美国标准技术研究院NIST开发便携SAMURAI系统,可用于5G信道精确测量

美国国家标准技术研究院(NIST)的工程师已经开发出一种灵活的便携式SAMURAI测量系统,以支持第五代(5G)无线通信设备的设计和可重复的实验室测试,并在各种信号频率和场景中具有前所未有的准确性。可用于5G信道精确测量。

该系统被称为SAMURAI,是入射角不确定性合成孔径测量的简称。该系统是第一个提供5G无线测量的系统,其精度可到基本物理标准–这是一个关键特征,因为即使是微小的误差也会产生误导性的结果。SAMURAI的体积也足够小,可以运送到现场测试。

美国标准技术研究院NIST开发出便携式SAMURAI系统,可用于5G信道精确测量
NIST的SAMURAI,这是一种便携式测量系统,可以以前所未有的精度支持5G无线通信设备的设计和可重复性实验室测试。

现在,诸如手机,消费者Wi-Fi设备和公共安全无线电之类的移动设备大多以低于3 GHz的电磁频率运行,并且天线在所有方向上的辐射均等。专家预测,5G技术可以通过使用24GHz以上的更高 “毫米波 “频率和高度定向、主动变化的天线模式,将数据速率提升千倍。这种有源天线阵列有助于克服这些高频信号在传输过程中的损耗。5G系统还同时通过多条路径–即所谓的空间信道–发送信号,以提高速度和克服干扰。

许多仪器可以测量定向5G设备和信道性能的某些方面。但大多数仪器侧重于在有限的频率范围内收集快速快照,以提供信道的总体概况,而SAMURAI则提供了详细的图像信息。此外,许多仪器的物理尺寸非常大,它们会扭曲毫米波信号的传输和接收。

SAMURAI有望帮助解决围绕5G使用有源天线的许多未解答的问题,例如当高数据速率同时在多个信道上传输时会发生什么。该系统将有助于改进理论、硬件和分析技术,以提供准确的信道模型和高效网络。

SAMURAI提供了一种经济有效的方法来研究许多毫米波测量问题,因此该技术将可供学术实验室以及仪器计量实验室使用。由于其可追溯至标准,用户可以对测量充满信心。该技术将允许更好的天线设计和性能验证,并支持网络设计。

SAMURAI测量信号的频率范围很广,目前最高可达50GHz,明年将扩展到75GHz。该系统之所以得名,是因为它能在网格或虚拟 “合成孔径 “上的许多点测量接收信号。这允许在三维空间重建传入的能量–包括到达信号的角度–这受许多因素的影响,例如信号的电场如何从传输路径中的物体上反射。

SAMURAI可以应用于各种任务,从验证有源天线的无线设备的性能,到测量金属物体散射信号的环境中的反射通道。NIST的研究人员目前正在使用SAMURAI开发用于测试毫米波频率的工业物联网设备的方法。

基本组件包括两个用于发送和接收信号的天线,具有精确定时同步的仪器产生无线电传输和分析接收,以及一个六轴机械臂,该机械臂将接收天线定位在形成合成孔径的网格点上。该机器人可确保准确且可重复的天线位置,并在3D空间中描绘出各种接收模式,例如圆柱形和半球形。在测试设置中可以放置各种小型金属物体,如平板和圆柱体,以代表建筑物和其他现实世界中阻碍信号传输的因素。为了提高定位精度,还使用10个摄像头系统跟踪天线,并测量信道中散射信号的物体位置。

该系统通常连接在一个5英尺×14英尺(1.5米×4.3米)的光学台上。但该设备非常便携,可以用于移动式现场测试,也可以移动到其他实验室环境中。无线通信研究需要一系列实验室测试-受到良好控制以帮助隔离特定效果并验证系统性能-以及现场测试,这些测试涵盖了各种实际条件。

测量可能需要几个小时才能完成,因此(固定)信道的所有方面都要记录下来,以便日后分析。这些数值包括环境因素,如温度和湿度、散射物体的位置以及测量系统精度漂移。

NIST团队与科罗拉多州Golden的科罗拉多矿业学院的合作者一起开发了SAMURAI。研究人员已经验证了基本操作,现在正在将由于机械臂的不必要反射、位置误差和天线模式造成的不确定性纳入到测量系统中。

论文: Setup and Control of a Millimeter-Wave Synthetic Aperture Measurement System with Uncertainties. Presented August 7, 2020, at the 95th ARFTG Microwave Measurement Conference

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