5G基站射頻傳導測試研究與應用

劉傳利，桂麗，楊波

（中國信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實驗室，北京 100191）

0 引言

截止2019年底，全球已經有39個國家/地區(qū)的75家運營商建設了5G商用網絡，5G基站出貨量已超100萬臺，5G用戶數預計已超6 000萬[1]?；咀鳛榫W絡接入的關鍵設備，其射頻性能的優(yōu)劣直接關系到網絡容量、覆蓋范圍、吞吐量等指標，與用戶體驗息息相關。

5G基站的射頻性能測試可以分為傳導測試和OTA（Over The Air，空口輻射）測試兩類。射頻OTA測試作為新引入的測試需求，已經有大量人員進行過相關研究[2-4]。射頻傳導測試作為傳統(tǒng)測試項目，其測試過程中存在發(fā)射機測試模式的選取、接收機參考測量信道配置、測試項目間關聯性、測試結果與設備性能的相關性等多個關鍵點值得進行深入研究。當前除3GPP系列標準中對傳導測試方法進行規(guī)范性說明外，國內外對相關測試方法或實施方案詳細介紹的文獻資料很少。射頻傳導測試系統(tǒng)方面，現有的測試系統(tǒng)僅針對5G終端，并無針對5G基站的成熟的傳導測試系統(tǒng)。本文主要通過對5G基站射頻傳導一致性測試項目的梳理歸納，分析不同測試項目的配置、考量的設備指標及其對實際網絡的影響，并結合實際測試的經驗，提出了5G基站射頻傳導一致性測試的方案。

1 5G基站類型

5G基站主要用于提供5G空口協議功能，支持與用戶設備、核心網之間的通信。按照邏輯功能劃分，5G基站可分為5G基帶單元與5G射頻單元，二者之間可通過CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共無線電接口）或eCPRI（enhanced Common Public Radio Interface，增強型通用公共無線電接口）接口連接[5]。

從射頻測試的角度考慮，5G基站可以分為1-C、1-H、1-O、2-O四種類型。不同類型基站的主要區(qū)別見表1：

表1 基站類型的區(qū)別

2 5G基站射頻測試標準

目前5G基站射頻一致性測試標準主要有第三代合作伙伴計劃（3GPP,The 3rd Generation Partnership Project）制定的國際標準和中國通信標準化協會（CCSA,China Communications Standards Association）制訂的國內通信行業(yè)標準。

3GPP組織制定的5G基站射頻一致性標準包括：射頻技術要求[6]、射頻傳導測試方法[7]和射頻OTA測試方法[8]，是基站射頻指標的基本要求。

國內5G基站的行業(yè)標準包括《5G數字蜂窩移動通信網 6GHz以下頻段基站設備技術要求》和《5G數字蜂窩移動通信網 6GHz以下頻段基站設備測試方法》兩本。行業(yè)標準是結合國內移動通信頻率規(guī)劃情況，考慮在不同通信制式共存共址的場景下，對3GPP規(guī)范中的部分測試項目和測試指標進行適當調整后的國內版本，更加適應國內的實際使用需求。

3 射頻測試項目

5G基站的射頻傳導測試分為發(fā)射機、接收機和性能測試三個部分。

3.1 發(fā)射機測試項目

發(fā)射機的射頻傳導測試包括基站輸出功率、輸出功率動態(tài)范圍、發(fā)射機開/關功率、發(fā)射信號質量、非期望輻射、發(fā)射互調等測試項目，具體的子項目見圖1。

基站輸出功率項目主要測試基站在常溫環(huán)境和極限環(huán)境下輸出功率的準確性和穩(wěn)定性，評估基站在不同環(huán)境長時間工作的性能。

輸出功率動態(tài)范圍項目主要測試基站在最大功率輸出模式和最小功率輸出模式下的準確性，以保證在滿負荷和最低負荷時均能進行準確的信號傳輸。

發(fā)射機開/關功率測試項僅針對TDD（Time Division Duplexing，時分雙工）制式的基站，主要測試在收發(fā)時隙切換的過程中，時隙開關打開和關閉的時機控制是否符合要求，以及時隙開關關閉后的底噪是否符合要求。

信號質量測試包含頻率誤差、調制質量和時間對齊誤差三個子項目，主要測試發(fā)射信號在頻域、時域、調制域上的準確度[9]。

非期望輻射包含占用帶寬、鄰道抑制比、頻譜發(fā)射模板、發(fā)射機雜散四個項目，主要保證基站發(fā)射信號時不對工作頻帶內或帶外其他頻段產生影響。

圖1 發(fā)射機測試項目

發(fā)射機互調項目主要考察發(fā)射機抑制自身信號與干擾信號產生非線性產物的能力。當有干擾信號注入天線連接器時，干擾信號會與基站自身發(fā)射的信號產生非線性產物，該非線性產物可能會干擾其他頻率的發(fā)射信號或接收信號。干擾信號來源可能是共址基站的共址發(fā)射互調，也可能是本基站其他發(fā)射單元的系統(tǒng)內發(fā)射互調。

3.2 接收機測試項目

如圖2所示，接收機的射頻傳導測試項目包括參考靈敏度電平、動態(tài)范圍、鄰道選擇性、信道內選擇性、阻塞、接收機雜散、接收機互調等。

圖2 接收機測試項目

接收機測試項主要測試基站接收機對上行信號解調的能力以及濾波器對干擾的抑制能力。參考靈敏度電平是對基站上行解調性能的直接體現，良好的接收機靈敏度可有效降低終端上行信號的發(fā)射功率，使終端耗電更少；動態(tài)范圍指接收信號能被檢測且不失真的功率范圍，該范圍反映接收機接收強/弱信號的能力范圍；鄰道選擇性體現接收機對鄰道干擾的抑制能力，良好的鄰道選擇性將擴展基站的鄰頻組網能力；信道內選擇性體現接收帶內不同幅度信號的能力，其性能優(yōu)劣將影響基站抑制蜂窩網絡遠近效應的能力；阻塞體現接收機抗帶內帶外連續(xù)波干擾的性能，主要考察接收機低噪放和濾波器的性能；接收機雜散是衡量接收機正常工作時對其他頻段的影響，是共存共址應用場景的要求；接收機互調重點關注的是多個載波信號同時輸入到接收機后，由于非線性產生的互調產物對接收機的影響。

3.3 性能測試項目

傳導的性能測試項目包括PUSCH（Physical Uplink Share Channel，物理上行共享信道）性能要求、PUCCH（Physical Uplink Control Channel，物理上行控制信道）性能要求、PRACH（Physical Random Access Channel，物理隨機接入信道）性能要求等。具體的測試子項目見圖3：

圖3 性能測試項目

性能測試針對三個重要的上行物理信道（PUSCH、PUCCH、PRACH），測量其在多種傳播條件下的解調性能，傳播條件包含了網絡應用中的常見場景。性能測試關注的是基站基帶單元的解調能力。

4 射頻測試方法與測試結果

射頻傳導一致性測試中，需要精確測量幅度電平、頻率、時間、吞吐量等參數，主要用到的測試儀表有：頻譜儀、信號源、噪聲信號發(fā)生器、多徑模擬器等。本節(jié)將以發(fā)射機和接收機的部分測試項目為例，搭建測試環(huán)境，對基站進行實際測試，并對測試結果進行分析與研究，給出可行的測試方法。

4.1 發(fā)射機測試

發(fā)射機傳導測試連接示意圖如圖4所示，該配置可以進行基站輸出功率、輸出功率動態(tài)范圍、頻率誤差、調制質量、占用帶寬、鄰道抑制比、頻譜發(fā)射模板等項目的測試。測試過程中，為防止外界干擾對測試結果的影響，可將測試系統(tǒng)搭建在屏蔽室中。

圖4 發(fā)射機測試連接圖

發(fā)射機測試的基本流程如下：

（1）按照圖4搭建測試鏈路，將基站天線連接器通過射頻線纜經合適的衰減器連接至信號分析儀；

（2）配置基站按照最低工作頻率、最大工作帶寬、測試模式1.1發(fā)射信號；

（3）在信號分析儀上，使用Channel Power模式讀取基站發(fā)射功率的數值，使用ACP模式讀取鄰道抑制比的數值，使用SEM模式完成頻譜發(fā)射模板的測試。

（4）更改基站的測試模式，完成該模式對應項目的測試。

（5）更改基站工作的頻率、帶寬，重復進行步驟（3）、（4），直到完成所有頻率、帶寬、測試模式的測試項目。

根據測試需要，可將被測基站的時鐘、同步信號通過線纜連接至信號分析儀，并在信號分析儀上進行外部時鐘、外部觸發(fā)的相應設置，以使信號分析儀的解調更加準確。

4.2 接收機測試

接收傳導測試連接示意圖如圖5所示，該配置可以進行除接收機雜散外的所有接收機項目的測試，其中參考靈敏度電平、信道內選擇性只需要一個信號發(fā)生器即可完成測試，接收機互調需要用到三個信號發(fā)生器，其余測試項目用到兩個信號發(fā)生器。接收機雜散的測試連接示意圖可參考圖4，將圖中的衰減器更換為衰減幅度合適的即可。

圖5 接收機測試連接圖

以鄰道選擇性為例，接收機測試的基本過程為：

（1）按圖5所示連接測試鏈路，配置有用信號發(fā)生器在指定頻點、帶寬、速率和指定功率電平上發(fā)射射頻信號；

（2）配置基站在指定頻點、帶寬、速率等參數下進行接收統(tǒng)計，確保鏈路暢通，誤塊率（BLER）符合要求；

（3）打開調制干擾信號發(fā)生器，按測試要求配置信號頻率、帶寬、功率電平等參數；

（4）再次對基站接收機的BLER進行統(tǒng)計，記錄測試結果并進行判斷。

為保證測試結果的準確，整個測試環(huán)境應在屏蔽室環(huán)境內進行，以杜絕外界干擾的影響。

4.3 發(fā)射機測試結果

結合生產廠家、基站類型、頻段、端口數量等因素的差異，選取了兩個生產廠家的不同類型、不同頻段共8個基站設備進行實際測試，被測基站的主要參數見表2，發(fā)射機的測試結果見表3、表4。

發(fā)射機測試中基站需要配置兩種測試配置：NR-FR1-TM1.1 和NR-FR1-TM3.1，其中NR-FR1-TM1.1 對應的測試項目有：基站輸出功率、發(fā)射機開/ 關功率、時間對齊誤差、占用帶寬、鄰道抑制比、頻譜發(fā)射模板、發(fā)射機雜散；NR-FR1-TM3.1 對應的測試項目有：總功率動態(tài)范圍、調制質量、頻率誤差。本文的測試中，兩種測試模式均選擇100 MHz 帶寬，30 kHz 子載波間隔。

從表2中測試數據可以看出，在統(tǒng)一的測試模式下，8個基站的發(fā)射功率誤差均未超過±2.5 dB的范圍，調制質量（EVM）均未超過8%，符合規(guī)范要求。測試的頻率誤差均遠優(yōu)于指標要求，這與測試過程中使用時鐘同步被測基站和測試儀表有直接關系，時鐘同步能夠保證兩者的本振頻率嚴格一致，減小測試環(huán)境帶來的誤差影響。

表2鄰道抑制比的測試結果中，所有基站的測試結果均高于45 dB，符合指標要求。與發(fā)射載波頻偏一倍帶寬處的數值比頻偏兩倍帶寬處的數值稍差，這與寬帶調制的頻譜特性一致，即頻譜上距離載波越遠，受調制載波的干擾影響越小。1號基站的測試結果相比其他基站略差，這與1號基站的發(fā)射功率（46 dBm/端口）最大有直接關系，發(fā)射功率越大，需要射頻鏈路中的增益越大，引起底噪抬升，從而導致對鄰道（頻偏BW）、次鄰道（頻偏2BW）的抑制越差。

表2 被測基站主要參數

表3 基站發(fā)射機測試結果

表4 發(fā)射機雜散輻射測試結果

表3雜散輻射測試結果中，類型1-C基站的發(fā)射功率均高于類型1-H基站，其雜散數值也略高，可知發(fā)射功率的大小對雜散輻射有直接的影響。9—150 kHz、150 kHz—30 MHz頻段的雜散為低頻范圍，主要受被測設備電源特性的影響，實際測試中通過更換品質更好的電源可以改善該段的測試結果；30 MHz—fc（載波頻率）頻段范圍的雜散與被測基站的功放、濾波器特性密切相關，通過更換過渡帶更窄的濾波器，能顯著改善發(fā)射信號頻帶邊緣處的雜散性能；在2fc（載波頻率的2倍）以上頻段，雜散產生的主要原因是射頻鏈路非線性產生的互調、諧波等次生產物，通過改善基站射頻輸出端元器件在工作頻段上的線性度能降低該頻段的雜散。

4.4 接收機測試結果

對發(fā)射機測試中的8個基站，均進行了接收機靈敏度的測試，測試結果見表5。接收機測試配置均為：系統(tǒng)帶寬100 MHz，子載波間隔30 kHz，物理資源塊使用數量51，參考測量信道G-FR1-A1-5。

表5 基站接收機測試結果

在標準規(guī)定的參考靈敏度電平下，8個基站的吞吐量都達到了該參考測量信道理論速率的100%，即在物理層無任何誤塊產生，判定該項測試合格。為進一步測量基站接收機的極限狀態(tài)，在此配置環(huán)境下繼續(xù)降低有用信號發(fā)生器的輸出功率，使基站接收到的電平逐步降低，直到誤塊率達到5%，吞吐量達到理論值的95%，記錄各基站的靈敏度極限值。從表5中數據可以看出，類型1-C的基站大約降低7 dB達到靈敏度極限值，類型1-H基站降低4～6 dB即達到極限值，因此同樣網絡覆蓋條件下1-H基站的覆蓋范圍略低于1-C基站；在實際使用中，類型1-H基站通道較多，可以通過波束賦形提高覆蓋范圍，最終兩者的實際覆蓋范圍基本一致。

除雜散外，接收機的其他測試項目均可在接收機靈敏度測試的基礎上增加不同類型的干擾即可實現，不再一一列舉。接收機雜散的測試連接與步驟與發(fā)射機雜散一致，此處不再贅述。

5 結束語

本文基于5G基站射頻傳導測試，介紹了相關測試標準和測試項目，對發(fā)射機、接收機的測試項目進行分析研究，指出其對網絡應用的影響，給出了射頻傳導發(fā)射機和接收機測試的連接圖及測試環(huán)境搭建的過程。通過對多個基站的實際測試，分析了影響測試結果的主要因素以及測試中的注意事項。

隨著5G網絡的建設，多通道基站的使用越來越多，導致射頻傳導測試的工作量大幅增加，傳統(tǒng)手動測試單通道基站的方式已經很難滿足需求；通過引入開關矩陣并配合自動化測試系統(tǒng)進行射頻測試，能夠高效、準確地測試多通道射頻性能，是一個重要的發(fā)展方向。另外隨著天線一體化基站的應用，通過OTA方式測試所有射頻項目是一個必然趨勢，如何準確、高效地進行射頻OTA測試是一個值得研究的課題。