅リップル ±0�5 dB、振幅テーパー 1 dB で
す。振幅テーパーは、クワイエットゾーンの端に向かってロールオフします。
デバイスを正確に特性評価するには、デバイスの放射量全体がクワイエットゾーン内に収まる必要
があります。回転ポジショナーにより、デバイスまたはアンテナの角度(方位角と仰角)の関数と
しての特性評価が行えます。この構成は双方向方式であるため、デバイスを再配置することなく送
信モードまたは受信モードで測定することができます [17]。
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直接遠方界 対 CATR:比較対照
遠方界方法と CATR 方法は、同等の遠方界測定を提供することができます。図 9 に、2 つの異なる電
波暗室で実施された、標準利得ホーンの 28 GHz でのアンテナパターン測定を示します。図 9 の青色
の遠方界測定は、大きな(>3 m)直接遠方界電波暗室で行われました。赤の CATR 測定値は、キー
サイト・テクノロジーの CATR 電波暗室を使用して取得しました。結果はよく一致しており、直接遠
方界の結果には比較のための十分なダイナミックレンジがあります。
図9� CATR 測定と直接遠方界測定の比較
CATR 方法と直接遠方界方法は、どちらも遠方界デバイスの特性評価を提供しますが、それぞれに
特定の性能トレードオフがあります。最も顕著な違いは、DUT が電気的に大きい場合(例えば、
ミリ波周波数で動作する gNB アンテナアレイの場合)、CATR 測定の方が、実行に必要なフット
プリントがはるかに小さい点です。表 1 の、遠方界が約 17 m のときの D=300 mm、28 GHz の
DUT を例にとると、クワイエットゾーンがいくらかのマージンで DUT を囲む場合の CATR 電波暗
室の長さは、約 3 m になります。
平行化されたビームを使って、CATR は、遠方界(2D2⁄λをはるかに超える距離)での特性評価を提
供します。これにより、サイドローブとヌルの正確な測定が可能になります。ただし、この小型化
を可能にする放物線要素によって、CATR にある程度の直交偏波も導入されます。適切なデザインで
は、CATR の代表的なクワイエットゾーンを 30 dB 以上の直交偏波アイソレーションでスペックする
ことができます。このレベルでは、測定への影響は多くのアプリケーションで無視できます。
直接遠方界方法では、DUT アンテナをプローブアンテナのビームの中心に配置することが重要で
す。アレイサイズに基づいた遠方界距離で、複数のアンテナを搭載したデバイスを特性評価するに
は、各アレイを特性評価できるようにデバイスを再配置する必要があります。再配置を避けるに
は、遠方界距離のベースを最大デバイス寸法にする必要があるため、遠方界電波暗室がはるかに大
きくなります。しかし、CATR 方法では、クワイエットゾーン内のすべてのアンテナの特性評価を
同時に行えます。
経路損失の方程式1(フリスの伝達公式)の距離 R の値は、2 つのシステムで異なります。直接
遠方界方法の場合、距離はプローブと DUT アンテナの間隔です。しかし、CATR システムでは、
経路損失を計算する際の関連距離は、プローブアンテナと反射鏡間の分離距離(ほぼ焦点距離)
です。同じ経路損失(プローブフィードから鏡までの距離によって決定)が、送信モードでも受信
モードでも適用されます [17]。
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CATR の焦点距離が DUT の遠方界距離より短い場合、CATR システムの経路損失が直接遠方界方
法より小さくなります。テストシステムの総伝播損失には、プローブと DUT アンテナの利得も含
まれている必要があります。特定のセットアップで使用されるアンテナ利得によっては、直接遠
方界システムより経路損失の低い CATR システムの方が、総伝播損失が高くなる場合があります。
表 2 は、直接遠方界方法と CATR 方法とのいくつかの性能トレードオフをまとめたものです。
特性 直接遠方界 コンパクト・アンテナ・テスト・レンジ
電波暗室サイズ 必要な遠方界距離によって決定。 必要なクワイエットゾーンの直径
例:28 GHz での直径 150 mm のア によって決定。
レイの遠方界距離は 4.2 m、電波 例:28 GHz での直径 150 mm のア
暗室の長さは 5.5 m 以上 レイ。電波暗室の長さは約 2 m
経路損失 DUT とプローブアンテナ間の距離 反 射 鏡 の 焦 点 距 離 に よっ
によって決定。 て決定。
例:28 GHz で遠方界距離 4.2 m の 例:直径 150 mm の QZ、自由空間
場合、自由空間経路損失 74 dB 経路損失 58 dB
直交偏波アイソレーシ 高い 〜30 dB(湾曲した反射鏡により
ョン 直交偏波成分が発生)
アンテナパターンの測定 サイドローブとヌルの測定精度 アンテナパターンの測定値は、直
は、DUT とプローブアンテナ間の 接遠方界で測定された値と同等
距離が長いほど高くなる (図 9)。ヌルとサイドローブの測
定精度は、QZ のフラットネスに依
存する
プローブアンテナのビ ホワイトボックス:DUT アンテナ すべての DUT アンテナアレイが
ームを基準にしたDUT アレイの放射の中心がクワイエッ クワイエットゾーン内に収まって
の配置 トゾーンの中央に来る必要があ いる必要がある [18]
る。ブラックボックス:DUT の幾
何中心がクワイエットゾーンの中
央に来る必要がある
コスト 電波暗室のサイズにより増減 電波暗室の小型化により精密反
射鏡のコストを相殺
表2� 直接遠方界 対 CATR
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近傍界測定システム
近傍界測定システムは、高精度ポジショナーを使用して2次元表面上で、放射近傍界領域(図 5、
フレネル領域とも呼ぶ)の電界の位相と振幅をサンプリングします。この表面は、平面、円柱、
球面のいずれかです(図 10)。次に、フーリエ変換アルゴリズムを使用して、遠方界アンテナパ
ターンを計算します。
画像提供:NSI-MI。
図10� 平面(左)、円筒形(中央)、球面(右)の表面での近傍界スキャン画像。パワーと位相を各スキャンポイントで測定。
このアンテナパターン測定方法は、屋内の遠方界範囲よりもかなり安価な、比較的小さいテストチ
ャンバーで実現することができます。測定精度と計算された遠方界アンテナパターンは、遠方界方
法と比較して遜色ありません。[19]
どのタイプの近傍界システムが特定のアプリケーションに最も適しているかは、試験対象デバイ
スのアンテナ特性に依存します。数学的には、平面サーフェス方法が最も簡単です。多くのミリ
波 5G gNB アンテナアレイに特有の、最小後方ローブを持つ指向性アンテナの測定に最適です。
また、平面システムでは、機械的な表面位置調整を使用し、DUT アレイ表面を基準にしてスキャ
ンプローブの正確な平行移動を確実に行うことができます。一部の 5G DUT では、球面または球
面スパイラル(「sphiral」)スキャンシステムが、DUT を囲むほぼ完全な球面内で DUT の測定を
実行します。これにより、被試験アレイのエッジまたは背面からの放射、およびメインローブ内の
放射の測定が可能となります。円筒形スキャンシステムは、リニアに配列されたアンテナや、セク
タライズされたレイアウトで配列されたアンテナにうまく適合できます。
グリッド内の各ポイントで電界を測定したら、データをフーリエ変換し、さまざまな角度での平面波
の線形結合を取得します。球面座標系で表されたこれらの平面波から、遠方界アンテナパターンが
得られます [15]。これは、複数の位置の近傍界測定値から遠方界角度パターンへの変換です [20]。
平面スキャンシステムの場合、スキャンの範囲は、通常、DUT 自体よりも著しく大きくなります
が、この範囲が、遠方界における角度分解能の設定に使用されます。正確な遠方界結果を得るには、
プローブアンテナの指向特性に対する補正が必要です。
画像提供:NSI-MI。
近傍界スキャンは、研究開発時の診断ツールとして便利です。変換を適用すると、アンテナアレイ
上の表面電流の分布が明らかになり、障害状態の素子やその他の状況を識別することができるからで 図11� 1 m×1 m のスキャン面積を持つ NSI-MI の平面近傍界
スキャナー。
す。近傍界スキャンは、比較的高速の測定方法にもなりえます。データ補間を用いた sphiral スキャ
ン(図 12)など、必要なサンプルセットを減らすためのいくつかの技術が開発されています[21]。
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近傍界から遠方界への変換方法は、アンテナの特性評価用の最もコンパクトな手段を提供する一方
で、ミリ波デバイスの特性評価の課題をもたらします。例えば、通常、近傍界測定では、高速ベクト
ル・ネットワーク・アナライザ (VNA) が使用されます。数学的変換に位相情報と振幅情報の両方が
必要となるためです。しかし、アンテナとは異なり、ミリ波 5G デバイスはシングルエンドであるた
め、VNA の使用をサポートしません。無線機とアンテナアレイ間のハイレベルの統合は、コネクタ
の欠如のためにデバイスアンテナのみの特性評価が行えない可能性を示唆します。
シングルエンドデバイスでの位相回復には、いくつかの手法が使用できます。ある手法では、2 つの
異なる近傍界表面上で電界振幅を測定します。この情報は、未知の位相を読み取るため、表面上で位
相の初期推定値を使って反復適用されます。次に、表面上で測定された振幅と導出された位相を使っ
て、遠方界アンテナパターンを導出することができます [23]。別の手法では、複数のプローブアンテ
ナを使用します。位相回復の基準を得るため、1 つ以上のアンテナを固定したままにし、その他のア
ンテナで近傍界スキャンを実行します。次に、2 組のアンテナによって測定された相対位相を遠方界
変換で使用します [24]。 画像提供:NSI-MI。
図12� 準平面 DUT の球面スパイラル (sphiral) スキャン [22]。
近傍界でミリ波 NR デバイスを測定する際、広帯域変調信号が送信されると、アンテナパターン測定
の遠方界変換が不確実になります。位相が信号全体で変化する可能性があるためです。慣例上、近傍
界アンテナパターン測定は CW 信号を使用して実行されます。ただし、シミュレートされたデータと
実際のデータを見ると、遠方界で測定された広帯域変調信号のアンテナパターンと CW パターンには
違いがあり、相違点は、特にサイドローブのレベル(変調の場合、CW より高い)とヌルデプス(変
調の場合、CW よりも浅い)に見られます。これらのアンテナパターンを正確に測定するには、遠方
界電波暗室または CATR 電波暗室を使用するか、または各サブキャリアの位相を測定し、得られたデ
ータを結合することが必要です。
遠方界のTxパターンを計算する際の近傍界スキャンの適用性は明らかであり、近傍界の逐次測定に続
いてフーリエ変換による後処理が行われます。レシーバーテストに対する近傍界の適用性は、これほ
ど明白ではありません。スループットのリアルタイム測定を含むレシーバーテストの場合、トランス
ミッター測定の手順を逆にするには、近傍界空間信号をリアルタイムで作成する必要があります。こ
れは現実的ではありません。近傍界システムで作成できるのは、おそらく空間内の1ポイントのみだ
からです。この問題に対する 1 つのソリューションは、2 段階の方法を取ることです。最初に、DUT
での振幅/位相測定を足がかりにレシーバーの近傍界アンテナパターンを測定します。次の段階で、
変換後の遠方界 Rx アンテナパターンをテスト信号に適用します [25]。この方法は、テスト信号への
空間チャネルモデルの適用にも広がります。
5G NR の開発スケジュールを通した測定要件
5G NR デバイスに必要な測定の種類は、開発スケジュールの各プロセスで異なります。例えば、
デザイン/開発段階での研究開発チームの目標は、デバイスの RF 特性を可能な限り多く測定するこ
とです。実行可能な測定は、特定のデバイス、およびその特長と機能の開発段階に依存します。被試
験デバイスの統合レベルにも依存することになります。
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どの通信システムでも、送信信号や受信信号は理想的とはいえません。ミリ波トランスミッターチェ
ーンでは、送信する必要なベースバンド信号に非線形性、ノイズなどの信号劣化が加わります。同様
に、レシーバーによって、受信信号の品質を低下させる歪みや信号劣化が加わります。ミリ波のトラ
ンスミッターとレシーバーの動作を理解するには、広帯域 5G 波形の作成/解析機能を備えたテスト
機器を使用し、無線で性能を特性評価する必要があります。周知のとおり、達成可能な OTA 精度は
ケーブル接続測定での精度より低いため、これは 3GPP での重要な議論になっています。
すべての研究開発測定が基地局とUEに等しく適用されるわけではありません。テストの手順と性能
要件は、測定対象のデバイスに応じて異なります。表 3 に、NR の UE と基地局の無線送受信に対する
ドラフト 3GPP 技術仕様を示します。リスト内のドキュメントは、現在見出しは含まれますが、詳細
は測定方法が空白のままです。
UE 基地局
ドキュメント TS 38.101 User Equipment (UE) TS 38.104 Base Station (BS)
radio transmission and reception radio transmission and reception
TS 38.141 Base Station (BS)
conformance testing
放射トランスミッターテ トランスミッターパワー 放射送信パワー
スト 出力パワーダイナミックス 基地局出力パワー
送信信号品質 出力パワーダイナミックス
出力 RF スペクトラムエミッション 送信 ON/OFF パワー
最小出力パワー
スプリアスエミッション 送信信号品質
占有帯域幅
隣接チャネル漏洩電力比 (ACLR)
運用バンド不要エミッション
トランスミッターのスプリアス
エミッション
トランスミッター相互変調
放射レシーバーテスト ダイバーシティー特性 感度
基準感度パワーレベル 基準感度レベル
最大入力レベル ダイナミックレンジ
隣接チャネル選択度 バンド内選択度およびブロッ
キング
ブロッキング特性 バンド外ブロッキング
スプリアス応答 レシーバーのスプリアスエミッ
ション
相互変調特性 レシーバー相互変調
スプリアスエミッション インチャネル選択度
表 3� 5G NR 無線送受信テストの要件
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通常、研究開発での OTA 測定には、以下も含まれる予定です。
–– ビーム幅、サイドローブレベル、ヌルデプス、対称性を測定するための、2 次元と 3 次元でのビ
ームパターン測定
– アンテナシステムのクロスポーラーアイソレーションのレベルを理解するためのクロスポーラ
ー測定
– 必要なステアリングレンジにわたって正しい利得パターンを維持しながら、ビーム(または基
地局用のビーム)が正しい方向をポイントできることを確認するための、ビームステアリングま
たはヌルステアリング性能
極限状態でのテスト
UE と基地局は、温度を含む極限状態でテストする必要があります。屋外に配置される基地局の動
作温度範囲は- 60 ℃ 〜 +45 ℃ にわたる可能性があります。そのため、この種の特性評価を可能
にする OTA 測定手法の開発が必要となります。このタイプのテストの課題は、OTA 測定システム
をより狭い仕様動作範囲内に保持した状態で、デバイスの周囲環境の温度と湿度を正確に制御する
ことです。
動的適応動作の測定
静的 RF 測定よりもはるかに困難なのが、デバイスの適応機能を測定する動的な性質のテストで
す。こうしたテストでは、デバイス間のシグナリングリンクの確立が必要となります。その例
が、1 つまたは複数の UE を取得して空間的にトラッキングする基地局の能力の測定です。UE はす
べて、狭いミリ波ビームを使用して送受信を行っています。
ビームステアリングの制御は、5G NR システムの機能にとっては基本ですが、多くの手ごわいテス
ト課題が発生します。動的適応動作を測定するための要件とテスト方法は、3GPP で議論中です。
NRコンフォーマンステスト
コンフォーマンステストは、製品のライフサイクルの比較的遅い段階で行われます。具体的には、
デバイスが 3GPP の最小要件を満たしていることの確認作業を指します。3GPP コンフォーマンス
テストは、RF、無線リソース管理 (RRM)、復調、シグナリングにグループ分けできます。3GPP
の最優先事項は、2017 年 12 月までに UE と gNB のコア要件を策定することです。性能要件(復調
および RRM テストケース)の策定は、2018 年 12 月までに行われます。
このドキュメントの作成時点で、リリース 15 のコア要件と仕様構造に関する議論がまだ終了して
いなかったため、要件とテスト方法の概要はドキュメントには含まれません。これらの要件が仕様
化されたら、今後の出版物で詳しく説明します。
製造テスト
製造テストの要件は、信頼を築くため、製造プロセスとサプライチェーンでデバイスが適合性や
その他の規格外の要件を満たしていることを確認する必要があるかどうかによって決まります。
したがって、製造テストプロセスでは、変化すると予想されるパラメータに限定されます。プロセ
スは、主にテストのコストとテストスピードによって範囲が制限されます。主要なデバイス仕様を
検証する際、全体的なテスト時間と複雑さを許容レベルに保つ必要があります。
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製造テストストラテジーを策定する際に考慮すべき要素には、以下が含まれます。
–– 複数の空間次元にわたる測定に費やす時間の可能な限りの短縮(空間次元のないケーブル接
続テストと比較した場合)
– 角度依存測定の低減または排除
– 高速 OTA アンテナおよびトランスミッター/レシーバーの校正と検証
– 機械的な位置決め動作の可能な限りの抑制または排除
– 小型で安価な電波暗室または筐体の配備
– ケーブル接続測定と比較した OTA 測定の測定の不確かさの増加に対処する手段
ほとんどの製造システムと同様、テストカバレージとテスト時間は、時間の経過と共に減少すると
予想されます。テストのコストとスループット目標を達成するための積極的な目標がすでに設定さ
れています。これは、ケーブル接続から OTA テストに移行すると避けられない、テスト時間の増
加の緩和に役立ちます。
まとめ
5G NR 用の新しいスペクトラムにアクセスするためミリ波周波数バンドに進出したことで、民生
用通信デバイスおよびシステムのデザイン/検証方法には急激かつ重要なシフトが起きています。
以前にケーブル接続を使用して実装されていた測定は、放射空間領域に移動しています。アクティ
ブ・ビームフォーミング・システム、ステアリングアレイ、高度統合型デザインでは、ミリ波での
ほぼすべてのテストを放射 OTA 方法によって実施する必要があります。このドキュメントでは、
ミリ波 OTA 測定の主要な課題を紹介し、主な RF OTA テスト方法の概要について説明しました。
デザイン/検証ライフサイクルではテスト要件の範囲が広いため、すべての可能なテストを完全に
カバーできる単一のテスト方法はありません。
5G NR は急速に進化しています。次世代のセルラーシステムの成功には、OTA 測定が不可欠です。
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