5GNRR15R&S信號(hào)產(chǎn)生與分析方案

1 引言

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5GNR）是繼目前4GLTE部署后移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的下一個(gè)主要階段。3GPPR15于2017年12月凍結(jié)成為第一版本5G NSA（Non-Standalone）標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)放在了兩大應(yīng)用場(chǎng)景——增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶（eMBB）和超可靠的低延遲通信（URLLC），主要是實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率、改善連接并達(dá)到更高的系統(tǒng)容量，除了使用低于6GHz的頻率，也會(huì)使用毫米波（mmWave）波段。

在5GNR中有幾種不同類型的子載波間隔可選，包括15、30、60、120和240kHz。為了實(shí)現(xiàn)不同Numerologies之間的高復(fù)用率，3GPP確定了Δf×2^u的原則，指5GNR最基本的子載波間隔與LTE一樣15kHz，但可根據(jù)15×(2^u)kHz，u∈{0,1,...,4}靈活擴(kuò)展。

3GPP在5GNRR15之前提出了許多波形選項(xiàng)，需考慮與MIMO的兼容性、頻譜效率、低峰均功率比（PAPR）、URLLC用例、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等因素。目前，3GPPR15已確定，CP-OFDM支持5GNR的上行和下行，引入了DFT-S-OFDM波形與CP-OFDM波形互補(bǔ)用于低峰均比的上行。CP-OFDM波形可用于單流和多流（即MIMO）傳輸，而DFT-S-OFDM波形只限于針對(duì)上行鏈路峰均比較低的情況的單流傳輸。

5G NR的下行OFDM調(diào)制方式為：QPSK、16QAM、64QAM和256QAM；上行DFT-s-OFDM調(diào)制方 式 為 ：π/2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM 和256QAM。上行增加了π/2-BPSK，主要考慮在mMTC場(chǎng)景下，數(shù)據(jù)速率低，以實(shí)現(xiàn)功放的更高效率。除了π/2-BPSK，5GNR與LTE-A使用的調(diào)制階次是相同的，不過3GPP正在考慮將1024QAM引入。

不管采用哪種參數(shù)集，5G無線幀和子幀的長(zhǎng)度都是固定的，即一個(gè)無線幀的長(zhǎng)度固定為10ms，1個(gè)子幀的長(zhǎng)度固定為1ms，與LTE相同，從而更好地保持LTE與NR間共存，利于LTE和NR共同部署模式下時(shí)隙與幀結(jié)構(gòu)同步。不同的是，5GNR定義了靈活的時(shí)隙和符號(hào)，長(zhǎng)度根據(jù)子載波間隔大小可變，因此5G幀結(jié)構(gòu)劃分為由固定結(jié)構(gòu)和靈活結(jié)構(gòu)兩部分組成。一個(gè)時(shí)隙里的符號(hào)數(shù)量14個(gè)在不同子載波間隔取值時(shí)都不變，變化的是一個(gè)子幀Subframe里時(shí)隙的個(gè)數(shù)會(huì)呈2^u倍數(shù)變化。

LTE中一個(gè)RB（Resource Block）定義為12個(gè)子載波，1個(gè)時(shí)隙為1RB；而NR中一個(gè)RB仍然為12個(gè)子載波。相比4G最高僅90%的信道帶寬利用率，5GNR進(jìn)一步提高信道帶寬利用率，最高可達(dá)98.28%，需要各廠家自主實(shí)現(xiàn)對(duì)占用帶寬設(shè)計(jì)和帶外抑制并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，可采用Filter、Windowing技術(shù)等。

5G NR在頻域上引入了一個(gè)新的Carrier Bandwidth Part（載波帶寬分塊，BWP）。根據(jù)3GPP38.211章節(jié)4.4.5，將載波帶寬分塊定義為：一組連續(xù)的物理資源塊，從給定載波上給定的參數(shù)集的公共資源塊的一個(gè)連續(xù)子集中選擇，每一個(gè)BWP內(nèi)的Subcarrier Spacing、Symbol Duration、Cyclic Prefix Length 可以不同。UE可以在下行、上行鏈路中被配置多達(dá)4個(gè)BWP，但在給定時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)DL/UL BWP處于激活狀態(tài)。5GNRR15物理層的關(guān)鍵參數(shù)匯總參見表1。

為5G提供信號(hào)生成和信號(hào)分析儀器特別具有挑戰(zhàn)性，硬件上需要面對(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，并能提供可擴(kuò)展的分析帶寬。信號(hào)發(fā)生器同樣也必須能夠處理高頻信號(hào)，并且可以擴(kuò)展為5G提供信號(hào)生成和信號(hào)分析儀器特別具有挑戰(zhàn)性，硬件上需要面對(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，并能提供可擴(kuò)展的分析帶寬。信號(hào)發(fā)生器同樣也必須能夠處理高頻信號(hào)，并且可以擴(kuò)展。

2 5G基站測(cè)試組網(wǎng)圖和組成儀器介紹

以典型的5G基站作為待測(cè)設(shè)備，如圖1所示測(cè)試組網(wǎng)中包括高端矢量信號(hào)源SMW200A和高端信號(hào)與頻譜分析儀FSW，其它測(cè)試儀器可以提供干擾信號(hào)和交調(diào)、阻塞信號(hào)。R&SFSW信號(hào)和頻譜分析儀支持最高可達(dá)85GHz的頻率上限，內(nèi)置分析帶寬是2GHz。配合R&SRTO2066數(shù)字示波器，分析帶寬可輕松擴(kuò)展到5GHz帶寬。R&SSMW200A矢量信號(hào)發(fā)生器頻率范圍可達(dá)40GHz，提供高達(dá)2GHz的內(nèi)部調(diào)制帶寬。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?。?，無需復(fù)雜的校準(zhǔn)和調(diào)整，使用極其方便。

3 5GNR信號(hào)源主要功能和特點(diǎn)

表1 5GNRR15物理層的關(guān)鍵參數(shù)

圖1 5G基站測(cè)試組網(wǎng)圖

R&SSMW200A高端矢量信號(hào)源的5GNR信號(hào)產(chǎn)生選件SMW-K144特性與3GPPR15保持一致，根據(jù)3GPP規(guī)范[1-4]實(shí)現(xiàn)，包含以下物理層信號(hào)和特性：Downlink信號(hào)產(chǎn)生、Uplink（CP-OFDM and DFT-SOFDM）信號(hào)產(chǎn)生、Numerologies、Channel BWs、Sync（SS/PBCH）、Multi-BWPs、User/BWPCORESETs、Time Plan。

5GNR信號(hào)產(chǎn)生軟件可用于產(chǎn)生符合3GPP的5G NR信號(hào)用于接收機(jī)的系統(tǒng)測(cè)試和組件硬件測(cè)試。它能生成3GPP5GNR標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（包含LDPC編碼和極化碼信道編碼）用于接收機(jī)測(cè)試（見圖2），支持上行和下行配置的靈活子幀分配、不同的參數(shù)集（子載波間隔——15、30、60、120、240kHz）和多用戶通道生成與PUSCH和PDSCH。也支持單載波、多載波和多天線端口傳輸，包括空間多路復(fù)用和傳輸分集。用戶能自定義數(shù)據(jù)PN9、PN15、數(shù)據(jù)包等用于BLER測(cè)試。

圖2 SMW200A5G NR信號(hào)配置界面（左）和時(shí)頻資源圖（右）

此外，SMW-K144軟件5GNR提供了用于元器件和發(fā)射器的功率和調(diào)制性能測(cè)試信號(hào)?？捎糜谛诺拦β省㈩l譜發(fā)射模版和雜散發(fā)射測(cè)試，查看CCDF、頻譜、時(shí)域和功率包絡(luò)圖來研究效果功率坡度、調(diào)制格式、功率變化、削峰調(diào)整峰均比（PAPR），降低波峰因子。

4 5GNR信號(hào)分析主要功能和特點(diǎn)

使用基于高端信號(hào)與頻譜分析儀的5GNR測(cè)量應(yīng)用選件FSW-K144，可以對(duì)gNB和UE器件發(fā)射機(jī)性能在時(shí)間、頻率和調(diào)制域進(jìn)行測(cè)量，符合基于3GPP TS38.104和141規(guī)范。

通過對(duì)5GNR信號(hào)進(jìn)行解調(diào)設(shè)置（見圖3），可以配置SS塊（添加/刪除SS塊）、BWP（多個(gè)BWP設(shè)置）、多用戶和PDSCH設(shè)置以及無線幀結(jié)構(gòu)PDSCH/PDCCH。

圖3 信號(hào)與頻譜分析FSW解調(diào)配置界面

圖4是一個(gè)5G NR下行信號(hào)調(diào)制域解調(diào)分析結(jié)果，包括256QAM顯示星座圖、頻譜、幀結(jié)構(gòu)、EVM。P-SS、S-SS、PBCH-DMRS、PDSCH、PSDCH-DMRS頻道/信號(hào)結(jié)果被單獨(dú)列出，以方便問題查找和定位。也可顯示每個(gè)BWP、子幀、時(shí)隙的物理信號(hào)和物理信道詳細(xì)信息，例如功率、調(diào)制方式、EVM。

圖4 信號(hào)與頻譜分析FSW解調(diào)結(jié)果顯示——EVM、星座圖等（左）與物理信號(hào)和物理信道詳細(xì)信息（右）

FSW-K144解調(diào)功能主要用于符合TS38.141的基站下行信號(hào)射頻測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試方法匯總參見表2。

本文介紹了R&S公司用于符合5GNR規(guī)范的測(cè)試設(shè)備及相關(guān)信號(hào)產(chǎn)生和分析軟件，并以一個(gè)典型基站設(shè)備為例，使用信號(hào)源和頻譜儀對(duì)5GNR基站發(fā)射機(jī)和接收機(jī)射頻性能進(jìn)行測(cè)試。

表2 TS 38.141的基站下行信號(hào)射頻測(cè)試項(xiàng)目與測(cè)試方法