5G高頻段信號(hào)的靈活生成與測(cè)試技術(shù)探討

尤嘉

【摘 要】為了研究如何應(yīng)對(duì)第五代移動(dòng)通訊技術(shù)（5G）面臨的高頻率和高帶寬的難題，闡述了5G標(biāo)準(zhǔn)目前仍未確定的現(xiàn)狀，并提出了高頻信號(hào)靈活生成與測(cè)試的方案，保證了信號(hào)產(chǎn)生和分析的質(zhì)量，極大簡(jiǎn)化了二維幀結(jié)構(gòu)的配置。

5G頻率規(guī)劃 寬帶調(diào)制信號(hào) 信號(hào)生成與分析

1 引言

增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB，Enhanced Mobile Broadband）是5G的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一。LTE-Advanced Pro目前理論上可提供高達(dá)1.7 Gbit/s的峰值數(shù)據(jù)速率，但5G的目標(biāo)是20 Gbit/s的峰值數(shù)據(jù)速率和幾百M(fèi)bit/s的平均用戶數(shù)據(jù)速率，因此必須使用更大的頻譜帶寬。為此，測(cè)試儀器也應(yīng)覆蓋相應(yīng)的頻率和調(diào)制、分析帶寬，為了能準(zhǔn)確地測(cè)試，測(cè)試儀表的精度和殘余誤差必須比被測(cè)件高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這也給測(cè)試技術(shù)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。本文接下來(lái)將在闡述5G標(biāo)準(zhǔn)目前仍未確定的現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出高頻信號(hào)靈活生成與測(cè)試的方案。

2 5G的頻率之爭(zhēng)

目前業(yè)界主要討論的是1 GHz的帶寬，最終將考慮使用2 GHz的帶寬，但目前移動(dòng)通信“傳統(tǒng)頻段”（450 MHz到6 GHz之間的頻率范圍）無(wú)法分配這么大的帶寬，因此必須升級(jí)到厘米波和毫米波頻段。當(dāng)今熱門的5G候選頻率范是24.25 GHz—86 GHz。

2.1 逐步清晰的頻率規(guī)劃

24.25 GHz到86 GHz是一個(gè)很寬的頻率范圍。2016年7月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）宣布，準(zhǔn)備為5G開放10.85 GHz的附加頻譜。FCC確定了3個(gè)需要執(zhí)照的頻段：28 GHz、37 GHz和39 GHz。此外，F(xiàn)CC確定了64 GHz到71 GHz的無(wú)需執(zhí)照頻段用于5G。FCC還擴(kuò)展了當(dāng)前的60 GHz頻段，該頻段現(xiàn)在由802.11ad標(biāo)準(zhǔn)使用。美國(guó)本地一線運(yùn)營(yíng)商優(yōu)先重點(diǎn)使用的是28 GHz

頻段，該頻段提供從27.5 GHz到28.35 GHz，共計(jì)850 MHz的帶寬。

2.2 業(yè)內(nèi)的提案之爭(zhēng)

FCC發(fā)布此公告的同時(shí)，美國(guó)運(yùn)營(yíng)商Verizon Wireless在眾多頂級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、芯片組和終端制造商的支持下，公開了自己的一組描述5G信號(hào)物理層特征的技術(shù)規(guī)范[2]。該規(guī)范在3GPP R12的基礎(chǔ)上延伸，并初期定在28 GHz頻段上使用。由此標(biāo)準(zhǔn)支持的應(yīng)用是固定無(wú)線接入（FWA，F(xiàn)ixed Wireless Access），換句話講，此標(biāo)準(zhǔn)支持將基于5G的高速互聯(lián)網(wǎng)連接到家庭。

該標(biāo)準(zhǔn)是基于OFDM的多載波信號(hào)，使用75 kHz子載波間隔，每個(gè)分量載波帶寬為100 MHz。它可聚合最多8個(gè)載波，基本運(yùn)行模式是TDD。與3GPP的LTE規(guī)范相比，該規(guī)范定義了新的同步信號(hào)，添加了新的物理信道，擴(kuò)展和修改了現(xiàn)有信道的能力，目標(biāo)是使波束賦形能夠用于信號(hào)采集、跟蹤、細(xì)化和恢復(fù)，從而克服較高頻率引起的高路徑損耗。該規(guī)范正在官方標(biāo)準(zhǔn)化組織（3GPP）之外穩(wěn)步前進(jìn)。表1將當(dāng)前的LTE規(guī)范與Verizon Wireless的5G規(guī)范做了對(duì)比。

除了與其芯片和系統(tǒng)供應(yīng)商合作外，Verizon Wireless于2016年2月宣布與韓國(guó)無(wú)線運(yùn)營(yíng)商Korean Telecom（KT）和South Korea Telecom（SKT），以及日本運(yùn)營(yíng)商N(yùn)TT DoCoMo建立合作伙伴關(guān)系。該聯(lián)盟稱作5G開放實(shí)驗(yàn)聯(lián)盟（Open Trial Alliance），正如其名稱所示，該聯(lián)盟的目標(biāo)是協(xié)調(diào)5G實(shí)驗(yàn)。

同時(shí)，3GPP負(fù)責(zé)物理層定義的RAN1工作組已經(jīng)完成了子載波間隔和縮放因子、5G NR的基本物理層參數(shù)討論等。參數(shù)需要縮放，因?yàn)樵谳^高頻率上，相位噪聲影響加劇，所以需要較大的頻率間隔和較寬的子載波間隔。為了進(jìn)一步探索，RAN1使用3種不同的相位噪聲模型來(lái)確定鏈路級(jí)仿真的性能，并分別在25 GHz、39 GHz和70 GHz分析了這些模型[3]。

3GPP RAN1用于其仿真（包括基本參數(shù)）的典型頻率是30 GHz和70 GHz。經(jīng)過(guò)RAN1內(nèi)的一番爭(zhēng)論后，基本決定是用f0的基頻和2m倍的縮放進(jìn)行子載波縮放。為了后向兼容，15 kHz這一LTE中的子載波間隔被選作基頻。指數(shù)m可以取值{-2， 0， 1， …， 5}，因此，所考慮的子載波間隔是3.75 kHz和15 kHz， 30 kHz， …， 480 kHz。根據(jù)這個(gè)商定意見，3GPP RAN1不支持75 kHz的子載波間隔，這與Verizon Wireless的5G規(guī)范沖突。

現(xiàn)在，從子載波間隔角度，實(shí)現(xiàn)物理層有2種競(jìng)爭(zhēng)提案。然而，相比Verizon Wireless的規(guī)范，對(duì)于3GPP的RAN1，仍然有許多問(wèn)題需要解決。例如，需要研究每個(gè)子載波間隔的不同循環(huán)前綴長(zhǎng)度，在子載波間隔中這些循環(huán)前綴基本上可以有不同的長(zhǎng)度。此外，每個(gè)物理資源塊（PRB）的子載波數(shù)目（在LTE中是12）目前正在調(diào)研中，應(yīng)當(dāng)在2016年11月召開的下次會(huì)議上確定。

由于業(yè)內(nèi)不同陣營(yíng)的競(jìng)爭(zhēng)，5G的最終空中接口參數(shù)還沒有最終確定，對(duì)早期研發(fā)和測(cè)試提出很大挑戰(zhàn)。

3 5G信號(hào)生成和分析

3.1 5G信號(hào)生成和分析的挑戰(zhàn)和方案

為5G提供信號(hào)生成和信號(hào)分析方案特別具有挑戰(zhàn)性，需要面對(duì)高頻率和高帶寬的挑戰(zhàn)，同時(shí)還要保證信號(hào)質(zhì)量，需要測(cè)試儀器能產(chǎn)生接近理想的信號(hào)，分析儀也要有極低的殘余誤差，必須適應(yīng)多種變體，并能提供可擴(kuò)展的分析帶寬。與此類似，信號(hào)發(fā)生器必須能夠處理高頻信號(hào)，并且可以擴(kuò)展。

R&S FSW信號(hào)和頻譜分析儀支持43.5 GHz、67 GHz，最高可達(dá)85 GHz的頻率范圍。內(nèi)置分析帶寬是2 GHz。配合R&S RTO2066數(shù)字示波器，未來(lái)此分析帶寬可輕松擴(kuò)展到更高帶寬。5G對(duì)信號(hào)發(fā)生器提出了類似的挑戰(zhàn)，例如，R&S SMW200A矢量信號(hào)發(fā)生器頻率范圍可達(dá)40 GHz，提供高達(dá)2 GHz的內(nèi)部調(diào)制帶寬。使用最新發(fā)布的R&S SZU上變頻器，它的頻率范圍可進(jìn)一步擴(kuò)展，旨在測(cè)試支持57 GHz到66 GHz頻率范圍的802.11ad技術(shù)。

上述方案中，信號(hào)源和分析儀都內(nèi)置寬帶信號(hào)的均衡功能，信號(hào)源能產(chǎn)生接近理想的信號(hào)，分析儀能正確地分析寬帶信號(hào)（殘余誤差極?。?，無(wú)需復(fù)雜的校準(zhǔn)和調(diào)整，使用極其方便。

信號(hào)發(fā)生器還必須具有內(nèi)在的靈活性，以便支持測(cè)試多種波形。候選的5G波形包括通用濾波多載波（UFMC）、濾波器組多載波（FBMC）、廣義頻分復(fù)用（GFDM）和濾波器-正交頻分復(fù)用（F-OFDM）。羅德與施瓦茨公司在2015年就推出R&S SMW200A的“5G候選波形”信號(hào)生成功能。此外，通過(guò)新版的FS-K96 OFDM矢量信號(hào)分析軟件，使其能夠分析基于OFDM的通用信號(hào)以及其他候選波形，如GFDM和UFMC。這些波形的詳細(xì)描述，以及如何使用羅德與施瓦茨公司信號(hào)生成解決方案和分析解決方案的相關(guān)內(nèi)容可在R&S應(yīng)用手冊(cè)[5]中找到。

3.2 靈活的信號(hào)生成

上述選件中，僅需幾個(gè)步驟內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)快速信號(hào)的生成和分析。對(duì)于基于OFDM系統(tǒng)的5G信號(hào)，只要定義基本OFMD參數(shù)和對(duì)應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)二維描述即可，詳細(xì)步驟如下。

例如，在SMW200A信號(hào)發(fā)生器上使用軟件選件K114，能夠生成通用OFDM信號(hào)。用戶簡(jiǎn)單地定義幾個(gè)OFDM關(guān)鍵參數(shù)，如FFT大小、占用的子載波，循環(huán)前綴長(zhǎng)度，以及OFDM符號(hào)數(shù)量等。經(jīng)過(guò)恰當(dāng)設(shè)置，用戶可以生成類似Verizon Wireless的5G信號(hào)，如圖1所示。

在資源配置菜單中，用戶可以進(jìn)行幀結(jié)構(gòu)配置，把各個(gè)時(shí)、頻域資源分配給導(dǎo)頻或者數(shù)據(jù)。對(duì)于用戶數(shù)據(jù)部分，可以使用不同調(diào)制方式，最高可支持256QAM。

專有的Verizon Wireless 5G規(guī)范要求實(shí)現(xiàn)多達(dá)8個(gè)100 MHz帶寬分量載波的載波聚合，這樣的信號(hào)使用SMW200A矢量信號(hào)發(fā)生器可輕松生成。在標(biāo)配的任意波形發(fā)生器ARB菜單中，用戶可以定義多載波信號(hào)（例如多達(dá)8個(gè)載波）。用戶可以按如Verizon Wireless 5G規(guī)范要求的，定義99 MHz的載波間隔（如圖2所示），并能夠通過(guò)削峰算法減小峰均比。

在“載波表”選項(xiàng)卡（如圖3所示）中，用戶現(xiàn)在能夠分別定義8個(gè)載波中的每一個(gè)。每個(gè)載波由波形文件定義，波形文件用軟件選件K114生成。對(duì)于每個(gè)載波，可使用一定的增益、相位或延時(shí)，創(chuàng)建更為真實(shí)的測(cè)試場(chǎng)景。

這些信號(hào)可用于組件測(cè)試，如新設(shè)計(jì)的目標(biāo)為5G基站和接入點(diǎn)，工作在28 GHz或39 GHz的功率放大器。圖4顯示這類信號(hào)的測(cè)量，信號(hào)功率從-15 dBm到0 dBm掃描，測(cè)試不同功率下每個(gè)SubBand的EVM，平均EVM大約為-36.0 dB。

3.3 方便的信號(hào)分析

對(duì)于信號(hào)分析部分可以使用FS-K96軟件，能夠從頻譜分析儀中捕獲IQ數(shù)據(jù)，對(duì)捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理并顯示分析結(jié)果，如功率頻譜、星座圖、對(duì)應(yīng)子載波和/或符號(hào)的EVM，以及更多內(nèi)容。

和信號(hào)生成的配置步驟類似：只需對(duì)此軟件做少許配置，即可分析用戶自定義信號(hào)。只要設(shè)置正確的采樣頻率（如圖5所示）、FFT大小以及循環(huán)前綴長(zhǎng)度。如果沒有循環(huán)前綴（CP），前導(dǎo)碼必須嵌入信號(hào)中，用戶需要設(shè)置前導(dǎo)碼參數(shù)（如圖6所示）。循環(huán)前綴或前導(dǎo)碼是必要的，因?yàn)樵撥浖⑹褂眠@些信號(hào)部分實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。對(duì)于循環(huán)前綴，每個(gè)符號(hào)可以配置不同的循環(huán)前綴。LTE就是如此：對(duì)于常規(guī)循環(huán)前綴配置，第一個(gè)OFDM或SC-FDMA符號(hào)使用比該時(shí)隙中其余6個(gè)符號(hào)更長(zhǎng)的循環(huán)前綴。

做完這些基本設(shè)置后，同樣也要定義二維的幀結(jié)構(gòu)，該軟件提供2種方法定義：使用Matlab腳本描述，或者使用“配置生成向?qū)С绦颉?，下面針?duì)“配置生成向?qū)А钡姆椒ㄗ鲈敿?xì)描述，該方法使用圖像化向?qū)Х绞?，無(wú)需寫腳本：用戶可以通過(guò)射頻捕獲信號(hào)進(jìn)行分析，另外該軟件也支持直接分析文件。建議從分析文件開始，因?yàn)檫@種“理想的”IQ數(shù)據(jù)，在IQ調(diào)制、上變頻、放大、下變頻和解調(diào)過(guò)程中不會(huì)受到儀器模擬組件的影響。結(jié)果也給出對(duì)于配置的信號(hào)最可能的、理想的EVM。一切正確配置后，可以啟動(dòng)配置文件向?qū)?。將IQ數(shù)據(jù)加載到此配置文件向?qū)В又脩魪脑撆渲梦募亩x開始，同時(shí)應(yīng)用對(duì)相位、時(shí)間和頻率進(jìn)行修正，或者使用手動(dòng)或自動(dòng)算法優(yōu)化上述參數(shù)，使星座圖清晰（如圖7所示）。

尤其是當(dāng)使用不太理想的IQ文件時(shí)，“Auto”按鈕很有用。圖7所示例子對(duì)應(yīng)按照Verizon Wireless 5G規(guī)范建立的完整無(wú)線幀：比較用于基本物理層參數(shù)化的表1。在基本星座中，已經(jīng)可以清晰識(shí)別出一個(gè)單位圓星座。這部分信號(hào)表示Zadoff-Chu序列。這些序列提供恒幅零自相關(guān)（CAZAC）特性，并且非常適合發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的基本同步。在Verizon Wireless的無(wú)線5G規(guī)范中，主同步信號(hào)（PSS與LTE相同）是基于不同根索引的Zadoff-Chu序列。

新定義的擴(kuò)展同步信號(hào)（ESS）使用固定的根索引，但是在每個(gè)符號(hào)基礎(chǔ)上循環(huán)移位。這使接收機(jī)能夠識(shí)別出符號(hào)定時(shí)，對(duì)整個(gè)波束賦形獲取過(guò)程十分重要。圖7也給出了相應(yīng)于輔助同步信號(hào)（SSS與LTE相同）的BPSK星座圖，以及由新的、擴(kuò)展的物理廣播信道（xPBCH）使用的QPSK星座圖。另外，在本例中使用的16QAM用于擴(kuò)展物理共享數(shù)據(jù)信道（xPDSCH）荷載的數(shù)據(jù)。在增益調(diào)整后，把這些星座點(diǎn)分配到對(duì)應(yīng)導(dǎo)頻符號(hào)，或者數(shù)據(jù)符號(hào)。

在分配完所有顯示的星座點(diǎn)后，配置文件完成，可將其保存和直接加載到FS-K96軟件，以解調(diào)捕獲的IQ文件，如圖8所示。子載波的功率測(cè)量值顯示在屏幕頂部。下半部分顯示的是信號(hào)的2維時(shí)、頻域分布。#0子幀和#25子幀（參閱圖8下部）清晰顯示攜帶同步信號(hào)（PSS/SSS、ESS）和xPBCH（包括用于正確解調(diào)的波束賦形參考信號(hào)BRS）的2個(gè)子幀（藍(lán)色），其余部分（綠色）是采用16QAM已調(diào)數(shù)據(jù)的xPDSCH。在右下角單獨(dú)打開的窗口中能夠顯示上述的所有信道和調(diào)制方式的復(fù)合星座圖。

4 結(jié)論

5G已經(jīng)從純研究轉(zhuǎn)向早期標(biāo)準(zhǔn)化階段，許多提案都在公開討論中，尤其是物理層定義。由美國(guó)運(yùn)營(yíng)商Verizon Wireless領(lǐng)導(dǎo)，幾家網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商參與的行業(yè)聯(lián)盟發(fā)揮首創(chuàng)精神，已經(jīng)定義了專有的、基于LTE的第一個(gè)5G版本。這些不同的版本和設(shè)想要求在信號(hào)生成和信號(hào)分析方面提供靈活的測(cè)試設(shè)備。本文探討了測(cè)試設(shè)備及其相關(guān)軟件要滿足最佳靈活性和易用性應(yīng)當(dāng)具有的特性和功能，通過(guò)“內(nèi)置快速均衡技術(shù)”保證了信號(hào)產(chǎn)生和分析的質(zhì)量，以獲得盡可能低的殘余誤差，通過(guò)靈活地軟件配置以及“圖形化配置生成向?qū)А狈绞?，極大簡(jiǎn)化了二維幀結(jié)構(gòu)的配置，以應(yīng)對(duì)正在演進(jìn)中的5G空中接口標(biāo)準(zhǔn)。

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