De uitrol van 5G is een complexe en monumentale inspanning waarbij meerdere afzonderlijke systemen betrokken zijn die in realtime feilloos moeten samenwerken, waardoor het moeilijk is om te bepalen waar problemen kunnen ontstaan, of hoe en wanneer ze moeten worden getest.

Investeringen in 5G zijn al bijna tien jaar aan de gang, en de technologie wordt beschouwd als de volgende enorme groeimogelijkheid voor mobiele apparaten — van smartphones tot auto's en vrachtwagens — evenals slimme infrastructuur en steden, slimme productie en zelfs industrieën zoals de landbouw , waar autonome landbouwmachines nauwkeuriger kunnen worden bestuurd.

De uitdagingen bij deze uitrol zijn echter aanzienlijk. En ondanks enkele eerste successen en technologische verbeteringen, zijn die uitdagingen nog steeds niet helemaal opgelost. Onder hen:

• Er is niet één implementatie van 5G. Naast de twee meest voor de hand liggende smaken van deze technologie - sub-6 GHz, wat in wezen een snellere versie van 4G LTE is, en millimetergolf (mmWave), die hogere frequentiebanden gebruikt - zijn er lokale implementatie-uitdagingen op basis van regionale verschillen in beschikbare draadloze spectra, terrein en beschikbaar kapitaal om de infrastructuur te bouwen en te bewaken.
• Afhankelijk van de frequentie zullen signalen op verschillende afstanden en snelheden verzwakken. Hoe korter de afstand, hoe meer repeaters er nodig zijn. Al deze apparatuur, van basisstations tot repeaters, is onderhevig aan weersomstandigheden. In extreem warme omgevingen wordt de levensduur van de chip verkort door versnelde chipveroudering. En in de meeste toepassingen vereist temperatuurvariatie voortdurend testen en aanpassingen om rekening te houden met signaalafwijking.
• Hoe hoger de frequentie in de mmWave-spectra, hoe gevoeliger signalen zijn voor onderbrekingen. Dat betekent dat hetzelfde basisstationsysteem-in-pakket of SoC dat in het ene land is ontwikkeld, in een ander land mogelijk niet zo goed werkt. En omdat die spectra-toewijzingen aan het veranderen zijn (de Amerikaanse FCC is van plan om spectra vrijmaken van zo laag als 26 GHz tot zo hoog als 90 GHz, bijvoorbeeld), zullen chips die vandaag zijn ontwikkeld in de toekomst mogelijk niet zo goed werken.

Ondanks deze problemen zijn communicatiebedrijven en apparatuurfabrikanten ervan overtuigd dat mmWave-technologie levensvatbaar is. Hun investeringen in deze technologie zijn een weerspiegeling van die toewijding en de potentiële voordelen zijn aanzienlijk. Bij hogere frequenties kan er veel meer data worden gestreamd in minder tijd dan bij eerdere generaties chips, en dat kan allemaal met minder stroom.

Uitdagingen voor de toekomst
Het is algemeen bekend dat mmWave-signalen niet om hoeken kunnen buigen, zoals 4G of sub-6 GHz 5G. Met 6G, de volgende revolutie van draadloze technologie, zullen dit soort problemen nog meer uitgesproken zijn. Maar zelfs voordat de technologie dat stadium bereikt, moeten enkele basisprincipes worden aangepakt, zoals testen hoe de verschillende componenten zullen werken: basisstations, signaalverlengers (repeaters) en handsets of andere eindapparaten.

Het testen van chips op kwaliteit en betrouwbaarheid tijdens de productie is goed begrepen. Wat anders is met 5G, is dat de chips ook moeten worden getest in de context van de andere stukken en use-cases. Dit was een grote uitdaging, omdat geen van de drie belangrijkste elementen volledig is ontwikkeld.

"Elke leverancier van een chip heeft een andere manier waarop ze hun draadloze verbindingen willen testen om er zeker van te zijn dat ze goed werken en om te controleren of hun chips voldoen aan hun eigen kwaliteitsnormen", zegt David Vondran, productmanager draadloze producten bij Teradine. “Je moet er ook rekening mee houden dat elke leverancier zijn eigen strategieën heeft over de positie van die chip in het ecosysteem. Die worden beïnvloed door economie en kwaliteit. Je zou de functionaliteit van een chip voor een premium toestel kunnen testen om er zeker van te zijn dat de gevoeligheid van de ontvangers goed werkt. Misschien wilt u ervoor zorgen dat de zenders in het juiste spectrum werken zonder vervuiling van out-of-band prestaties. En misschien wil je hieraan meewerken.”

Fig. 1: 5G-middenfrequentiesignaaldistributie in smartphone. Bron: Teradyne

Samenwerking binnen het ecosysteem is essentieel. "Tegenwoordig zijn er millimetergolftelefoons, maar die kun je alleen in bepaalde gebieden gebruiken omdat de basisstations nog niet zijn ingezet", zegt Adrian Kwan, senior business development manager bij voordeeltest. "Je zult zien dat 5G de komende twee jaar echt wordt."

In de meeste regio's blijft de uitrol van 5G-handsets en basisstations vlekkerig. Maar de komende jaren zal dat waarschijnlijk versnellen. Zo voltooide SK Telecom eerder dit jaar een proef voor een standalone 5G-netwerk, waardoor signalen konden terugkeren naar 4G wanneer 5G-snelheden niet beschikbaar waren. Die combinatie zal nodig zijn wanneer signalen worden onderbroken of er onvoldoende 5G-infrastructuur is. Maar een grote uitdaging is hoe de interacties van al deze apparatuur in realtime en gedurende de levensduur van de apparatuur kunnen worden getest om serviceonderbrekingen te voorkomen.

"Met testen zijn er twee verschillende benaderingen", zei Kwan. “Ten eerste zijn er apparaten die geleidend testen doen voor beamforming. Er zijn ook klanten die over-the-air (OTA) beamforming-testen doen.”

Welke kant de markt uiteindelijk opgaat, is op dit moment nog niet bekend. Advantest gelooft dat dit uiteindelijk een geleidende ATE-oplossing zal zijn. Teradyne gelooft dat er een sterk spel zal zijn voor OTA. Het is niet duidelijk of beide zullen worden gebruikt voor verschillende delen van het systeem, of dat er één zal winnen. In beide gevallen is het doel echter om de betrouwbaarheid te verbeteren en de testtijd te verkorten, wat uiteindelijk de kosten zal verlagen en de doorvoer in de fabriek zal verbeteren.

Maar om betrouwbaarheid te garanderen, moet het hele systeem werken, niet alleen de componenten. In handsets wordt de gefaseerde antenne-array ingebouwd in een systeem-in-pakket, en de servicekwaliteit kan variëren, afhankelijk van hoe het eindapparaat wordt gebruikt en hoeveel ruis andere toepassingen veroorzaken. Dit vereist zowel flexibele prioritering van gegevens als intelligente verdeling van de stroom.

Een tweede uitdaging betreft de continuïteit van de dienstverlening. Storingen kunnen een ergernis zijn met een smartphone, maar ze kunnen ernstigere problemen veroorzaken als het gaat om autotoepassingen of slimme infrastructuur.

"Je hebt ultralage latentie en multi-link-topologieën nodig", zegt Kwan. “Autonome voertuigen zijn erg afhankelijk van dit soort instellingen voor continue communicatie die niet wegvalt. Om dat te laten werken, moeten klanten repeaters inzetten, bijvoorbeeld op lantaarnpalen of verkeerslichten.”

Dat voegt nog een uitdaging toe, omdat sommige van deze chips op geavanceerde nodes worden ontwikkeld. Onder extreme omstandigheden zullen circuits op welbegrepen manieren verouderen. Ze kunnen last hebben van elektromigratie, tijdafhankelijke diëlektrische doorslag (TDDB) of inconsistent geheugenbehoud. Bovendien kan software snel opgeblazen raken met een reeks beveiligingsupdates, wat de prestaties op al deze apparaten kan beïnvloeden.

"In het verleden gingen halfgeleiders naar zeer gecontroleerde omgevingen - laptops, pc's en datacenters", zegt Danielle Baptiste, vice-president en algemeen manager software bij Op naar innovatie. Dat is niet langer het geval en er zal een constante terugloop van monitoringgegevens moeten zijn om de betrouwbaarheid te verbeteren. “De chips zullen rapporteren, zodat we kunnen beginnen te begrijpen of er een soort van onvoorspelbaar resultaat is als het eenmaal in het veld is, en wat dat echt betekent. Dan kunnen we beginnen die gegevens terug te voeren in het productieproces. Wat er in het veld gebeurt, wordt echt boeiend en interessant.”

Ook dat veld wordt breder en gevarieerder. "Iedereen weet dat we met de vijfde generatie van de mobiele telefoon het voordeel hebben van hogere snelheden", zegt Andy Heinig, groepsleider voor geavanceerde systeemintegratie en afdelingshoofd voor efficiënte elektronica bij Fraunhofer IIS ' Engineering van de afdeling Adaptive Systems. “We kunnen snelheden tot 20 gigabit per seconde halen, en dat is mogelijk dankzij de nieuwe frequentiebanden. In vergelijking met technologieën van de oudere generatie hebben we enorme input en output en realtime mogelijkheden, en dit werkt goed voor automobiel- en industriële toepassingen. Je kunt energie besparen als je dezelfde communicatiesnelheid hebt, en in automotive kun je ook 'achter heuvels kijken' en 'om de hoek kijken' met behulp van auto-naar-auto-communicatie.”

Er zijn ook minder voor de hand liggende voordelen. Dus in plaats van grote antennes, kan bij hogere frequenties de grootte van die antennes worden verkleind tot 4 x 4 arrays in een geavanceerde verpakking. En in plaats van alles op een bord te zetten, kunnen sommige van de passieve componenten naar die pakketten worden verplaatst, wat verbeterde prestaties oplevert.

Kwaliteitsverzekering
Dit alles moet ook worden bekeken in de productie- en verpakkingsstroom. Testen is slechts een van de vele processen die bij 5G betrokken zijn, en de meeste worden in deze context ingewikkelder. DFT is uitdagend genoeg met complexe apparaten, maar het is een grotere uitdaging wanneer die apparaten synchroon moeten werken.

Evenzo vereisen simulatie, emulatie en prototyping in de context van andere componenten veel grotere datasets, evenals enorme hoeveelheden rekenkracht. Het vereist ook een continue lus tussen de verschillende spelers in een ecosysteem vanwege de snelheid waarmee deze technologie zich beweegt.

"Het feit dat de specificatie heel vaak verandert voor 5G, en nu 6G is hetzelfde probleem dat we jaren geleden zagen met switches en routers", zegt Jean-Marie Brunet, vice-president productbeheer en productengineering bij Siemens Digital Industries-software. "Dit vereist dat je een model hebt dat je kunt aanpassen en toepassen op de specificatie en kunt zien hoe het virtueel reageert. Deze ontwerpen zijn ook erg groot. We zien veel ontwerpen met protocolschakelaars, waar veel combinaties mogelijk zijn. Ze moeten worden geverifieerd met meerdere configuraties, specificaties, formaten en interfaces. Er zijn talloze combinaties. De enige manier om dit allemaal te doen is met hardware-ondersteunde verificatie.”

De uitdaging hier is dat het vergelijken van resultaten kan variëren afhankelijk van het tijdstip van de dag en de omgevingscondities. "Als iemand om middernacht een weg oversteekt, wordt het een heel andere simulatie dan wanneer iemand dat overdag doet met veel verkeer," zei Brunet. “Het zal ook variëren, afhankelijk van het weer. U moet die veranderingen in communicatie simuleren. Anders moet je alles testen. Er zijn al veel bedrijven die 5G gebruiken en ze emuleren voor hun specifieke gebruik.”

Afb. 2: Industriële 5G-router. Bron: Siemens

met geavanceerde verpakking, wat vereist is voor strakke vormfactoren, kunnen potentiële problemen zoals die-shift en structurele zwakheden pas verschijnen als de verpakking is verzegeld. Hoewel dit misschien een wereld verwijderd lijkt van hoe een smartphone werkt, kan dit een weerkaatsing hebben over de hele wereld. Het probleem is hoe ze te vinden, en er is iets van een langzame race gaande tussen technologieën die in het verleden grotendeels beperkt waren tot onderzoeksinstellingen of productie in kleine hoeveelheden. Dit omvat verschillende manieren om verschillende chips in een pakket aan te sluiten, evenals metrologie en inspectie die diep genoeg is om latente defecten te identificeren en toch snel genoeg om het kosteneffectief te maken.

"De betrouwbaarheidsvraag blijft komen, en het typische antwoord is meer metrologie", zegt Hector Lara, directeur en business manager voor micro-elektronica AFM bij Bruker Nano-oppervlakken. "Met AFM, we zien een 'afstoffen' van gesprekken. We hebben niet veel gespeeld op het gebied van verpakkingen omdat de doorvoervereisten zo streng zijn. U zou bijvoorbeeld een verbetering van 300x nodig hebben om overeen te komen met elk ander meetinstrument, en de redelijke doorvoer voor deze technologie ligt in het 5X-bereik. Maar bedrijven ontdekken dat ze twee of drie andere metrologische stappen kunnen verwijderen met AFM die x,y,z in verpakkingen doet, en naarmate ze nieuwe fabs ontwikkelen, willen ze nieuwe benaderingen gebruiken.”

Conclusie
Het kost tijd om de knikken uit elke nieuwe technologie te halen. De vroege dekking van mobiele telefoons was op zijn best vlekkerig, en in het verkeer op de snelweg vielen zelfs laagfrequente signalen regelmatig weg omdat basisstations het volume niet aankonden. De uitdaging met 5G is niet dat oproepen worden verbroken, maar dat de verbindingen met de hoogste snelheid mogelijk worden onderbroken, waardoor apparaten worden gedwongen terug te keren naar communicatie met een lagere frequentie.

Het plannen van dit soort onderbrekingen en verminderde prestaties is waar al deze betrouwbaarheidstests, simulatie en voortdurende monitoring in de nabije toekomst een belangrijke rol zullen spelen.

"Het is een multidisciplinair probleem, en dat is het uitdagende van dit alles," zei Teradyne's Vondran. “In deze millimetergolfgrens is het erg moeilijk om al die expertise in één persoon te vinden. We hebben multidisciplinaire teams van experts ontwikkeld - systeemintegrators, om zo te zeggen - die hun carrière hebben gewijd aan dit soort dingen. En hoewel het een uitbreiding is van de uitgevoerde test uit het verleden, passen ze het nu toe op innovatieve problemen in de toekomst, zoals bundelvormende antennestructuren. Het is meer dan een team. Er is nu een hele stam voor nodig.”