5G毫米波OTA測試技術(shù)

凌云志，張煜，許虎，陳婷

專題：移動通信（5G）測試

5G毫米波OTA測試技術(shù)

凌云志1,2，張煜1，許虎1，陳婷3

（1. 中電科儀器儀表（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233010； 2. 電子信息測試技術(shù)安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 233010； 3. 北方信息控制研究院集團有限公司，江蘇 南京 211106）

毫米波（mmWave）是5G通信關(guān)鍵技術(shù)之一，5G將在網(wǎng)絡(luò)容量、數(shù)據(jù)速率和時延等方面帶來革命性的改進。5G測試從以往傳導(dǎo)式測試向空口測試變革。分析了5G毫米波大帶寬OTA測試將遇到的挑戰(zhàn)及困難，并提出了多種OTA測試關(guān)鍵技術(shù)，深入探討5G毫米波大帶寬OTA測試平臺構(gòu)建，完成了對多種設(shè)備在毫米波OTA下的整機射頻性能測試。

5G；OTA測試；大帶寬測試

1 引言

移動通信自20世紀80年代誕生以來，經(jīng)過三十多年的爆發(fā)式增長，已成為連接人類社會的基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)。5G毫米波多天線傳輸測試技術(shù)是5G提升性能的關(guān)鍵，5G典型場景中的連續(xù)廣域覆蓋場景、熱點高容量場景、高速移動場景所要求的高速率、大帶寬、高移動的特性均依賴于5G毫米波多天線傳輸測試技術(shù)的實現(xiàn)。鑒于當(dāng)前通信技術(shù)進入成熟期，從時域、頻域、碼域所能獲得的技術(shù)紅利已進入技術(shù)瓶頸期，空域是進一步改善通信能力的必要手段，多路分集、復(fù)用、多流多天線、多小區(qū)波束成形等多天線技術(shù)都有效地提升通信傳輸速率。所以，5G毫米波多天線傳輸測試技術(shù)是當(dāng)前5G和未來移動通信設(shè)備（開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用）實施中必不可少的重要組成部分，是開發(fā)、生產(chǎn)進程的源頭[1]。5G毫米波多天線傳輸測試技術(shù)攻關(guān)的難點在于5G毫米波測試、大帶寬處理、多天線測試等，從未來需求角度看，為滿足新型蜂窩通信設(shè)備不斷發(fā)展的需求，對5G毫米波基站和終端的測試方法進行研究，同時結(jié)合連續(xù)廣域覆蓋場景和熱點高容量場景的高速率大帶寬的測試需求，同時考慮支持500 km/h以上的高速移動場景，將對提高5G系統(tǒng)的性能和質(zhì)量具有重要意義。

FR2頻段5G通信中的基站和終端均采用了大規(guī)模天線技術(shù)，提高天線的定向性增益，同時為了保證足夠的區(qū)域覆蓋，要求天線波束具有在方位面和俯仰面2D（二維）空間波束成形的能力。因此，對FR2頻段5G基站和終端的性能測試只能采用空口（over-the-air，OTA）測試方案[2-3]。

當(dāng)前主要的OTA測試系統(tǒng)包括：混響室（reverberation chamber，RC）法[4]、輻射兩階段（radiated two-stage，RTS）法[5]和多探頭吸波暗室（multi-probe anechoic chamber，MPAC）法[6]。根據(jù)CTIA[7]和3GPP標(biāo)準(zhǔn)，主流的OTA測試方案是MPAC法。多探頭吸波暗室OTA測試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。圖1（a）通過信道模擬器連接在不同暗室的毫米波基站和終端，分別對基站和終端進行測試；圖1（b）是在圖1（a）的基礎(chǔ)上進行演進，用基站模擬器代替實際的基站，可以對終端進行測試；圖1（c）是用終端模擬器代替實際的終端，對基站進行測試。

該測試系統(tǒng)可以進行天線和射頻整機的統(tǒng)一測試，性能更接近真實情況，能夠支持寬帶、多頻點、復(fù)雜、多樣真實環(huán)境的模擬和實驗，測試系統(tǒng)主要由基站模擬器、信道模擬器和微波暗室組成?；灸M器模擬FR2頻段5G通信基站網(wǎng)絡(luò)，輸出信號進入信道模擬器；信道模擬器的功能是模擬實際通信場景的真實信道環(huán)境，使測試系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測試和評估通信質(zhì)量，是OTA測試系統(tǒng)中的核心測試設(shè)備，信道模擬器的性能直接和測試系統(tǒng)的測試準(zhǔn)確度相關(guān)；經(jīng)過信道模擬器處理后的信號輸出映射到微波暗室的各測試探頭上，各探頭發(fā)射信號在被測設(shè)備所在的測試區(qū)域得到不同空間信息、延遲特性、極化方向等特征的多徑信號，模擬出無線空間信道以及預(yù)期干擾[8]。

圖1 多探頭暗室OTA測試系統(tǒng)示意圖

2 毫米波OTA測試技術(shù)

毫米波OTA系統(tǒng)具備多通道、大帶寬、FR2毫米波頻段覆蓋、5G通信協(xié)議等特性，系統(tǒng)核心包括寬帶微波毫米波收發(fā)單元、3D信道建模單元、時變動態(tài)信道估計、暗室探頭優(yōu)化算法等，關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)包括以下幾個方面。

2.1 寬帶微波毫米波收發(fā)單元設(shè)計

寬帶微波毫米波收發(fā)單元包括基站模擬器、信道模擬器以及OTA測試系統(tǒng)中必要的外接射頻電路設(shè)計，涉及的主要器件包括振蕩器、功率放大器、變頻器、濾波器、低噪聲放大器等。由于毫米波頻段的頻率高、帶寬大、波長短，這對各種射頻器件的設(shè)計、加工和調(diào)試都提出更高的要求。因此，開發(fā)5G毫米波OTA測試系統(tǒng)時，需要針對FR2頻段的相關(guān)毫米波射頻模塊和測試系統(tǒng)所處硬件平臺進行設(shè)計，解決FR2頻段5G通信的頻率覆蓋和大帶寬設(shè)計（1 GHz以上的連續(xù)帶寬）問題，還要兼顧FR1頻段5G通信的OTA測試需求等問題。

2.2 3D信道建模

毫米波頻段信號傳輸?shù)膿p耗較大。為了抵消傳輸路徑損耗，F(xiàn)R2頻段5G通信基站和終端中的天線均采用大規(guī)模陣列天線提高方向性增益；同時為確保足夠的空間區(qū)域覆蓋和足夠強度的信號連接，二者采用的陣列天線具有相控在水平和俯仰方向進行二維波束成形和波束掃描的能力；另外，天線具有多個波束，滿足系統(tǒng)多流傳輸?shù)耐ㄐ判枨?。另一方面，毫米波通信的信道更加?fù)雜，傳輸路徑中的建筑物或其他遮擋物的形狀、體積和材質(zhì)都會嚴重影響通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量。因此，為了真實模擬實際通信信道環(huán)境，需要通過先進的建模技術(shù)建立3D信道模型。

2.3 時變動態(tài)信道估計

因為FR2頻段5G通信基站和終端的天線定向性好、波束窄，所以如果二者的波束固定（即靜態(tài)信道模型），那么即使終端在同一個地點與基站建立通信連接，當(dāng)終端空間角度發(fā)生變化時（如手機橫放/豎放）也會有很大的斷開概率；另外單個窄波束的空間覆蓋小，當(dāng)終端快速運動時，如果二者的波束固定或慢速掃描，也會導(dǎo)致通信連接的中斷。因此，建立的信道模型必須考慮當(dāng)終端狀態(tài)改變和高速移動時的通信場景。這些通信場景下，無線終端在多種信道場景中連續(xù)切換，此時觀察到的無線信道是在不同靜態(tài)通信場景之間的平滑過渡。OTA測試系統(tǒng)不僅能夠?qū)﹄x散快照內(nèi)的信道特性進行較為準(zhǔn)確的模擬，更重要的是要設(shè)法真實還原信道快照之間的連續(xù)演進，而這一點對于多天線波束成形、軟切換和信道估計等技術(shù)的評估十分關(guān)鍵。OTA測試系統(tǒng)應(yīng)該具備能夠建立時變、動態(tài)的信道模型，滿足應(yīng)用場景的實際需求。

2.4 暗室探頭優(yōu)化算法

基于多探頭吸波暗室的OTA測試方法通過基站模擬器、信道模擬器和多個測試探頭在微波暗室中創(chuàng)建的無線通信環(huán)境，具有準(zhǔn)確性、可配置性和可重復(fù)性的優(yōu)點，是OTA測試系統(tǒng)中最常用的測試方法。但是，這種方案的一個主要挑戰(zhàn)是系統(tǒng)成本，探頭數(shù)量越多，測試系統(tǒng)復(fù)雜度越大，系統(tǒng)造價成本越高[9]。因此，在毫米波頻段下，OTA測試系統(tǒng)建設(shè)的一個最大挑戰(zhàn)是在滿足測試精度的前提下，最大限度地減少測試系統(tǒng)中暗室內(nèi)的測試探頭數(shù)目，降低系統(tǒng)的建設(shè)成本。

3 毫米波OTA測試系統(tǒng)建設(shè)方案

依托現(xiàn)有研究技術(shù)，采用系統(tǒng)模塊化、硬件平臺集成化、軟件平臺分層處理等先進設(shè)計方法，研發(fā)多通道、大帶寬FR2頻段5G通信OTA測試系統(tǒng)。根據(jù)不同應(yīng)用需求，OTA測試系統(tǒng)建設(shè)方案包括基站/終端測試、基站測試和終端測試3個系統(tǒng)。

該測試系統(tǒng)主要由基站模擬器、信道模擬器和多探頭吸波暗室組成，整個系統(tǒng)中基站產(chǎn)生的信號傳輸?shù)叫诺滥M器，并由信道模擬器完成分組處理和通道配置后，映射分配到多探頭吸波暗室的各個測試探頭，測試探頭發(fā)送經(jīng)過處理的信號還原信道環(huán)境，并對待測設(shè)備性能進行測試。

MPAC 毫米波終端OTA測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。在多探頭吸波暗室的基礎(chǔ)上，通過對多徑信號（基站模擬器產(chǎn)生）進行分組處理，復(fù)用信道模擬分組單元的輸出端口，在保留多徑信號的角度信息的同時，解決了信道模擬分組單元輸出端口個數(shù)有限的問題，降低了測試系統(tǒng)的成本。另外通過對分組后的多徑信號進行動態(tài)的探針天線資源分配，復(fù)現(xiàn)了真實的無線多徑信道傳播環(huán)境，從而可以得到待測設(shè)備在OTA測試系統(tǒng)中測試出的整機射頻性能。

圖2 MPAC 毫米波終端OTA測試系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 毫米波射頻收發(fā)設(shè)計

作為終端/基站模擬器的硬件平臺，要在單臺儀表上支持面向6 GHz以上高頻段，工作頻率支持6～76 GHz中與5G相關(guān)的波段（包括24.25～30 GHz、37～43.5 GHz、66~76 GHz頻段等），支持5G毫米波射頻發(fā)射和5G毫米波射頻接收，如圖3和圖4所示，難點包括毫米波超寬帶高純頻率合成、毫米波混頻波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換設(shè)計等。

在毫米波超帶寬高純頻率合成設(shè)計上，采用超低噪聲晶體振蕩器技術(shù)作為近載波噪聲基準(zhǔn)，以寬帶低噪聲YTO作為基本的微波振蕩單元，以高純本振取樣變頻合成方式作為微波高純頻率合成的基本方案，利用寬帶鎖相環(huán)路產(chǎn)生高純高頻信號作為微波信號取樣變頻的本振，然后再利用寬帶鎖相環(huán)路將微波信號鎖定在高分辨率參考信號上，從而實現(xiàn)高性能的微波頻率合成，然后再通過多次分段倍頻方式實現(xiàn)高端頻率覆蓋，分頻方式實現(xiàn)低端的射頻頻率覆蓋。

在毫米波混頻波導(dǎo)微帶設(shè)計上，毫米波混頻器混頻二極管安裝于平面電路上，必須將毫米波信號從波導(dǎo)傳輸模式轉(zhuǎn)換為平面?zhèn)鬏斈Ｊ剑伻攵O管。平面電路－波導(dǎo)過渡作為連接平面電路與波導(dǎo)系統(tǒng)的重要形式，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、頻帶寬、損耗小等優(yōu)點。在探針過渡設(shè)計當(dāng)中，探針的輸入阻抗是探針寬度、長度、波導(dǎo)終端短路距離以及頻率的函數(shù)，可選擇一定的探針寬度、長度和波導(dǎo)終端短路距離，使其成為相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在較寬的頻率范圍內(nèi)，探針輸入阻抗變化很小。由于探針過渡具有容性電抗，因此還應(yīng)串聯(lián)一段高阻抗線，用來抵消其電容效應(yīng)，然后通過四分之一波長阻抗變換器實現(xiàn)與50 Ω標(biāo)準(zhǔn)微帶線的阻抗匹配，從而完成波導(dǎo)到微帶的過渡。探針距波導(dǎo)終端短路面的長度取λ/4，以保證探針在波導(dǎo)內(nèi)處于最大電壓，即電場最強的波腹位置，以達到盡量高的耦合效率。由于射頻輸入信號頻率高，探針轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中各尺寸處于較小的量值，裝配引起的位置偏移變化很可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率大大降低，因此將在微帶片上設(shè)計多個對位點，分別對應(yīng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中腔體上相應(yīng)位置，裝配時對各點進行對位，從而降低裝配誤差導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換效率的損失。

在毫米波傳輸阻抗匹配設(shè)計上，目前常用的混頻二極管等效電路在毫米波頻段準(zhǔn)確度較差，如果直接用來計算二極管的輸入阻抗值，將增大因阻抗失配引起的本振功率的損失。而在毫米波頻段，對功率的需求越大意味著難度和成本越高。因此需要在使用的本振頻率、功率范圍內(nèi)對二極管等效電路進行修正，得到準(zhǔn)確的二極管的輸入阻抗值進行匹配電路設(shè)計，從而降低由阻抗匹配引起的本振功率損失。

圖3 5G毫米波射頻發(fā)射設(shè)計方案

圖4 5G毫米波射頻接收設(shè)計方案

3.2 信道建模設(shè)計方案

FR2頻段5G通信基站和終端均采用大規(guī)模陣列天線技術(shù)，支持水平和俯仰方向波束成形和快速掃描、多流傳輸，所以進行OTA測試時必然需要進行3D動態(tài)信道的建模。建設(shè)3D球面多探頭吸波暗室，根據(jù)暗室所設(shè)計的探頭數(shù)目和位置，優(yōu)化信道仿真算法，有效建立模擬真實通信應(yīng)用環(huán)境的通信信道模型。

信道測量參數(shù)軟件架構(gòu)如圖5所示，由數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)挖掘、分布式計算、電波傳播模型修正計算、數(shù)據(jù)導(dǎo)出六大子模塊構(gòu)成。無線信道模型建模軟件運行在計算機上，采用分布式存儲和計算架構(gòu)?；诖罅繙y試數(shù)據(jù)、無線環(huán)境數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、氣候信息數(shù)據(jù)等，利用大數(shù)據(jù)挖掘算法開展對無線信道模型中的計算參數(shù)統(tǒng)計或修正，實現(xiàn)無線電波傳播模型優(yōu)化。

3.3 時變動態(tài)信道仿真技術(shù)

對無線信道的時變、動態(tài)特性進行連續(xù)建模和仿真，通過對無線信道中散射體簇數(shù)量以及簇空時特性的動態(tài)演進進行真實還原，將現(xiàn)有的幾何統(tǒng)計信道模型與射線跟蹤等確定性信道模型相結(jié)合，可以在較低的復(fù)雜度下實現(xiàn)實際環(huán)境中的動態(tài)信道再現(xiàn)。

5G通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信道傳播特性是5G通信系統(tǒng)設(shè)計中的最基本因素，細致地了解信道傳播環(huán)境對成功開發(fā)和研究一個通信系統(tǒng)或收發(fā)裝置非常必要。尤其是對于無線通信系統(tǒng)，收發(fā)端之間的用戶信道特性是其所能提供的業(yè)務(wù)可行性和質(zhì)量的決定性因素，必須全面了解和模擬實際信道特性才能設(shè)計出高質(zhì)量的收發(fā)裝置。為了研究這些信道特性的影響，需要在一定傳播特性下進行實驗。由于條件所限，不可能在設(shè)備研制的全過程都進行現(xiàn)場實驗，尤其是5G毫米波信道，采用一個有良好近似效果的信道模擬器是一個較好的而且通用的解決方案。本方案根據(jù)信道測量采集的IQ數(shù)據(jù)提取瞬時信道參數(shù)，以統(tǒng)計的方式描述時變信道的平均特性，形成信道建模參數(shù)，并進行圖形化展示，以方便用戶進行統(tǒng)計分析，如圖6所示。

圖5 5G信道測量參數(shù)軟件架構(gòu)設(shè)計方案

5G設(shè)備輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過MIMO天線陣列單鏈路傳輸?shù)叫诺乐?，按?GPP協(xié)議的規(guī)定參數(shù)，通過大尺度衰落（主要包括路徑損耗和陰影衰落）、小尺度衰落（主要包括簇時延、多普勒頻移和多徑效應(yīng)）到達移動臺，最終得到滿足設(shè)定場景的信道模型。多天線陣列多徑傳輸?shù)妮斎霐?shù)據(jù)傳輸經(jīng)過信道，最終疊加得到輸出數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖6 5G時變動態(tài)信道仿真設(shè)計方案

圖7 5G時變動態(tài)信道模擬實現(xiàn)流程設(shè)計方案

3.4 暗室探頭優(yōu)化算法

因為探頭數(shù)目多少和OTA測試系統(tǒng)的成本直接相關(guān)，所以需要在信道模擬器研發(fā)過程中，對多探頭吸波暗室中各探頭的位置和功率權(quán)重進行優(yōu)化，以最少的探頭數(shù)量準(zhǔn)確模擬出真實的信道環(huán)境。擬對比研究基于粒子群算法、遺傳算法和multi-shot算法，進行OTA探頭進行選擇，并選取在復(fù)雜度和性能方面最優(yōu)的算法作為核心算法。另外，以目標(biāo)信道的空間相關(guān)性和實際信道的空間相關(guān)性的均方誤差作為評價因子，在探頭位置確定以后，利用凸優(yōu)化算法對探頭功率權(quán)重進行優(yōu)化。

4 毫米波OTA測試系統(tǒng)測試驗證

暗室信道探測系統(tǒng)軟件支持通用矢量信號解調(diào)分析、支持信號短時記、支持通用矢量信號解調(diào)分析、支持信號短時記錄和回放、支持系統(tǒng)同步和系統(tǒng)鏈路校準(zhǔn)，包含功率補償、帶內(nèi)平坦度修正、通道間幅相一致性修正，支持探測信號產(chǎn)生和波束控制、支持接收信號采集和實時運算、支持信號傳輸和存儲、支持提供相關(guān)軟件測試環(huán)境。為了滿足信道探測系統(tǒng)軟件主要性能指標(biāo)及軟件設(shè)計約束情況，軟件總體實現(xiàn)框圖如圖8所示。

依據(jù)MPAC 毫米波終端OTA測試系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合FR2頻段、3D信道建模和時變動態(tài)信道仿真技術(shù)以及暗室探頭優(yōu)化算法，完成了對5G終端模擬器在OTA測試系統(tǒng)中測試得到的整機射頻性能，進行了NSA和SA兩種模式下的5G設(shè)備OTA信令鏈接測試，信令測試流程如圖9和圖10所示，物理層性能如圖11和圖12所示。

圖8 暗室信道探測系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)框圖

圖9 毫米波暗室OTA測試設(shè)備5G NSA連接信令流程

圖10 毫米波暗室OTA測試設(shè)備5G SA連接信令流程

圖11 毫米波暗室OTA測試設(shè)備5G NSA物理層參數(shù)

圖12 毫米波暗室OTA測試設(shè)備5G SA物理層參數(shù)

5 結(jié)束語

本文主要對5G毫米波測試技術(shù)進行研究，首先對5G毫米波測試系統(tǒng)采用OTA的必要性進行分析和說明，緊接著對國內(nèi)外OTA測試方法進行概述并對毫米波OTA測試方法研究趨勢進行展望，然后對5G毫米波OTA測試技術(shù)的挑戰(zhàn)進行歸納和說明，最后依據(jù)現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)水平提出應(yīng)對各項挑戰(zhàn)的解決方案搭建5G毫米波OTA測試系統(tǒng)，完成毫米波終端在OTA環(huán)境下的射頻性能測試。

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5G mmWave OTA test technologies

LING Yunzhi1,2, ZHANG Yu1, XU Hu1, CHEN Ting3

1. China Electronics Technology Instruments (Anhui) Co., Ltd, Bengbu 233010, China 2. Anhui Key Laboratory of Electronic Measurement Technology, Bengbu 233010, China 3.Northern Information Control Research Institute Group Co.,Ltd, Nanjing 211106, China

Millimeter wave (mmWave) is one of the key technologies of 5G communication, 5G communication will bring revolutionary improvements in network capacity, data rate, and delay. 5G testing has changed from the previous conduction type to OTA testing. The challenges and difficulties encountered in 5G mmWave large bandwidth OTA testing wereanalyzed, and a variety of OTA test key technologies was put forward,finally the construction of 5G mmWave OTA test platform for a large bandwidth was discussed, the radio performance testing of various devices under millimeter wave OTA was completed.

5G, OTA testing, large bandwidth testing

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021042

2020?11?05；

2021?02?11

凌云志（1976?），男，中電科儀器儀表（安徽）有限公司研究員，電子信息測試技術(shù)安徽省重點實驗室移動通信測試方向帶頭人，主要研究方向為通信測試技術(shù)與儀器。

張煜（1980?），男，中電科儀器儀表（安徽）有限公司研究員，主要研究方向為移動通信測試技術(shù)。

許虎（1985?），男，中電科儀器儀表（安徽）有限公司高級工程師，主要研究方向為移動通信測試技術(shù)。

陳婷（1986?），女，北方信息控制研究院集團有限公司高級工程師，主要研究方向為測控技術(shù)與儀器。