在5G通訊議題吵得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的今日，如何透過相關(guān)技術(shù)來有效提高數(shù)據(jù)的傳輸量，才是5G技術(shù)發(fā)展的真正意義。在5G系統(tǒng)中，最常見者便是透過多天線的同時發(fā)送與接收，讓數(shù)據(jù)的傳輸可以達(dá)到最大化，MIMO這個常見的技術(shù)，正是透過這樣多天線的原理來實現(xiàn)傳輸流量的增加。這看似簡單的一個原理，許多的挑戰(zhàn)卻在這樣的發(fā)展中推演開來。

多天線陣列的效能與成本

在4G時代，MIMO系統(tǒng)的天線數(shù)量多半就是4x4，大不了8x8，再厲害一點(diǎn)16x16，鮮少看到超過這樣天線數(shù)量的，因為一旦天線數(shù)再增加，隨之而來的成本問題、功耗問題、干擾問題，乃至於多通道的測試問題等，都將深深困擾著設(shè)計人員，難以解決。

到了5G系統(tǒng)上，天線陣列數(shù)量動輒破百，最常見者如128天線陣列的無線訊號發(fā)射。在4G都尚難解決的問題，到了5G問題不只被放大，還被加乘。而且5G的MIMO陣列，已經(jīng)不在訴求只針對單一對象去做訊號的收發(fā)，而是針對多用戶同時進(jìn)行。這就是目前常聽到的MU-MIMO，針對多用戶（Multi User）來進(jìn)行同步的數(shù)據(jù)傳送。

一般來說，在低於6GHz的MU-MIMO設(shè)備之中，設(shè)計的重點(diǎn)，會偏重於如何在效能與成本之間，取得一個平衡點(diǎn)。因為一旦需要建置高達(dá)一百個以上的天線收發(fā)端，光是前期設(shè)施與天線設(shè)備的成本，就非?？捎^。然而卻不能因為要求成本而降低了效能，更不能為了提高效能，就讓成本暴增。因此以一個MU-MIMO設(shè)備的設(shè)計來看，其關(guān)鍵就在於如何提升百倍效能，但不讓成本增加百倍。

從這點(diǎn)來觀察，就很好理解為什麼Massive MIMO成為現(xiàn)階段各界都在致力研究的熱門課題，因為Massive MIMO的設(shè)計理念，一開始就不是單純把天線數(shù)增加而已，而是在多天線的傳輸效能增加，以及成本的控制之間，試圖取得一個良好平衡。

當(dāng)然，這些都還是在6GHz的頻率範(fàn)圍之內(nèi)。一旦想把Massive MIMO或者M(jìn)U-MIMO應(yīng)用到28GHz的毫米波領(lǐng)域的話，就會衍生出更大的問題與挑戰(zhàn)。一般來說，到了毫米波領(lǐng)域，所需要的不外乎就是更大頻寬，而所需的裝置成本也會相對更高，因此如何做到成本的優(yōu)化，就變得非常重要。

也因此，未來在毫米波上的5G系統(tǒng)，都將會走向綜合式的Hybrid-Beamforming，也就是同時使用類比與數(shù)位訊號，先以類比訊號來指出大方向之後，再透過數(shù)位的方式來形成數(shù)個指向的數(shù)位通道，藉以提高訊號收發(fā)效能。

事實上，毫米波與6GHz以下的電磁波相較，雙方在訊號傳遞的特性上會面臨不同的挑戰(zhàn)。因為毫米波的訊號能量衰減是更為快速的，因此對於發(fā)射端與接收端的天線特性要求將會更高，一旦設(shè)計不良，更容易會有通訊問題的發(fā)生。

5G系統(tǒng)連線數(shù)龐大

5G通訊是個全新與未知的通訊領(lǐng)域，目前已經(jīng)有許多新技術(shù)被陸續(xù)導(dǎo)入到5G通訊系統(tǒng)之中。在5G這個正值起飛期的市場，許多廠商積極搶進(jìn)，就是希望能在該市場佔有一席領(lǐng)導(dǎo)地位。而且，只要能越早進(jìn)入5G市場，未來在該市場就有更高的機(jī)會可以佔有更多的市場份額。正因為如此，有許多廠商紛紛搶在5G標(biāo)準(zhǔn)底定之前，就先行完成5G系統(tǒng)的原型製作。

這種搶先在標(biāo)準(zhǔn)訂定之前，就已經(jīng)問世的原型系統(tǒng)，也正是現(xiàn)在常見的non-standardized系統(tǒng)，特別是在5G市場，這樣的原型系統(tǒng)十分普遍。5G市場目前競爭十分激烈，許多參與者都希望能夠搶得先機(jī)，而關(guān)鍵就在於這些參與者如何將5G的概念與想法，真正落實到5G的原型系統(tǒng)製作上，藉以證明這樣的系統(tǒng)設(shè)計是真正可行的。

放眼MIMO這樣的系統(tǒng)，其實在4G時代就已經(jīng)存在了，但到了5G系統(tǒng)上，最大的差異在於天線數(shù)量的暴增。以4G的MIMO陣列頂多8～16個天線來比較，到了5G的MIMO陣列動輒超過100根以上的天線，這樣設(shè)計的目的，就在於能於同一時間內(nèi)，支援更多的使用者。

隨著未來物聯(lián)網(wǎng)時代來臨之後，不單只有人們會需要無線通訊的連線，包括許多的物也都需要連網(wǎng)，例如感測器，通常一個系統(tǒng)中所擁有的感測器數(shù)量，就可能多達(dá)十幾種，包括溫度、濕度、震動等，這些每個單一感測器都是一個節(jié)點(diǎn)，都可以被視為是一個使用者來看待。如此一來，整個物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的『使用者』數(shù)量將會十分可觀。正因為有這麼多的使用者，因此透過5G龐大的天線陣列，才有辦法同時滿足這麼多的連線需求。

模組化儀器的測試優(yōu)勢

5G通訊是全新的通訊系統(tǒng)，在測試層面上，當(dāng)然會有一些現(xiàn)有測試方式所無法滿足的部分，例如Beamforming的波束成型測試，不能只針對單一天線，而是必須要同時瞭解所有天線特性，並針對所有天線陣列來進(jìn)行效能測試。至於手機(jī)的量產(chǎn)測試，由於單一手機(jī)上無法擁有過多的天線數(shù)量，因此一隻5G手機(jī)上的天線數(shù)量，與4G手機(jī)是差不多的。而5G在天線數(shù)量上的差異，最明顯的區(qū)別將會出現(xiàn)在基地臺端。基地臺由於數(shù)量龐大的天線，經(jīng)常導(dǎo)致測試成本也隨之提高。這些衍生出來的不同測試需求，以傳統(tǒng)箱型式儀器進(jìn)行測試的話，會造成龐大的成本耗費(fèi)。透過模組化儀器，卻可以藉由更低的成本，更快解決這些測試需求。

目前市場上模組化儀器的提供者，最為人熟知的莫過於是德科技（Keysight）與國家儀器（NI）。以NI的PXI平臺來說，透過模組化的平臺，工程師可以利用更多的通道數(shù)，去進(jìn)行多天線測試，不需過高的成本就可以完成多天線的5G測試，彈性非常足夠。對於5G測試，PXI儀器的優(yōu)勢在於，體積比起傳統(tǒng)的箱型式儀器來得更小，而傳統(tǒng)箱型式儀器也無法達(dá)到如此高的測試通道數(shù)。此外，在PXI平臺上，也提供了儀器與儀器之間的時序同步，這對於大資料量的傳輸將十分重要。而在軟體層面上，PXI平臺是軟體定義的架構(gòu)，對於未來天線數(shù)量的增加與擴(kuò)充，都能夠進(jìn)行非常有彈性的支援。可以說，PXI平臺在5G的測試上，可以用更低的成本，更高的彈性，來解決更多棘手的新挑戰(zhàn)。

解決方案

NI PXIe-5632向量網(wǎng)路分析器 (VNA)

國家儀器技術(shù)行銷經(jīng)理潘建安：「NI向量網(wǎng)路分析儀可提供精準(zhǔn)的RF效能！」

NI 針對精巧的模組化 PXI 平臺提供了向量網(wǎng)路分析儀 (VNA) 功能。NI 向量網(wǎng)路分析儀搭載精巧的 PXI 機(jī)型，可提供極為精準(zhǔn)的 RF 效能，還能縮短測試時間；有助於使用不同的 RF 與混合訊號 I/O 儀器，並且順利整合至測試系統(tǒng)。

雙埠式 NI PXIe-5632 的頻率範(fàn)圍高達(dá) 8.5 GHz，來源功率則是 -30 dBm ~ +15 dBm，並且配備雙源架構(gòu)、來源存取迴路與低延遲觸發(fā)功能。全功能的 NI VNA 軟人機(jī)介面、NI LabVIEW 或 NI LabWindows/CVI API 可用來執(zhí)行精確的自動/手動校準(zhǔn)，並且快速進(jìn)行量測作業(yè)。

有了 NI PXIe-5632 即可於設(shè)計檢驗與生產(chǎn)線上分析網(wǎng)路，不需要昂貴又龐大的傳統(tǒng)網(wǎng)路分析器。NI PXIe-5632 之類的向量網(wǎng)路分析器 (VNA) 可量測裝置的強(qiáng)度、相位、阻抗。由於網(wǎng)路分析器屬於封閉式的激發(fā)響應(yīng)系統(tǒng)，因此可透過絕佳的精確度測得 RF 的特性參數(shù)。

圖1 : NI PXI平臺(圖片來源：ni.com)

是德科技E6640A EXM無線測試儀

是德科技臺灣區(qū)總經(jīng)理張志銘：「我們可提供業(yè)界最高的測試速率！」

E6640A EXM無線測試儀同時支援序列和並聯(lián)載波聚合測試流程，無需使用其他測試設(shè)備，可經(jīng)濟(jì)有效地因應(yīng)前述測試挑戰(zhàn)。EXM可在小型機(jī)箱中配置多達(dá) 4 個完整的TRX測試儀，以實現(xiàn)高密度測試。每個測試儀都內(nèi)建靈活的4埠RFIO面板，無需使用複雜且昂貴的外部切換元件。

EXM可透過一臺輕巧的主機(jī)提供4臺測試儀，如此可減少儀器佔用的空間，並可共用單一內(nèi)部控制器、時序參考和內(nèi)部電源，讓製造商能降低資本投資。此外，EXM採用是德科技為X系列分析儀和無線測試儀開發(fā)的量測技術(shù)。這些技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可提供業(yè)界最高的測試速率。

圖2 : 是德科技E6640A EXM無線測試儀(圖片來源：keysight.com)