NIST的SAMURAI精确测量5G通信通道

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，在各种信号频率和场景下均具有前所未有的准确性。

该系统称为SAMURAI，是入射角不确定度的合成孔径测量的缩写。该系统是第一个提供可精确到基本物理标准的5G无线测量的系统，这是一项关键功能，因为即使很小的错误也会产生误导性的结果。SAMURAI还足够小，可以运输到现场测试。

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，并且天线在各个方向上的辐射均等。专家预测，通过使用高于24 GHz的更高的“毫米波”频率和方向性强，不断变化的天线方向图，5G技术可以将数据速率提高一千倍。这种有源天线阵列有助于克服在传输过程中这些高频信号的损失。5G系统还可以同时通过多个路径(即所谓的空间信道)发送信号，以提高速度并克服干扰。

许多仪器可以测量定向5G设备和信道性能的某些方面。但是，大多数人专注于在有限的频率范围内收集快速快照以提供频道的一般概述，而SAMURAI提供详细的肖像。此外，许多仪器的体积如此之大，以至于它们可能会使毫米波信号的发送和接收失真。

在8月7日的一次会议上进行了描述，预计SAMURAI将帮助解决围绕5G有源天线使用的许多未解决的问题，例如一次在多个信道上同时传输高数据速率时会发生什么。该系统将有助于改进理论，硬件和分析技术，以提供准确的渠道模型和有效的网络。

NIST电子工程师Kate Remley说：“ 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可以在很宽的频率范围内测量信号，当前频率高达50 GHz，来年将扩展到75 GHz。该系统之所以得名，是因为它可以测量网格或虚拟“合成孔径”上许多点的接收信号。这样可以在三个维度上重建输入能量-包括到达信号的角度-受许多因素影响，例如信号电场如何反射传输路径中的物体。

从验证具有有源天线的无线设备的性能到在金属物体散射信号的环境中测量反射通道，SAMURAI可以用于各种任务。NIST研究人员目前正在使用SAMURAI来开发用于在毫米波频率下测试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以生成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空间中找到各种接收模式，例如圆柱和半球形。可以在测试设置中放置各种小的金属物体，例如平板和圆柱体，以表示建筑物以及信号传输中的其他现实障碍。为了提高位置精度，还使用了一个由10个摄像头组成的系统来跟踪天线并测量通道中散射信号的对象的位置。

该系统通常连接到5英尺x 14英尺(1.5米x 4.3米)的光学平台上。但是该设备具有足够的便携性，可用于移动现场测试并转移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)通道的所有方面都被记录下来以供以后分析。这些值包括环境因素，例如温度和湿度，散射物体的位置以及测量系统准确性的漂移。

NIST团队与位于科罗拉多州Golden的科罗拉多矿业学院的合作者共同开发了SAMURAI。研究人员已经验证了基本操作，现在将由于机械臂的不必要反射，位置误差和天线方向图而导致的不确定性纳入测量范围。

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