5G毫米波終端射頻環(huán)境檢測(cè)方法

劉亞輝，王 玢

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京 100041）

0 引言

5G通信技術(shù)必將為用戶帶來(lái)全新的互聯(lián)網(wǎng)使用體驗(yàn)，并加速各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。毫米波系統(tǒng)是5G技術(shù)為滿足大帶寬需求的一項(xiàng)重要組成部分，隨著5G業(yè)務(wù)的大力布局，當(dāng)前通信頻段一定會(huì)全面覆蓋毫米波方向，而確定并規(guī)劃5G毫米波終端射頻檢測(cè)的方法與標(biāo)準(zhǔn)，建立完備的5G毫米波檢測(cè)環(huán)境，成為5G技術(shù)下一階段部署的關(guān)鍵。

1 5G毫米波概述

5G主要使用兩段頻率，分別定義為FR1頻段和FR2頻段。FR1頻段為450 MHz-7.125 GHz，又叫sub-6 GHz頻段。FR2頻段為24.25 GHz-52.6 GHz，由于FR2覆蓋的波段中大多數(shù)波段小于10 mm，因此得名毫米波（mmWave），其工作頻段如表1所示。

表1 3GPP中定義的毫米波工作頻段

目前，一些國(guó)家和地區(qū)已陸續(xù)完成了5G毫米波頻譜的劃分及其分配或拍賣。美國(guó)分別于2019年1月和5月完成了28 GHz和24 GHz頻段的拍賣，并于2020年3月進(jìn)一步完成了對(duì)37 GHz、39 GHz 和47 GHz頻段的拍賣。歐盟委員會(huì)已于2019年5月通過(guò)了一項(xiàng)實(shí)施決定，統(tǒng)一26 GHz頻段的無(wú)線電頻譜，使成員國(guó)能夠?yàn)轭l段使用設(shè)定共同的技術(shù)條件并開(kāi)放使用，目前意大利、芬蘭、挪威已經(jīng)完成部分頻譜的分配或拍賣。在亞洲，日本、韓國(guó)、泰國(guó)、中國(guó)香港和中國(guó)臺(tái)灣已經(jīng)完成了26 GHz和28 GHz部分頻譜的分配或者拍賣。而截止到2020年6月，已經(jīng)有17個(gè)國(guó)家及地區(qū)的79家運(yùn)營(yíng)商擁有了在24.25-29.5 GHz頻段部署了5G毫米波的許可。

5G毫米波在我國(guó)也得到了政策的有力支持，早在2017年6月，工業(yè)和信息化部就發(fā)布了面向社會(huì)廣泛征集24.75-27.5 GHz、37-42.5 GHz或其他毫米波頻段用于5G系統(tǒng)的意見(jiàn)，并將毫米波頻段納入5G試驗(yàn)的范圍，在2020年3月發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)5G加快發(fā)展的通知》中明確指出，將結(jié)合國(guó)家頻率規(guī)劃進(jìn)度安排，組織進(jìn)行毫米波設(shè)備和性能檢測(cè)，為5G毫米波技術(shù)商用提前做好準(zhǔn)備，適時(shí)發(fā)布部分5G毫米波頻段頻率使用規(guī)劃。

2019年，中國(guó)IMT-2020（5G）推進(jìn)組在統(tǒng)籌規(guī)劃5G毫米波工作時(shí)，提出要分3個(gè)階段推進(jìn)試驗(yàn)工作：首先在2019年，工作的重點(diǎn)內(nèi)容是驗(yàn)證5G毫米波的關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)特點(diǎn)；然后2020年的重點(diǎn)工作是，驗(yàn)證5G毫米波的基站與終端的功能、性能、互操作；最后在2020到2021年間進(jìn)行5G毫米波在典型場(chǎng)景中的應(yīng)用驗(yàn)證。

2 5G毫米波的優(yōu)缺點(diǎn)

隨著移動(dòng)通信的飛速發(fā)展，目前6 GHz以下常用頻段幾乎已經(jīng)被用完，但是仍然存在頻譜短缺和沖突的問(wèn)題。而毫米波頻段的資源豐富，可用的頻譜帶寬遠(yuǎn)大于低頻段。與低頻段相比較，毫米波通信具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）頻率資源豐富、帶寬極大：3GPP中規(guī)定了毫米波的最大帶寬為400 MHz，在載波聚合的情況下最大能達(dá)到1200 MHz帶寬，遠(yuǎn)大于sub-6 GHz頻寬的帶寬。根據(jù)香農(nóng)公式，同等條件下，更大的帶寬意味著具有更快的傳輸速率。5G毫米波在傳輸速率上將達(dá)到10 Gb/s的量級(jí)，遠(yuǎn)高于sub-6 GHz頻段的1 Gb/s的量級(jí)。

（2）波束窄：能分辨相距更近的小目標(biāo)或更為清晰的觀察目標(biāo)細(xì)節(jié)，非常適合與波束賦形技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，提高定向性，在通信中可以更好地對(duì)通信對(duì)象進(jìn)行空間分隔。

（3）可實(shí)現(xiàn)低時(shí)延：通常來(lái)說(shuō)，5G網(wǎng)絡(luò)是以時(shí)隙為單位調(diào)度數(shù)據(jù)的，空口時(shí)隙長(zhǎng)度越短，意味著5G網(wǎng)絡(luò)在物理層的時(shí)延越小。如表2所示，5G毫米波系統(tǒng)空口時(shí)隙長(zhǎng)度最小可至0.125 ms，是目前主流5G中低頻系統(tǒng)的1/4。因此，5G毫米波系統(tǒng)比5G中低頻系統(tǒng)空口時(shí)延顯著降低，可實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、AR/VR、云游戲、實(shí)時(shí)云計(jì)算等URLLC（高可靠低時(shí)延）業(yè)務(wù)的質(zhì)量承諾。

表2 不同頻段的時(shí)隙間隔

（4）安全保密性好、傳輸干擾小：毫米波在傳輸中衰減快，竊聽(tīng)難度大。由于頻段高，電磁頻譜干凈，沒(méi)有什么干擾源，因此毫米波的信道相對(duì)穩(wěn)定可靠，誤碼率低。

（5）設(shè)備集成度高：5G毫米波的元器件尺寸小，因此設(shè)備更容易小型化和微型化。

盡管毫米波有著眾多優(yōu)點(diǎn)，但也不可避免的存在一些缺點(diǎn)，比如傳播衰減大，繞射和衍射能力弱，覆蓋能里有限等。

3 5G毫米波終端射頻檢測(cè)

通常2G、3G、4G終端，射頻與天線有各自獨(dú)立的檢測(cè)方法和指標(biāo)，可以分開(kāi)檢測(cè)獨(dú)立評(píng)估，射頻指標(biāo)一般采用傳導(dǎo)檢測(cè)方法，使用線纜將被測(cè)設(shè)備的射頻口與檢測(cè)儀表相連，測(cè)量精度主要取決于儀表的性能。由于5G毫米波采用了massive MIMO技術(shù)，設(shè)備都使用天線陣列，無(wú)法使用傳統(tǒng)的傳導(dǎo)檢測(cè)方法，因此，空口（OTA）檢測(cè)將成為5G毫米波的主要檢測(cè)方法。

依據(jù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)3GPP TR 38.810《3rd Generation Partnership Project；Technical Specification Group Radio Access Network ； NR ； Study on test methods》 中的描述，射頻發(fā)射機(jī)有三種檢測(cè)方法。

3.1 直接遠(yuǎn)場(chǎng)（Direct far field）

（1）遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量是最簡(jiǎn)單的OTA測(cè)量的系統(tǒng)。被測(cè)設(shè)備被安裝在一個(gè)定位器上，該定位器可以在兩個(gè)平面上旋轉(zhuǎn)（方位角和仰角或者方位角和橫滾角），可以從任意的3D角度進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)距離需滿足D設(shè)備天線的尺寸，λ為電磁波波波長(zhǎng)。示意圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖

然而公式中天線尺寸D有時(shí)并不簡(jiǎn)單。對(duì)于典型的天線陣列，D是陣列的對(duì)角線。但對(duì)于5G毫米波用戶設(shè)備而言，確定D值時(shí)需要考慮的一個(gè)因素是這些設(shè)備會(huì)配有多個(gè)天線陣列，支持全方位覆蓋，如圖2所示。

圖2 5G毫米波設(shè)備可能采用的天線陣列圖

有兩種方法可以測(cè)量配有一個(gè)或多個(gè)天線陣列的設(shè)備：第一種“白盒”的方法，但前提是需要預(yù)先知道被測(cè)設(shè)備的天線陣列的位置及具體尺寸；另一種方法不需要知道任何天線陣列的位置，稱為“黑盒”方案，用于計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)的D值是被測(cè)設(shè)備的最大尺寸。一般白盒方案用于開(kāi)發(fā)環(huán)境中，因?yàn)楦赡苤捞炀€的結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)場(chǎng)距離相對(duì)于黑盒方案會(huì)小得多。檢測(cè)使用黑盒方案。

（2）3GPP中給出不同天線尺寸和頻率的近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)邊界如表3所示。

表3 不同天線尺寸和頻率的近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)邊界

由表3可知，對(duì)于較大的天線尺寸和較高的頻率，遠(yuǎn)場(chǎng)需要的檢測(cè)距離可能非常大，這需要非常大的暗室，建設(shè)成本會(huì)很昂貴。檢測(cè)中的路徑損耗也很大，對(duì)于檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度有很大的難度。

3.2 間接遠(yuǎn)場(chǎng)（Indirect far field）

（1）間接遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)方法時(shí)使用拋物面反射器的變換創(chuàng)建遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境，這也稱為緊湊型天線檢測(cè)系統(tǒng)（CATR）。示意圖如圖3所示。

圖3 間接遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖

D=x[m]

反射器尺寸=2×D

R=焦距=3.5×反射器尺寸=3.5×（2×D）

（3）間接遠(yuǎn)場(chǎng)的檢測(cè)路徑損耗估算如表4所示。

表4 間接遠(yuǎn)場(chǎng)的檢測(cè)路徑損耗估算

表3與表4對(duì)比來(lái)看，同一頻率下，DUT天線尺寸越大，間接遠(yuǎn)場(chǎng)的路徑損耗比直接遠(yuǎn)場(chǎng)的路徑損耗就要越小。

3.3 近場(chǎng)轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)場(chǎng)（Near field to far field transform）

（1）NFTF方法通過(guò)近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)的變換來(lái)計(jì)算在遠(yuǎn)場(chǎng)中定義的度量。如圖4所示。

圖4 NFTF檢測(cè)示意圖

（2）測(cè)量輻射近場(chǎng)UE波束圖，并基于NFTF數(shù)學(xué)變換，最終得出檢測(cè)結(jié)果，但是無(wú)法檢測(cè)EVM、EIS和阻塞。

3.4 三種檢測(cè)方法的比較

3GPP TR38.810中還規(guī)定了檢測(cè)環(huán)境適用情況。如表5所示。

表5 檢測(cè)環(huán)境適用情況

間接遠(yuǎn)場(chǎng)的檢測(cè)方法相對(duì)于直接遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)方法，適用的待測(cè)設(shè)備更多，需要的暗室尺寸更小，建設(shè)成本更低，且路徑損耗相對(duì)較小，檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。與近場(chǎng)轉(zhuǎn)換遠(yuǎn)場(chǎng)的檢測(cè)方法相對(duì)比，適用的待測(cè)設(shè)備更多，可以覆蓋的檢測(cè)項(xiàng)更完整。所以現(xiàn)在大多數(shù)檢測(cè)都采用間接遠(yuǎn)場(chǎng)的方式進(jìn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

5G賦能各行各業(yè)，而毫米波技術(shù)使用更高的頻率，使5G實(shí)現(xiàn)了更快的速率，真正實(shí)現(xiàn)了5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，成為影響5G未來(lái)部署的關(guān)鍵性技術(shù)，必將在未來(lái)十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，為我們帶來(lái)持續(xù)性的科技突破。