La tecnología 5G gana ímpetu, los estándares se consolidan y, mientras tanto, crece la expectativa en todo el mundo. Al tiempo que el Proyecto Asociación de Tercera Generación (3GPP) publica las especificaciones actualizadas referidas a la 5G, los diseñadores deben resolver los desafíos técnicos de la 5G de onda milimétrica, como la pérdida de propagación, el ancho de banda y la accesibilidad de instrumentos. Cuando un nuevo servicio de 5G se fija a las redes de comunicación de 4G ya existentes, surgen problemas de coexistencia e intermodulación. Y a medida que los fabricantes integran componentes de onda milimétrica en los dispositivos móviles, aparecen nuevos desafíos por delante. Frente a todos esos desafíos técnicos, es necesario realizar simulaciones a nivel del sistema y diseñar circuitos para poder superar las pruebas de 3GPP, como, por ejemplo, las pruebas por aire (OTA) para 5G.
Diferencias entre los diseños de 5G NR y 4G LTE
En esencia, los requisitos para 5G sub-6 GHz y para 4G RFFE son similares. Sin embargo, hay varias diferencias entre 5G NR y LTE que el diseñador de frecuencia de radio (FR) debe tener en cuenta.
La primera de ellas es un mayor ancho de banda. El estándar 5G NR tiene un ancho de banda de canal máximo de hasta 100 MHz, y un amplio espectro asignado a nuevas bandas. La banda n77 NR, por ejemplo, tiene una gama de frecuencias de 900 MHz desde 3.3 GHz hasta 4.2 GHz, demasiado ancha para que la respalde un único componente. Por esa razón, los diseñadores deben probar y verificar más componentes que los que requerían los diseños de LTE previos.
Otra diferencia importante es la forma de onda. El portador de enlace ascendente para 5G NR usa las formas de onda CP-OFDM y DFT-S-OFDM. En comparación con LTE, también existe una diferencia en la proporción entre la potencia pico y la media (PAPR) en la señal de enlace ascendente. Usar nuevas formas de onda para superar las restricciones y los problemas que tiene la forma de onda de 4G actual (OFDM) requiere modificar la arquitectura existente. La nueva arquitectura tiene que poder admitir las nuevas formas de onda de 5G, así como las antiguas formas de onda de 4G. El modo en que esos tipos de formas de onda coexistirán también presenta desafíos. Tales interacciones complejas y escenarios de coexistencia requieren ser explorados mediante simulación antes del lanzamiento de los diseños de 5G.
Por último, la tecnología 5G genera desafíos en cuanto a las implementaciones de múltiples bandas y múltiples tecnologías de acceso radioeléctrico (RAT). La tecnología 4G, con más de 100 combinaciones de banda, ya era compleja. Con la 5G, esa cantidad aumenta de forma exponencial debido a las numerosas bandas y gamas de frecuencia, y a los nuevos esquemas de unión de canales. Los problemas de intermodulación son más serios a causa de los requisitos de múltiples bandas de la 5G, y mucho más difíciles de solucionar incluso para un diseñador experimentado. Los diseñadores deben realizar simulaciones y pruebas para tratar de resolver problemas de intermodulación, como la interferencia en las comunicaciones celulares, que puede dificultar la receptividad e, incluso, obstruir la comunicación por completo.
Con el cambio a 5G, toma mucho tiempo crear los miles de casos de prueba requeridos, que incluyen pruebas para verificar la admisión de más bandas de frecuencia, pruebas para validar diversos escenarios de agrupación de portadores (CA), así como calcular intermodulaciones y frecuencias armónicas con diferentes combinaciones de bandas agresoras y bandas víctimas. Los experimentados ingenieros de desarrollo de componentes de 4G confían en que su producto alcanzará las métricas de rendimiento a nivel del sistema cuando sea integrado en el sistema objetivo. Sin embargo, en los casos de 5G DC, muchos ingenieros de RF deben investigar más y llevar a cabo más simulaciones para alcanzar el rendimiento necesario a nivel del sistema.
Resolución de problemas mediante la simulación por aire
El 3GPP estableció un estándar de pruebas OTA para 4G y se esforzó por definir una especificación del rendimiento de irradiación para 5G. Con un sistema de pruebas OTA, los ingenieros pueden hacer mediciones de la antena, paramétricas de RF y pruebas de funciones y protocolos. Una compleja combinación de software y hardware controla el sistema. Cuando surge un problema, es útil hacer simulaciones de un entorno OTA para modelar bloques de edificios, lo que da como resultado un mejor rendimiento para hacer análisis de causa raíz.
Los bloques de edificios que se usan en la simulación brindan gran flexibilidad para modelar diversos componentes en el sistema OTA, y cumplen el estándar del 3GPP para el IP del módem de la banda base de referencia. Estos bloques de edificios pueden usarse para modelos de comportamiento de RF con características no lineales, patrones de antenas, controladores de haz dentro de la cámara e, incluso, instrumentos virtuales.
Conclusión
La abundancia de nuevas configuraciones de bandas de frecuencias inferiores a 6 GHz, en combinación con la conectividad dual de 5G NR y LTE, y la complejidad de dispositivos móviles de onda milimétrica sin accesibilidad de instrumentos dificulta mucho el desarrollo de dispositivos comerciales de 5G a los ingenieros de diseño y verificación.
Los paquetes integran más dispositivos que requieren distintos tipos de diseño y de herramientas de simulación. Se requieren herramientas modernas de diseño electrónico automatizado (EDA) para todo el proceso, desde la implementación a nivel del componente hasta la verificación del rendimiento a nivel del sistema.
La complejidad de la 5G sigue creciendo, y soluciones como el simulador de circuito de Keysight (ADS) y el simulador del sistema de comunicación (SystemVue) brindan la posibilidad de caracterizar a nivel del componente y evaluar a nivel del sistema, en un único entorno de solución. Desarrollar soluciones eficaces como esas sigue siendo uno de los desafíos más grandes en el camino hacia la tecnología 5G para los expertos en tecnología inalámbrica.
Por Kaelly Farnham | Gerente de Marketing de PathWave, Keysight Technologies
