5G概述及R&S測試解決方案

馮宇 羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

羅德與施瓦茨技術(shù)專欄

5G概述及R&S測試解決方案

馮宇 羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

編者按：雖然目前還沒有明確的5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不過預(yù)計5G技術(shù)會滲透到未來社會的各個領(lǐng)域，將使信息突破時空限制，提供極佳的交互體驗，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴。目前，很多運營商及設(shè)備制造商已積極加入到5G技術(shù)的研究中。羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司馮宇所撰《5G概述及R&S測試解決方案》一文介紹了5G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，同時介紹了R&S公司針對5G系統(tǒng)中毫米波和大規(guī)模MIMO技術(shù)的測試方案。雖然目前5G技術(shù)還處在預(yù)研和標(biāo)準(zhǔn)制定階段，不過各個廠家對于5G技術(shù)的測試需求已經(jīng)越來越明顯，羅德與施瓦茨公司的矢量信號發(fā)生器、號分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀表可以滿足目前5G預(yù)研的需求，同時R&S公司也將緊跟5G標(biāo)準(zhǔn)，力爭為5G技術(shù)的發(fā)展提供完整優(yōu)質(zhì)的測試方案。

5G即第五代移動通信技術(shù)，是4G技術(shù)之后的延伸。雖然目前還沒有明確的5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不過預(yù)計5G技術(shù)會滲透到未來社會的各個領(lǐng)域，將使信息突破時空限制，提供極佳的交互體驗，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴。目前，很多運營商及設(shè)備制造商積極加入到5G技術(shù)的研究中，本文將簡單介紹5G研究中的典型關(guān)鍵技術(shù)以及R&S公司針對5G系統(tǒng)的測試解決方案。

5G MIMO 毫米波 大規(guī)模MIMO

1 引言

在移動通信技術(shù)的演進歷程中，依次經(jīng)歷了1G、2G、3G和4G階段。從技術(shù)角度來看，1G是模擬式通信系統(tǒng)，主要用來解決語音通信問題；2G是數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，以GSM和CDMA技術(shù)為主要代表，可以支持窄帶的分組數(shù)據(jù)通信；3G標(biāo)準(zhǔn)以CDMA為技術(shù)基礎(chǔ)，存在WCDMA/TD-SCDMA/cdma2000/WiMAX4種技術(shù)，發(fā)展了諸如圖像、音樂、視頻流等高帶寬多媒體通信，解決了部分互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)及高速數(shù)據(jù)傳輸問題；4G通常被用來描述相對于3G的下一代通信網(wǎng)絡(luò)，以LTE/ LTE-A技術(shù)為主要代表，可以提供100Mbit/s設(shè)置更高的傳輸速度，從網(wǎng)速、容量、穩(wěn)定性上面相比之前的技術(shù)都有了很大的提升。

隨著移動通信系統(tǒng)帶寬和能力的增加，面向個人和行業(yè)的移動應(yīng)用快速發(fā)展。移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，成為5G的主要驅(qū)動力。面向2020年及未來，超高清、3D和浸入式視頻的流行，將會驅(qū)動數(shù)據(jù)速率大幅提升，同時用戶還希望能夠在體育場、演唱會等超密集場所，高鐵、車載、地鐵等高速移動環(huán)境下也能夠獲得一致的業(yè)務(wù)體驗；物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，智能家居、智能電網(wǎng)、視頻監(jiān)控、移動醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用對移動通信技術(shù)提出了更嚴(yán)格的低延時、高可靠性、大容量等需求。在新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)中，能耗、每比特成本、部署和維護的復(fù)雜度等可持續(xù)發(fā)展要求也進一步加強。

如圖1所示，中國IMT-2020（5G）推進組對5G網(wǎng)絡(luò)的性能要求和效率需求通過一株綻放的鮮花來進行定義，其中花瓣代表5G的六大性能指標(biāo)，體現(xiàn)了5G滿足未來多樣化業(yè)務(wù)與場景需求的能力，花瓣頂點代表了相應(yīng)指標(biāo)的最大值；綠葉代表效率指標(biāo)，是5G可持續(xù)發(fā)展的基本保障。

圖1 5G性能和效率需求

25 G關(guān)鍵技術(shù)介紹

截至目前，5G技術(shù)還處在預(yù)研階段，其技術(shù)規(guī)范還沒有統(tǒng)一定義，所以各大公司都在對5G技術(shù)進行積極的研究和討論，現(xiàn)階段基本得到業(yè)界認(rèn)可的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下方面：

（1）毫米波

所謂毫米波，即波長范圍1～10mm之間，也就是頻率在30～300GHz之間的無線電波。傳統(tǒng)的移動通信工作頻段主要集中在3GHz以下，使得頻譜資源已經(jīng)十分擁擠，而在高頻段可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，同時也可以實現(xiàn)高速短距離通信，支持5G容量和傳輸速率等方面的需求。不過毫米波頻段傳輸存在著傳輸距離短、穿透力和繞射能力差、容易受氣候環(huán)境影響等缺點，如果真正想要在毫米波頻段實現(xiàn)5G的各種業(yè)務(wù)，還有待進一步研究和解決這些問題。

（2）大規(guī)模MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于LTE、WLAN等技術(shù)上面。理論上，天線越多，頻譜效率和傳輸可靠性就越高。作為近年來備受關(guān)注的技術(shù)之一，多天線技術(shù)經(jīng)歷了從無源到有源，從二維到三維（3D），從高階MIMO到大規(guī)模天線陣列的發(fā)展，將有望實現(xiàn)頻譜效率提升至10倍甚至更高，是目前5G技術(shù)重要的研究方向之一。

（3）高帶寬傳輸

根據(jù)香濃定律可知，信道容量與帶寬和信噪比成正比，為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)Gbit/s級的數(shù)據(jù)速率，需要更大的帶寬。頻率越高，帶寬就越大，信道容量也就越高，因此高頻段連續(xù)帶寬將成為5G的主流選擇。配合一些有效的提升頻譜效率技術(shù)，比如大規(guī)模MIMO等，在高帶寬模式下可以很容易實現(xiàn)10Gbit/s的傳輸速率。

（4）新型空中接口技術(shù)

為了進一步的提高頻譜利用率以及應(yīng)用的靈活性，業(yè)界普遍認(rèn)為在5G系統(tǒng)中會采用不同于4G的空中接口技術(shù)。目前，被廣泛研究的主要包括非正交多址接入技術(shù)（NOMA）、濾波組多載波技術(shù)（FBMC）、全雙工技術(shù)（FullDuplex）等。各個廠家都在積極地推動各自主導(dǎo)的新技術(shù)，希望能夠在5G標(biāo)準(zhǔn)中脫穎而出，成為5G標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，不過這些技術(shù)是否能夠在5G系統(tǒng)中發(fā)揮更有效的作用，還有待進一步研究和驗證。

（5）密集網(wǎng)絡(luò)

在5G通信系統(tǒng)中，無線通信網(wǎng)絡(luò)朝著網(wǎng)絡(luò)多元化、寬帶化、綜合化和智能化的方向演進，隨著各種智能終端的普及，數(shù)據(jù)流量將發(fā)生井噴式的增長。傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋，已經(jīng)無法滿足這些需求。預(yù)計在5G時代，將會采用立體分層網(wǎng)絡(luò)，也就是在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)層中布放大量的微蜂窩、微微蜂窩、毫微微蜂窩等接入點，同時隨著物物連接網(wǎng)絡(luò)的增加，將會采用更加密集的網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案，部署有可能達(dá)到100個以上小區(qū)/扇區(qū)。

3 5G測試方案

雖然目前5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚在討論中，但是作為測試儀表廠商的代表羅德與施瓦茨公司已經(jīng)開始積極地投入到相關(guān)測試技術(shù)及方案研究中。針對5G廣泛認(rèn)可的毫米波、大規(guī)模天線陣、高帶寬等關(guān)鍵技術(shù)，羅德與施瓦茨公司可以提供完整的測試解決方案，以幫助設(shè)備廠家進行相應(yīng)的5G技術(shù)研究。本文將分別介紹R&S公司針對5G技術(shù)相應(yīng)的測試方案。

3.1 毫米波測試方案

毫米波的頻率一般是從30～300GHz間，針對5G技術(shù)熱點頻率集中在30～100GHz左右。R&S公司針對毫米波頻段信號的產(chǎn)生和分析主要通過矢量信號發(fā)生器和矢量信號分析儀來完成，目前R&S公司的高頻矢量信號發(fā)生器SMW200A單臺儀表最高可以實現(xiàn)40GHz信號的產(chǎn)生，如果配合相應(yīng)的外接混頻模塊則可以實現(xiàn)高達(dá)100GHz的矢量信號產(chǎn)生。同時高帶寬的測試需求在5G預(yù)研中也很明顯，SMW200A自身可以產(chǎn)生160MHz帶寬的信號，可用于802.11ac、LTE-A等信號產(chǎn)生，如果通過外部的模擬IQ輸入，SMW200A可以實現(xiàn)高達(dá)2GHz帶寬信號的產(chǎn)生，完全滿足目前5G研究的需求。SMW200A典型特征如圖2所示。

如果通過外部任意波形發(fā)生器生成基帶信號，可以產(chǎn)生帶寬高達(dá)2GHz的基帶信號，同時配合相應(yīng)的混頻模塊，可以實現(xiàn)更高頻率信號的產(chǎn)生。圖3為73GHz頻率，2GHz帶寬信號產(chǎn)生測試環(huán)境。

R&S公司的矢量信號分析儀FSW最高頻率可達(dá)到67GHz，同樣配合混頻模塊可以實現(xiàn)高達(dá)100GHz信號的接收和分析，F(xiàn)SW自身的分析帶寬為500MHz，該儀表目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各大廠家的5G研究中。圖4為40GHz頻率，500MHz帶寬信號的產(chǎn)生及分析測試環(huán)境。

對高于67GHz頻率的信號可以通過外接混頻器方式擴展FSW的接收頻率，從而實現(xiàn)對更高頻率毫米波信號的發(fā)射機測試，具體參見圖5。

圖2 微波頻段高端矢量信號發(fā)生器SMW200A

圖3 73GHz信號產(chǎn)生示意圖

圖4 毫米波信號產(chǎn)生及分析測試環(huán)境

圖5 72GHz毫米波信號分析測試環(huán)境

FSW不僅可以在頻域上對毫米波信號進行測試，還可以通過相應(yīng)的矢量解調(diào)選件，對信號的調(diào)制質(zhì)量（EVM等參數(shù)）進行分析，圖6所示為頻率62GHz，符號速率450MHz信號的分析測試結(jié)果。

同時，R&S公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZVA也可以對毫米波器件實現(xiàn)完整的測試，圖7為其測試示意圖。

3.2 MassiveMIMO測試方案

MIMO技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在無線和移動通信系統(tǒng)中，不過在5G系統(tǒng)中，對MIMO技術(shù)又做了進一步增強，首先天線數(shù)目已經(jīng)不局限在4G階段的2或者4根天線，將會有大規(guī)模的天線陣列出現(xiàn)，比如8、16或者128根天線；其次，三維天線的波束賦形等技術(shù)也將有可能成為現(xiàn)實。

圖6 毫米波信號解調(diào)分析結(jié)果

圖7 毫米波器件測試環(huán)境

R&S公司的矢量信號發(fā)生器SMW200A為MIMO系統(tǒng)測試提供了理想的選擇，它可以產(chǎn)生滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的無線和移動通信信號，目前通過擴展可支持八根接收天線，頻率最高可達(dá)到20GHz（見圖8）。同時，SMW200A還可以模擬完整的MIMO傳輸信道，最大支持16條衰落通道，帶寬高達(dá)160MHz。

圖8 20GHz八天線信號產(chǎn)生測試環(huán)境

如果只需要對6GHz以下頻率的八天線接收機進行測試，那么一臺SMW200A配合6臺外接的SGT100A射頻擴展單元就可以實現(xiàn)，圖9為其示意圖。

對于MIMO系統(tǒng)發(fā)射機的測試，基本都是選擇多個矢量信號分析儀來完成，比如測試2×2MIMO發(fā)射機，需要兩個信號分析儀才能進行完整測試。R&S公司針對MIMO發(fā)射機的測試，不僅可以通過多臺信號分析儀來完成，還提供了多通道數(shù)字示波器測試方案，可以大大降低測試成本。以4×4MIMO為例，傳統(tǒng)的測試方案如圖10所示。

使用多臺信號分析儀測試MIMO方案，雖然可以對射頻和信號調(diào)制質(zhì)量進行完整的測試，但是隨著天線數(shù)目的增多，需要更多的信號分析儀，這樣會帶來測試成本的增加。為了幫助客戶節(jié)約測試成本，R&S公司推出了使用多通道數(shù)字示波器（RTO），配合相應(yīng)的解析軟件來測試MIMO信號調(diào)制質(zhì)量的方案。目前，一臺示波器可以測試四天線MIMO信號，具體參見圖11。

圖9 6GHz八天線信號產(chǎn)生測試環(huán)境

圖10 4×4MIMO信號測試示意圖

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中除了傳統(tǒng)的發(fā)射機和接收機測試項目之外，還需要對天線陣列性能進行測試。R&S公司的最新多端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNBT可以實現(xiàn)24端口天線的測試，頻率可以達(dá)到8.5GHz，具體參見圖12。

如果需要更高頻率天線陣列的測試，可以通過R&S公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNB配合相應(yīng)的射頻開關(guān)箱來實現(xiàn)，并且開關(guān)箱可以由ZNB自動控制，測試過程中無需人工改變鏈路，其測試最高頻率可達(dá)24GHz，圖13為其測試示意圖。

圖11 RTO測試4×4MIMO信號

圖12 ZNBT測試示意圖

圖13 ZNB測試示意圖

同時，在針對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的OTA測試，R&S公司也有完整的測試解決方案。R&S公司最新推出的頻率高達(dá)40GHz的暗室，可以滿足目前5G系統(tǒng)OTA測試的需求，圖14為其示意圖。

圖14 40GHz頻段OTA測試示意圖

4 結(jié)束語

本文介紹了5G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，同時介紹了R&S公司針對5G系統(tǒng)中毫米波和大規(guī)模MIMO技術(shù)的測試方案。雖然目前5G技術(shù)還處在預(yù)研和標(biāo)準(zhǔn)制定階段，不過各個廠家對于5G技術(shù)的測試需求已經(jīng)越來越明顯，羅德與施瓦茨公司的矢量信號發(fā)生器SMW200A、矢量信號分析儀FSW、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ZNB等儀表可以滿足目前5G預(yù)研的需求，同時R&S公司也將緊跟5G標(biāo)準(zhǔn)，力爭為5G技術(shù)的發(fā)展提供完整優(yōu)質(zhì)的測試方案。

1 IMT-2020推進組.5G技術(shù)白皮書.2014,5

2 5 G通信核心關(guān)鍵技術(shù)及各國研究進展.微波射頻網(wǎng)

3 尤肖虎等.5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù).中國科學(xué).2014

4 VectorSignalGeneratorR&SSMU200ASpecifications

5 SpectrumAnalyzerR&SFSWSpecifications