5G通信儀器校準測試技術(shù)綜述

辛奕，陳東，劉君榮，李靜

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

移動通信自20世紀80年代誕生以來，經(jīng)過30多年爆發(fā)式的增長，已成為連接人類社會的基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)，將會促進各個產(chǎn)業(yè)的高度融合和發(fā)展。在5G技術(shù)發(fā)展的推動下，制造和研發(fā)5G相關(guān)產(chǎn)品引入了大量新技術(shù)、新工藝，基礎(chǔ)設(shè)施更新迭代，企業(yè)對5G通信測試儀器的校準服務(wù)的需求遠大于現(xiàn)有的2G、3G和4G技術(shù)，由于5G通信技術(shù)使用全新頻段、超寬帶技術(shù)和大規(guī)模天線陣列，5G通信測試儀器采用新頻段、新標準和新協(xié)議，而目前5G通信儀器缺少相應(yīng)的校準規(guī)范，容易出現(xiàn)問題，故對5G終端、5G承載網(wǎng)絡(luò)測試儀器和5G大規(guī)模陣列天線的校準測試提出了新的挑戰(zhàn)。

本文將從5G終端、5G承載網(wǎng)絡(luò)測試儀器和5G大規(guī)模陣列天線的校準參數(shù)、現(xiàn)狀和面臨的問題幾個方面來探討5G通信儀器的校準測試技術(shù)。

1 5G通信發(fā)展現(xiàn)狀

近些年，5G通信技術(shù)快速發(fā)展，國際間的技術(shù)合作和競爭也愈演愈烈，5G通信技術(shù)水平的高低一定程度上反映了國家未來的發(fā)展動能和潛力。國內(nèi)通信技術(shù)的發(fā)展歷程如圖1所示。1G時代采用模擬信號傳輸，通信的安全性差、易受干擾，各個國家采用的1G通信標準不一致。進入2G時代，實現(xiàn)了模擬到數(shù)字調(diào)制的跨越，手機具備了上網(wǎng)功能，傳輸速率達10～15 kb/s。2009年1月，工信部為中國移動、電信和聯(lián)通發(fā)放3G牌照，中國進入3G時代，信息的傳輸速率提高了一個數(shù)量級。2013年12月，工信部向三大運營商發(fā)放TDLTE牌照，2015年2月，電信、聯(lián)通獲發(fā)FDDLTE牌照，中國開啟了4G時代，4G對3G速率進一步提升，可以快速地傳輸高質(zhì)量的圖像、音頻和視頻等。2015年10月，國際電聯(lián)批準了推進5G研究進程的決議，5G列入國家“十三五”規(guī)劃，得到了國家863計劃、國家科技重大專項的支持，2018年已經(jīng)完成關(guān)鍵技術(shù)驗證、技術(shù)方案驗證和系統(tǒng)驗證3個階段的技術(shù)研發(fā)試驗，2019年啟動了5G增強及毫米波技術(shù)研發(fā)試驗、終端測試和互操作測試，2019年開始預(yù)商用網(wǎng)建，2020年正式商用。在國際上，5G已成為各國信息技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點，中國IMT-2020（5G）推進組、歐盟5GPPP、日本5GMF、韓國5G論壇和美洲5G Americas等組織先后成立，推進各國和地區(qū)的5G需求、技術(shù)和頻譜研究工作，各國和地區(qū)的5G相關(guān)組織相繼成立，推動了5G產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。同時，中歐展開5G項目合作，IEEE也開始發(fā)力5G研究[1-2]。

圖1 我國通信技術(shù)的發(fā)展歷程

5G時代，海量鏈接、超大帶寬、超低時延，其速率較4G有全方位的提升，下行峰值的速率可達20 Gb/s，上行峰值的速率可能超過10 Gbps。5G超低時延為車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制和智能電網(wǎng)等垂直行業(yè)提供了更安全、可靠的網(wǎng)絡(luò)連接。同時，其可使得自動駕駛、遠程醫(yī)療等應(yīng)用場景走向現(xiàn)實，5G網(wǎng)絡(luò)每平方公里百萬級的連接數(shù)使萬物互聯(lián)成為可能[3]。

隨著2019年6月5G商用牌照的發(fā)放和5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的大范圍鋪開，5G正在加速向我們的生活走來。截至到2019年7月，全國各省市發(fā)布5G相關(guān)政策文件35個，加速5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、交通和醫(yī)療等多個行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用，5G時代已經(jīng)到來。產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，5G產(chǎn)業(yè)鏈上游設(shè)備廠商著手開發(fā)和生產(chǎn)5G設(shè)備，運營商密集建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，先行終端廠商接踵發(fā)布5G手機。截至2019年7月，全國范圍已建成5G基站3.8萬個。標準方面，2018年6月5G第一個版本標準完成了增強移動帶寬場景，2020年5G第二版本標準將完成低時延高可靠場景。我國廠商在5G標準制定中，做出了重要的貢獻[1]。

2 5G通信測試儀器

通信測試儀器作為通信產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從1G通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期開始，伴隨著通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成熟，全面覆蓋了基站測試、終端測試、外場測試、認證/預(yù)認證測試和實驗室測試等移動產(chǎn)業(yè)鏈中產(chǎn)品的全生命周期，形成完善的通信測試技術(shù)體系和產(chǎn)品體系[3]。

5G測試儀器主要分為5G終端/基站測試儀器、外場環(huán)境模擬與監(jiān)測儀器、器件/部件測試儀器和5G承載網(wǎng)絡(luò)測試儀器，如圖2所示。其中，終端/基站測試儀器主要有Sub 6G和毫米波終端/基站測試儀、大規(guī)模矩陣天線測試儀、終端模擬器與基站射頻一致性測試儀等；外場環(huán)境模擬和監(jiān)測主要有5G空口監(jiān)測儀、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測試儀器等；器件/部件測試儀主要有矢量信號源、信號分析儀和無線綜測儀等，需包含5G協(xié)議選項；承載網(wǎng)絡(luò)測試儀主要有協(xié)議測試儀、網(wǎng)絡(luò)性能分析儀等。

圖2 5G通信的主要測試儀器

3 通信測試設(shè)備校準技術(shù)

5G通信設(shè)備具有高頻段、大帶寬和低時延的新特性，使得其對器件的設(shè)計、工藝和測試設(shè)備的校準提出了新需求，例如：器件在設(shè)計方面，要求帶寬超過800 M；在制造方面，制造工藝將使用7 nm工藝以滿足5G高速率和低功耗的需求；在測試設(shè)備校準方面，5G通信波段，Sub-6 GHz FR1頻段的頻率范圍為450 MHz～6 GHz，毫米波FR2頻段的范圍為24.25～71 GHz，帶寬范圍為100～800 MHz，遠遠大于4G時代20 MHz的帶寬；使用毫米波頻段后，為提升頻譜效率和傳輸性能，實現(xiàn)多載波聚合，天線尺寸也變?yōu)楹撩准?，通信基站采用大?guī)模陣列天線；同時，5G采用5G NR制式和eCPRI協(xié)議，主干網(wǎng)的傳輸速率由40 Gbps提升至100 Gbps，無線協(xié)議的傳輸速率由600 Mbps～10 Gbps，提升至10～25 Gbps。基于5G測試設(shè)備發(fā)生的上述變化，研究建立用于終端測試設(shè)備（矢量信號源、分析儀）、大規(guī)模陣列天線和承載網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備（100G、OTN、eCPRI）測試的計量標準裝置，研究編寫相關(guān)計量檢定規(guī)程和校準規(guī)范，完善現(xiàn)有的通信計量標準體系，已迫在眉睫。

3.1 5G終端測試儀器校準技術(shù)

5G終端測試儀器主要有：矢量信號源、信號分析儀、無線綜合測試儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等，校準主要分為發(fā)射機參數(shù)測試、接收機參數(shù)測試，如表1所示。發(fā)射機校準參數(shù)主要有頻率準確度、輸出電平、頻譜純度、單邊帶相位噪聲、調(diào)制信號調(diào)制質(zhì)量、占用帶寬、頻譜發(fā)射模板、鄰道泄漏功率比和EVM均衡器頻譜平坦度等。接收機校準參數(shù)主要有參考靈敏度電平、最大輸入電平、鄰道選擇性、阻塞特性、調(diào)制質(zhì)量參數(shù)分析和射頻輸入端口電壓駐波比等。

表1 5G終端測試儀器校準參數(shù)

對于矢量信號源、無線綜合測試儀器發(fā)射機部分等，該類儀器的通用校準參數(shù)如輸出頻率、輸出功率、頻譜特性和調(diào)制質(zhì)量，校準方法與4G終端測試儀器相同，采用頻率計、功率計、頻譜分析儀和綜合測試儀等設(shè)備進行校準；而對于5G NR矢量調(diào)制參數(shù)，目前暫未有公開發(fā)布的校準規(guī)范，可采用標準矢量信號分析儀進行校準，并采用寬帶校準技術(shù)對矢量分析儀的幅相特性進行校準，保障寬帶調(diào)制信號的校準。對于矢量信號分析儀、無線綜合測試儀接收部分等，該類測試儀器的通用校準參數(shù)如輸入頻率、輸入功率和頻率特性，校準方法與4G測試儀器相同，采用矢量信號源、頻率計和測量接收機等設(shè)備對頻率和功率等參數(shù)進行校準；而對于5G NR解調(diào)參數(shù)，目前暫未有公開發(fā)布的校準方法，可研制標準矢量信號發(fā)生器，采用預(yù)失真技術(shù)產(chǎn)生高質(zhì)量的5G NR調(diào)制信號，用標準矢量信號分析儀比對的方式對調(diào)制參數(shù)進行校準。綜上，將5G終端測試儀器的頻率、功率參數(shù)溯源至頻率計和測量接收機，5G NR矢量調(diào)制/解調(diào)參數(shù)溯源至標準矢量分析儀，最終溯源至國家計量標準裝置。

5G終端測試儀器中，在頻率和帶寬大提升的同時，采用了新的5G NR標準，SUB-6G和毫米波段的5G NR調(diào)制功能均發(fā)生了變化。目前，國內(nèi)外對基于窄脈沖的超寬帶技術(shù)研究較多，而基于帶通載波調(diào)制方式的超寬帶技術(shù)研究較少，只有解決超寬帶信號分析儀的帶內(nèi)幅相特性參數(shù)校準，才能保障超寬帶內(nèi)的幅度平坦度和相位平坦度，現(xiàn)在校準方法只是參照矢量信號分析儀的校準規(guī)范，但超寬帶的調(diào)制性能參數(shù)并沒有得到校準，現(xiàn)有校準方法的主要技術(shù)依據(jù)為JJF 1277-2011《無線局域網(wǎng)測試儀校準規(guī)范》、JJF 1443-2014 LTE《數(shù)字移動通信綜合測試儀校準規(guī)范》、JJF 1396-2013《頻譜分析儀校準規(guī)范》和JJF 1174-2007《數(shù)字信號發(fā)生器校準規(guī)范》等，針對5G終端測試儀器的校準，需要5GNR校準規(guī)范，需要完善超寬帶的調(diào)制性參數(shù)校準方法。

3.2 5G大規(guī)模陣列天線測試技術(shù)

在5G之前，基站天線對射頻指標的測試是使用傳導(dǎo)方式，終端天線僅有全向輻射功率（TRP）和全向輻射靈敏度（TIS）采用OTA測試。5G采用大規(guī)模天線陣列，具有以下特點。

a）天線與射頻通道高度集成

在5G毫米波大規(guī)模陣列中，為了減小傳輸與連接損耗，方便數(shù)目眾多的天線單元與射頻通道集成，將采用天線單元與射頻通道直接相連的方式。

b）天線與射頻通道數(shù)目眾多

5G毫米波基站采用大規(guī)模MIMO形式，常見的天線與射頻通道數(shù)有64、128和256等。

c）系統(tǒng)帶寬大

5G毫米波系統(tǒng)帶寬寬，通道帶寬將達到400 MHz，甚至更大。

d）射頻前端體積減小

毫米波波長短，5G毫米波大規(guī)模MIMO陣列相較于低頻段同等規(guī)模陣列其體積大幅地減小。

e）采用波束成形技術(shù)

毫米波空間傳輸損耗大，采用波束成形技術(shù)可提高天線的增益，從而增加等效發(fā)射功率與接收信噪比。另一方面，多波束技術(shù)的引入可以提高系統(tǒng)容量，提升系統(tǒng)的性能。

對于5G大規(guī)模天線陣列射頻測試，既需要傳導(dǎo)測試（天線基本性能，即天線無源參數(shù)）又需要空口OTA測試（天線系統(tǒng)性能，即天線有源參數(shù)）。傳導(dǎo)測試是利用射頻線纜直接將儀表和被測物連接到一起，避免空間輻射的干擾信號對測試的影響。OTA測試是通過天線直接輻射出來，由測量天線接收，然后再將信號傳入測試儀表的方法，為了避免空間干擾信號和多徑，需在吸波暗室中進行。5G天線主要校準參數(shù)如表2所示，無源參數(shù)測試參數(shù)主要有功率、駐波比、天線方向圖、波束寬度和增益等，校準方法與4G測試儀器相同，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀加擴頻裝置，實現(xiàn)100 GHz的頻譜覆蓋，測試類型包括平面、柱面和球面測試。天線有源測試參數(shù)主要有波瓣、TPR和TIS，由于波束賦形的功能需要在射頻模塊的協(xié)同下才能工作，毫米波的5G基站天線只能通過空口進行測試，3GPP已經(jīng)明確低頻和高頻的一致性測試，如EVM、ACLR和OBUE等都將采用OTA方式[5-6]。

表2 5G大規(guī)模天線陣列測試參數(shù)

5G大規(guī)模天線陣列有著天線單元和射頻通道數(shù)眾多、天線單元與射頻通道高度集成的特點，其5G有源天線參數(shù)和4G時代的校準測試方法不同，傳導(dǎo)測試即無源參數(shù)的校準方法同4G時代相同，主要技術(shù)依據(jù)：GJB/J 5410-2005《電磁兼容測量天線的天線系數(shù)校準規(guī)范》、ANSI C63.5-2017《電磁兼容性-電磁干擾（EMI）控制中輻射測量天線的校準（9 kHz～40 GHz）》和JJF 1706-2018《9 kHz～30MHz鞭狀天線校準規(guī)范》等。對于有源參數(shù)的校準，目前已提出幾種方法，如旋轉(zhuǎn)矢量法、利用天線單元間互耦和有獨立校準通道系統(tǒng)[7]，現(xiàn)急需在頻道通道數(shù)、基帶處理、測試時間和成本之間找到一個合理的平衡點，提出一種低成本、高時效的5G大規(guī)模天線陣列校準測試裝置。

3.3 5G承載網(wǎng)絡(luò)測試儀器校準技術(shù)

5G承載網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備有光模塊、網(wǎng)絡(luò)性能分析儀、光傳輸綜合分析儀（OTN）和協(xié)議分析儀（CPRI/eCPRI）等。校準分為基礎(chǔ)參數(shù)、光傳輸參數(shù)和光網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測試?；A(chǔ)光通信參數(shù)主要有光功率、光波長、光回損和光偏振等，校準方法同4G承載網(wǎng)絡(luò)測試儀器相同，采用光功率計、光源、光譜分析儀和光回損儀等設(shè)備進行有關(guān)參數(shù)的校準測試；光傳輸參數(shù)有信號輸出波形、反射衰減和靈敏度等電接口參數(shù)和信號平均發(fā)送光功率、抖動、眼圖、光譜特性、接收靈敏度和抖動特性等光接口參數(shù)，采用光傳輸分析儀、眼圖儀、誤碼儀和飛秒激光源等設(shè)備進行有關(guān)參數(shù)的校準測試，對于抖動參數(shù)，目前暫無校準規(guī)范，可研制高精度抖動源產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)抖動的光信號；光網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有時延、丟包率和CPRI/eCPRI協(xié)議等，目前暫無校準規(guī)范，可采用網(wǎng)絡(luò)損傷儀、幀頭觸發(fā)器等設(shè)備進行有關(guān)參數(shù)的校準測試。

表3 光通信測試儀表校準參數(shù)

5G光通信采用了eCPRI協(xié)議和新技術(shù)，主干網(wǎng)傳輸速率由40 Gbps提升至100 Gbps，無線協(xié)議傳輸速率由600 Mbps～10 Gbps，提升至10～25 Gbps，5G的傳播速度快、信息流量大、運作效率高，現(xiàn)有的校準方法主要參照JJF 1237-2017 SDH/PDH《傳輸分析儀校準規(guī)范》、JJG 813-2013《光纖光功率計》、JJG 963-201《通信用光波長計檢定規(guī)程》、JJG 1035-2008《通信用光譜分析儀檢定規(guī)程》、JJG 958-2000《光傳輸用穩(wěn)定光源檢定規(guī)程》、JJF 1325-2011 《通信用光回波損耗儀校準規(guī)范》和JJF（電子） 30905-2007《光纖及光器件偏振特性校準規(guī)范》等，目前暫無針對OTN和eCPRI公布校準規(guī)范，可采用標準傳輸分析儀和協(xié)議分析儀發(fā)生不同類型的告警信號進行驗證。如何對抖動、噪聲和時延等參數(shù)進行校準，是5G光通信計量校準的新課題，國內(nèi)需要OTN和CPRI/eCPRI的校準規(guī)范。

4 結(jié)束語

矢量信號發(fā)生器、矢量分析儀、無線綜合測試儀和CPRI/eCPRI等5G通信主要測試儀器，其量值準確是5G技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)和保障。5G做為當今世界大國爭奪的戰(zhàn)略制高點，與美、韓和日同為第一梯隊的中國，一直加緊5G商用步伐，隨著5G商用的不斷深入，測試儀器采用更高的頻率、新標準5G NR、新協(xié)議eCPRI和毫米波面臨的大帶寬的校準問題尚未得到有效的解決；若不解決，將會成為行業(yè)發(fā)展的短板。一方面，需要計量校準機構(gòu)提出新的校準方法并制定相關(guān)標準；另一方面，企業(yè)也應(yīng)該發(fā)揮行業(yè)帶頭作用，積極尋求合作，與高校/研究機構(gòu)/計量院等各方一道，推動方法落地，以保障測試儀器的量值準確，支撐5G產(chǎn)品質(zhì)量，加速5G產(chǎn)業(yè)化。