5G毫米波端到端性能測(cè)試技術(shù)研究

張翔 喬尚兵 王飛龍 魏貴明

【摘? 要】

面向5G毫米波大規(guī)模陣列天線基站，創(chuàng)新提出了端到端性能測(cè)試系統(tǒng)。從技術(shù)原理、硬件架構(gòu)、系統(tǒng)校準(zhǔn)這幾個(gè)維討論了如何完成毫米波基站的性能驗(yàn)證。依據(jù)3GPP定義的信道模型，仿真了暗室靜區(qū)中的最關(guān)鍵指標(biāo)角度功率譜相似度百分比，并且給出了指標(biāo)建議。

【關(guān)鍵詞】5G;毫米波;空口測(cè)試;波束賦形

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.015? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2020）04-0069-03

引用格式：張翔，喬尚兵，王飛龍，等. 5G毫米波端到端性能測(cè)試技術(shù)研究[J]. 移動(dòng)通信， 2020，44（4）： 69-71.

Research on 5G Millimeter Wave End-to-End Performance Testing Technologies

ZHANG Xiang， QIAO Shangbin， WANG Feilong， WEI Guiming

（China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China）

[Abstract]

A novel end-to-end performance testing system is proposed for 5G millimeter wave （mmWave） base station with massive antenna arrays in this paper. How to accomplish the performance test for mmWave base station is discussed in terms of technical principles， hardware architecture and system calibration. Based on the channel model defined in the 3GPP specification， the similarity percentage of the power angle spectrum is simulated as the most important key metric in the darkroom zone， and then the metric is suggested.

[Key words]5G; mmWave; OTA test; beamforming

0? ?引言

Sub 6 GHz基站性能測(cè)試多采用傳導(dǎo)方式，通過信道模擬器儀表模擬傳播過程中的路徑損耗、陰影衰落和快速衰落。以基站64發(fā)送通道，終端4通道為例，信道模擬器需支持64×4雙向互易信道模擬。毫米波頻段由于路損和穿透損耗大，對(duì)傳播環(huán)境更為敏感[1]，因此更需要對(duì)基站算法在衰落場(chǎng)景下的性能進(jìn)行精細(xì)研究。但是由于毫米波傳導(dǎo)接口消失，性能測(cè)試將轉(zhuǎn)為OTA方式。

目前OTA吞吐量性能測(cè)試方法主要面向終端討論。Sub 6 GHz終端OTA測(cè)試規(guī)范主要可參照MIMO OTA（Over The Air，空口）規(guī)范1.1版本[2]，其主要思想是通過數(shù)學(xué)優(yōu)化探頭功率（部分算法需優(yōu)化相位），實(shí)現(xiàn)靜區(qū)中的空間相關(guān)性分布與信道模型中角度功率譜的傅里葉變換相同[3]。但是目前相關(guān)算法并不能用于毫米波基站性能測(cè)試，具體原因如下：

（1）角度功率譜與空間相關(guān)性雖為傅里葉變換關(guān)系，但是由于傅里葉變換非一一對(duì)應(yīng)，因此，存在空間相關(guān)性相同，但角度功率譜差別很大的情況[4]，而毫米波波束賦形測(cè)試極為重要，若角度錯(cuò)誤，則測(cè)試結(jié)果將明顯錯(cuò)誤。

（2）因?yàn)榻K端一般位置較低，散射體豐富，信道模型定義的終端側(cè)角度擴(kuò)展（一般取值30°～60°）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基站側(cè)的角度擴(kuò)展（2°～10°）[5]。傳統(tǒng)MIMO OTA暗室中在圓環(huán)中均勻分布的探頭方案（相鄰探頭間距22.5°）無法生成小于22.5°的角度擴(kuò)展。

（3）終端采用全向天線，而基站采用扇區(qū)化天線，因此探頭應(yīng)分布在基站覆蓋的扇形區(qū)域內(nèi)。

（4）終端運(yùn)動(dòng)速度的模擬通過信道模擬器添加多普勒實(shí)現(xiàn)，但用戶位置并未真實(shí)改變，因此無法支持波束跟蹤和波束切換測(cè)試。

目前3GPP對(duì)毫米波終端的OTA測(cè)試方法討論，已經(jīng)明確采用PSP（Power Angle Spectrum Similarity Percentage，角度功率譜相似度百分比）作為靜區(qū)優(yōu)化準(zhǔn)則，重點(diǎn)保證來波方向的準(zhǔn)確性[6]。并且明確采用8個(gè)雙極化探頭完成信號(hào)接收與發(fā)射。但是目前面向終端的討論并不直接適用于基站測(cè)試，具體原因如下：

（1）目前討論的測(cè)試靜區(qū)較小，直徑只有10 cm，遠(yuǎn)小于基站的陣面尺寸;

（2）終端運(yùn)動(dòng)速度的模擬通過信道模擬器添加多普勒實(shí)現(xiàn)，不支持波束跟蹤、波束切換測(cè)試;

（3）毫米波終端雖具備波束賦形能力，但波束寬度遠(yuǎn)大于基站波束寬度，角度擴(kuò)展遠(yuǎn)大于基站側(cè)角度擴(kuò)展;

（4）目前討論僅針對(duì)下行，無法支持雙向測(cè)試。

綜上，需要研發(fā)全新的面向毫米波基站的端到端性能測(cè)試系統(tǒng)。

1? ?系統(tǒng)介紹

1.1? 系統(tǒng)目標(biāo)

提供全新的面向毫米波基站的端到端性能測(cè)試系統(tǒng)，包含除信道模擬器外的全套硬件設(shè)備及測(cè)試軟件。支持3GPP全部5G毫米波信道模型測(cè)試;支持大尺度建模和小尺度建模的同時(shí)模擬;支持視距與非視距場(chǎng)景建模;支持上下行雙向信道加載;支持射頻拉遠(yuǎn)與多種加噪方式;支持波束跟蹤與波束切換測(cè)試。測(cè)試結(jié)果精確可重復(fù)，測(cè)試流程高度自動(dòng)化，測(cè)試結(jié)果自動(dòng)統(tǒng)計(jì)輸出。

1.2? 方案簡介

如圖1所示，基站端與終端均采用OTA的方式來完成毫米波端到端性能單用戶測(cè)試。在基站暗室中，配置方位軸和俯仰軸的二維轉(zhuǎn)臺(tái)可以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)5G基站的方位，固定于探頭墻之上的探頭可靈活適配各種信道模型。

以下行為例。雙極化接收下行信號(hào)后通過毫米波線纜將信號(hào)接入變頻功放箱，通過內(nèi)部變頻器和多級(jí)低噪放設(shè)備，保證基站波束指向的鏈路信號(hào)滿足信道模擬器入口功率要求，同時(shí)信號(hào)載頻下降到Sub 6 GHz。信道模擬器加載單向信道衰落模型，經(jīng)過低頻信道的模型后經(jīng)過變頻功率箱變到目標(biāo)頻率，同時(shí)保證最強(qiáng)鏈路的信號(hào)到達(dá)探頭功率滿足要求，終端暗箱中采用高增益雙極化探頭，保證終端的接收功率滿足好點(diǎn)要求。

以上行為例。終端上行信號(hào)通過高增益天線接收，經(jīng)過變頻功放箱變?yōu)榈皖l信號(hào)，信號(hào)功率匹配信道模擬器的最佳輸入功率，經(jīng)過信道模擬器添加信道模型后，通過變頻功放箱變?yōu)楦哳l信號(hào)，再通過中等增益探頭發(fā)射信號(hào)至毫米波基站。采用校準(zhǔn)天線，通過調(diào)整變頻功放箱和信道模擬器的功率，完成上下行校準(zhǔn)，保證TDD（Time Division Duplexing，時(shí)分雙工）信道模型的上下行互異性。

2? ? PSP仿真

2.1? PSP定義

由于不同的待測(cè)設(shè)備具有不同的波束選擇能力，因此空間相關(guān)性這種與具體設(shè)備無關(guān)的OTA環(huán)境驗(yàn)證指標(biāo)不再適用于mmWave（毫米波）MIMO OTA。鑒于此，在mmWave MIMO OTA中，將PSP作為衡量OTA環(huán)境的驗(yàn)證指標(biāo)。PSP與空間相關(guān)性的相似之處在于，其本質(zhì)目的均是使得OTA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的實(shí)際PAS（Power Angle Spread，功率角度擴(kuò)展）與信道模型的目標(biāo)PAS盡可能地接近，不同之處在于，PSP指標(biāo)中加入了待測(cè)設(shè)備尺寸與波束分辨能力對(duì)于PAS的影響。顯然，PSP更適合用于mmWave MIMO OTA。以PSP為優(yōu)化目標(biāo)，將獲得具體的探頭位置和功率權(quán)重，實(shí)現(xiàn)適用于毫米波頻段的信號(hào)發(fā)射部分的信道建模。

PSP的計(jì)算方式為PSP=（1-TVD）×100%，其中PSP的TVD（Total Variation Distance，總偏移距離）又可表示為下式[7]：

TVD=? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，P^t（Ω）為在理想環(huán)境下，待測(cè)設(shè)備所觀測(cè)到的PAS分布，其與實(shí)際模型與待測(cè)設(shè)備分辨能力有關(guān)。而P^o（Ω）則為在暗室環(huán)境中，待測(cè)設(shè)備所觀測(cè)到的實(shí)際PAS分布。對(duì)于特定目標(biāo)模型，通過優(yōu)化暗室中探頭的位置與功率，可使得P^o（Ω）與P^t（Ω）盡可能地接近，進(jìn)而得到最優(yōu)的PSP。同樣優(yōu)化方式下，探頭越多，PSP優(yōu)化結(jié)果越好，但是通道數(shù)的增多，會(huì)大幅增加系統(tǒng)成本。不同探頭下的PSP仿真將在后續(xù)章節(jié)給出。

2.2? 仿真結(jié)果

如表1所示，視距模型對(duì)于探頭數(shù)量的要求較低，2個(gè)雙極化探頭即可具有90%以上的PSP。然而非視距模型對(duì)于探頭數(shù)量要求較高，而且隨著探頭數(shù)量的減少，PSP值迅速下降。這是因?yàn)長OS模型的功率分布較為集中，因此利用少量的探頭即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功率分布，而非視距模型功率分布則較為分散，需要的探頭也就更多。

3? ? 結(jié)束語

首選分析了現(xiàn)有MIMO OTA測(cè)試系統(tǒng)的局限，總結(jié)了毫米波端到端性能測(cè)試的難點(diǎn)。提出了基于雙OTA暗室的毫米波性能測(cè)試系統(tǒng)，支持空間信道衰落雙向模擬，完成5G基站和終端芯片物理層關(guān)鍵技術(shù)的性能驗(yàn)證。搭建仿真平臺(tái)，給出空間信道建模的最關(guān)鍵參數(shù)——PSP隨暗室探頭數(shù)的變換關(guān)系。結(jié)果表明，視距模型對(duì)暗室探頭數(shù)的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于非視距模型。該端到端性能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于5G基站和終端性能檢驗(yàn)就有十分重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介

張翔（orcid.org/0000-0002-5632-8481）：博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所主任工程師，主持多項(xiàng)國家科技重大專項(xiàng)科研項(xiàng)目，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模天線技術(shù)，5G OTA測(cè)試方法，基站和終端的射頻與性能測(cè)試技術(shù)，已在國際期刊和會(huì)議上發(fā)表SCI、EI論文30余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利20余項(xiàng)。

喬尚兵：碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，主要從事Sub 6 GHz和毫米波頻段基站及終端芯片MIMO OTA測(cè)試算法研究。

王飛龍：碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，研究方向?yàn)?G終端OTA性能與射頻測(cè)試算法及測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。