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《新通訊》5G測試認證技術全面解析

8. 十二月 2020

《新通訊》5G測試認證技術全面解析(作者:李春和)

文/李春和(DEKRA德凱台灣營運總經理)

手機技術的推動約可分為每10年一個世代,從1990年的2G GSM、2000年的3G WCDMA,到2010年的4G LTE,再到今年2020年的5G NR,未來6G技術也開始醞釀。6G的主要內容還不明確,目前僅了解會往更高頻段的頻域發展。有趣的是,當發展到5G NR,無線網路技術也改為世代的名稱,如現在的最新無線網路技術802.11ax被稱為Wi-Fi 6,而前一代的Wi-Fi 802.11ac則被改稱為Wi-Fi 5,802.11n被改稱為Wi-Fi 4,這樣的命名能更清楚劃分技術的世代交替。

5G認證是4G認證延伸

要將新技術推廣至使用者市場,除了需要技術論壇訂定新技術規範,也需要研發人員將此技術付諸實現到終端產品,而較不為一般消費者所知的是,每項新產品都需要經過專業的測試認證實驗室的服務,並協助取得每個目標銷售國家的證書,才能順利進口到各個國家,乃至消費者手中。

為何說5G認證是4G認證的延伸?原因是具備最新技術的產品都須同時配備前一代或是前面數代的技術,否則這個新技術產品使用上將到處碰壁,以5G而言,初期布建5G網路的地區跟國家並不多,產品若未提供4G技術,將大幅限制新產品的使用,換言之,5G產品會包含4G、3G甚至2G。無線網路技術也是如此,Wi-Fi 6產品也常會配備Wi-Fi 5及Wi-Fi 4,而5G產品也會配備最新的Wi-Fi 6技術及最新的藍牙5.2的技術,以達到室內定位及實現音頻設備間高速率傳輸的新功能。與此同時,更新的Wi-Fi 6E也很快會出現,所以在執行5G測試認證時就必須同時執行前面數代的舊技術,以及最新的5G及Wi-Fi 6的測試。因此,當各種無線技術演進時,測試認證的難度跟費用將不可避免地提高,花費時間也相對地增加。

一般無線產品在測試認證時,主要分為兩大類,一種是強制性認證,另一種則是自願性認證,以下便詳細說明其內容及差異。

強制性認證

強制性認證指的是每個國家頻譜主管機關依據法規命令對境外輸入或國內製造生產的產品要求進行強制性檢驗,所以,產品必須依據該主管機關訂定之法規進行測試且取得型式認證(Type Approval)或是符合性聲明,視各國依據產品類別之要求為準。換言之,沒有通過當地法規的驗證許可,則無法在該地上市販售,而這當中最常申請的強制性認證就是美國聯邦通訊委員會(FCC)、歐盟的CE以及台灣的國家通訊傳播委員會(NCC),另外常見國家還包括日本總務省,韓國的韓國廣播通信委員會(KCC)、加拿大的加拿大工業部(ISED)及中國的國家無線電管理委員會(SRRC),而若要出口到這些主要國家以外的地區,一般通稱為國際認證(IA),諸如東南亞各國或是南美洲境內各國。

強制性認證的程序一般分為在產品研發初期利用公司內部的簡易實驗室測試,或由第三方專業檢測實驗室符合國際規範要求的測試場地進行檢測,可同時進行除錯或是改版驗證,以確保產品可以通過應符合的測試項目並取得預定上市國家的型式認可證書。

雖然強制性的測試內容按照各國法規要求有所差異,但是大多以美國FCC標準以及歐洲的CE標準為參考基礎而劃分為兩大陣營。美國的FCC標準的測試項目包括無線電射頻(RF)、電磁干擾(EMI)及人體特定吸收率(SAR);歐洲標準則為無線電射頻、電磁干擾及電磁耐受、人體特定吸收率及安規(Safety),而台灣的NCC標準就同時參考了歐洲跟美國標準。由此可見,即使每個國家要求不一,但通常不脫四大範疇包括無線電射頻、電磁相容(EMC)、人體特定吸收率和安規。

無線電射頻(RF)最主要的測試項目包括:輻射功率,確保輻射功率低於限值,避免電波使用互相干擾;頻譜遮罩(Spectrum Mask),確保鄰近頻道不受干擾;混附發射(Spurious Emission),降低整體雜訊避免干擾其他無線通訊裝置;頻帶邊緣 (Band Edge),為限制主要發射功率皆操作於許可使用頻帶內。無線電射頻是產品的主角,亦是產品的主要技術基礎,所以會是每個國家認證最謹慎審核的項目,也是測試最花時間的領域。

電磁相容包括兩個主要項目:電磁干擾,確保產品不會影響其他電子產品;電磁耐受性,確保產品可以抵抗別的產品的干擾。電磁波干擾及耐受性各有二到七項的測試,電磁耐受性測試最為人所知的是靜電放電測試以及防雷擊測試,若是產品的抗干擾能力很好,則可避免引起誤動作等問題,也能確保較長的使用年限。

人體特定吸收率(SAR)主要為頭部及身體兩個部位的手機電磁波輻射量測,代表單位質量的人體組織所吸收或消耗的電磁功率,標準內包含重要的人體防護安全範圍,適合各年齡層及健康狀況的使用者,目的在確保所有人的健康安全。人體特定吸收率有兩個主要測試項目是頭部特定吸收率(Head SAR)與身體特定吸收率(Body SAR)(見圖1)。

頭部輻射吸收率包括左右臉頰以及貼緊及傾斜角度測試,身體輻射吸收率則必須測試產品的6個面。一般而言,美國的標準比歐洲嚴格,所以必須花更多時間調整天線跟功率來通過測試。最近幾年因為手機支援的頻段不斷增加,且各國政府持續要求更嚴格的測試條件,使得人體輻射吸收率的測試更難通過,測試時間也是數倍地增加,更特別的是,近20年間曾有好幾間人體輻射吸收率測試設備試圖進入市場,但是最終只有一家廠商為FCC接受,也讓這項設備的價格水漲船高,取得設備的時間也要超過半年。另外,因5G技術也使用毫米波頻段,傳統測試方法無法使用,新的測試方法稱為功率密度(Power Density),同時也必須升級測試設備。

安規是最早、最傳統的認證要求,所以認證方法最成熟,可以提供服務的專業實驗室也最多,即使安規是最傳統的認證,但它卻至關重要,因為它牽涉到安全問題,前幾年曾發生電池爆炸、或手機充電觸電、甚至起火等事件,都直接影響生命安全。

上述這些測試標準,一般而言不同射頻技術就有不同標準,不同頻段也參考到不同標準,因此為了完成一個5G認證,測試認證超過20個法規標準是必然的事。

自願性認證

自願性認證指的是每個國家要求以外的認證,產品會選擇這些自願性認證,通常是為了配合某些組織的要求、提高知名度及拓展市場。

最有名的自願性認證包括歐洲的手機GCF認證以及美國手機PTCRB以及CTIA認證,而無線技術則有Wi-Fi Alliance及Bluetooth SIG。另外,歐美的電信營運商還會根據自己的網路特性有自己的營運商測試認證,最有名的營運商認證包括美國的 Verizon Wireless、T-mobile、AT&T及歐洲的Vodafone。

自願性認證的程序跟強制性類似,必須在產品研發初期就透過公司內部簡易實驗室或有規模的專業測試實驗室進行測試,並進行除錯或是改版,以確保量產版可以順利通過這些自願性的測試項目並取得這些自願性的證書。

手機的自願性認證是參考3GPP標準以及CTIA OTA標準,測試內容則為GCF及PTCRB包括無線電射頻、無線資源管理(RRM)、通訊協定(Protocol)、性能(Performance)、SIM卡(SIM)。若無法通過GCF及PTCRB的測試,雖然仍然可販售,但可以預期使用者會遇到基地台連線問題,且資料流量偏低,必然產生許多客訴,也會影響公司形象。

另外,CTIA OTA則包括全輻射能量(TRP)、全輻射接收(TIS)、中間通道靈敏度(ICS)、干擾測試(Wi-Fi/Cellular Desense)和資料傳輸量(MIMO)。CTIA是北美的一個民間組織,他們發展出空中傳遞(OTA)測試方法,可以有效地檢視天線效能,因此被全世界電信業者廣為採用,這些主要測試項目是在檢視射頻透過天線的3維輻射能量以及接收靈敏度,或是被其他訊號或是射頻干擾的狀況,以及多天線狀況下的資料傳輸量。這些測試項目皆須評估自由空間、人頭模型、人手模型的使用狀態(見圖2)。

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5G認證的困難度

雖說5G認證是4G認證的延伸,然5G認證遠比4G複雜許多,主要原因有5點,第一,5G技術更多元。5G技術的高頻寬主要用在手機及通訊產品,其高可靠度和低時延(uRLLC)主要用在自動駕駛,大規模物聯網(mMTC)則用在物聯網(IoT),所以5G 衍生了其他的應用標準,比如C-V2X,而C-V2X又是跟手機不同的認證領域。

第二,5G技術包括很寬的頻域。5G NR的授權頻域,除了4G常常使用的3GHz以下頻段,還包括3.5GHz(n48、n77、n78),5~6GHz(n47、n96),這些統稱為sub-6GHz或是FR1,都是主頻在6GHz以下的頻段,未來將延伸到Sub-7GHz;另外還包括毫米波(mmWave)的26GHz(n258)、28GHz(n257、n261)及39GHz(n260),這些又稱為FR2。

第三,5G區分為非獨立組網(NSA)及獨立組網(SA)。NSA跟4G技術綁在一起,是過渡性技術;SA則是純5G,這樣的技術使得測試量幾乎達到兩倍之多,也使得測試難度提高。

第四,5G的3GPP標準仍在演進中,使得測試設備必須不斷更新,產品本身也必須不斷調整。

第五,毫米波測試。毫米波的射頻及天線設計比6GHz以下產品困難許多,同樣的,毫米波量測是過去專業實驗室不熟悉的領域,因為它的空中傳遞能量衰退速度快,除了須添購極高頻的昂貴設備,測試方法及準確性在在皆是挑戰。

5G手機除了須通過強制性認證,也須考慮產品效能,尤其是射頻及天線效能。良好的天線效能可能使得人體特定吸收率超過標準,迫使研發人員必須設法改變天線的發射場型,或是必須設計一個感測器,當感測到靠近人體時,即自動降低發射功率,這些測試目的與性能相互抵觸,使得通過認證更加困難。因此高通發展出能量發射波束及智慧發射(Smart Transmit)技術,來按照不同情境自動調整功率。

5G認證的解決方案

當產品準備就緒,接下來面對的就是上市前的最後一關-測試認證。當然,最簡易的方案是將需要測試的產品交給專業的測試認證實驗室,若選擇此方案,須評估實驗室規模、相關產品測試經驗、國際知名度、所有測試領域的產能、服務專業度等。

但若公司產品規模夠大,亦可考慮建置專屬實驗室,若產品將銷售到美國市場,則須購買符合美國FCC要求的相關設備,包括3米電磁波無響室、人體特定吸收率測試系統及所有高頻/毫米波儀器設備等(圖3),聘請專業測試人員並通過台灣TAF認證取得ISO/IEC 17025測試實驗室證書,成為公正測試實驗室便可為自己的產品測試、發行報告並通過審核流程獲取FCC證書。

若市場為歐洲,則須建置安規實驗室、無線電射頻及電磁相容實驗室、人體特定吸收率測試系統及所有高頻/毫米波儀器設備等,當然部分設備可與美國FCC測試系統共用,便可為自家產品發報告,雖然大多數產品在歐洲是採用自我宣告方式,不一定須取得證書,但5G產品類別對應之法規尚未調和,故仍需送交Notified Body審驗發證後始得進入歐盟市場。

至於GCF和PTCRB,一般建議購買市場最能接受的三大品牌,分別是美國品牌是德科技(Keysight)、日本品牌安立茲(Anritsu)以及德國的羅德史瓦茲(Rohde & Schwarz),然設備費用偏高,還須不斷提升硬體及軟體版本,每年亦須支付高額維護費用。CTIA的OTA無響室則推薦美國的ETS-Lindgren或是MVG,要能夠發行有效報告,同樣在認證也取得相關的設備後,必須取得TAF認證、PTCRB及CTIA的認證。

如上所述,5G是4G的延伸,5G產品亦配備其他先進的Wi-Fi 6技術及藍牙5.2,而5G又包括非獨立組網(NSA)及獨立組網(SA),及毫米波、C-V2X等新領域,公司要自己投資建設內部實驗室(In-house)難度頗高,而當選擇外測時,更須慎選專業實驗室,確保實驗室能夠滿足專業諮詢及所有相關5G廣泛領域的能量要求,才能放心將產品交給他們為產品把關,順利取得所有技術及所有領域的證書,讓產品順利上市。

原文連結:2020.11.27《新通訊》確保取得產品上市門票 5G測試認證技術全面解析

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