5G毫米波終端測試方法及分析

宮劍，張宇

5G毫米波終端測試方法及分析

宮劍1，張宇2

（1. 國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041；2. 中國信息通信研究院，北京 100191）

在5G毫米波終端空口（over the air，OTA）射頻一致性測試中，等效全向輻射功率（effective isotropic radiated power，EIRP）和總輻射功率（total radiated power，TRP）類測試是重要的OTA測試項。目前依靠3GPP定義的隨機掃描鎖定最大波束的方式?jīng)Q定最大EIRP和TRP，但該方法既耗時又缺乏準確性。提出一種非信令的測試方法，相比于目前的EIRP、TRP測試方法，不僅提高了準確性，而且使得非方向性OTA場地作為測量環(huán)境成為可能，進一步降低了測試成本和時間成本，并增加了測試環(huán)境選擇的靈活度。

等效全向輻射功率；總輻射功率；最大波束方向搜索；波束編號；混響室

0 引言

隨著國際電信聯(lián)盟2019年世界無線電通信大會（WRC-19）確定5G毫米波標識的頻段24.25～27.5 GHz（26 GHz）、37～43.5 GHz（40 GHz）、66～71 GHz用于5G及國際移動通信系統(tǒng)（IMT）未來發(fā)展[1]，各國加快5G毫米波的頻率特性研究[2]和頻段規(guī)劃部署及研發(fā)試驗。我國工業(yè)和信息化部無線電管理局起草了《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》修訂征求意見稿，并于2022年7月31日前向社會公開征求了意見。其中也包含若干對毫米波頻段用于IMT的修訂。由于我國在國際5G發(fā)展中的持續(xù)引領地位，毫米波作為5G向6G的過渡，以及其在5G組網(wǎng)和應用上的重要體現(xiàn)，各設備廠商、測試機構、標準組織也在積極地推進與5G毫米波相關的研究和實驗。

由于5G毫米波設備已經(jīng)不存在傳導測量的天線連接口，所有的測試項均需要在空口（over the air，OTA）的環(huán)境下進行，基于OTA的射頻測試將迎來更大的挑戰(zhàn)，在原理、方法、效率等方面都需要進行新的探索[3-4]。近年來，學術界和產(chǎn)業(yè)界已對5G毫米波OTA射頻測試和性能測試的若干關鍵問題開展積極的探索研究，探索精確、高效、實用的測試方法和測試系統(tǒng)[5-6]。

3GPP中對5G OTA測試系統(tǒng)進行了定義，目前真正可用于OTA測試的場地主要有：遠場、緊縮場、平面波合成器（PWS）、混響室和近場等。對于不同的被測設備以及測試項，選擇上會有些不同。對于5G毫米波終端的測試環(huán)境，3GPP目前規(guī)定了遠場、緊縮場、近場等，但仍然不成熟，還在不斷地研究和改進。由于沒有一種場地可以兼容所有的測試例，因此測試成本提高，測試方法復雜化。

EIRP和TRP類測試是重要的OTA測試項，在3GPP TS38.521-2 5G毫米波終端OTA射頻一致性總輻射功率（total radiated power，TRP）類測試項的測量步驟中[7]，規(guī)定了在波束鎖定模式（beam lock mode）下進行測試，測試指標為TRP。具體操作為，在方向性暗室中，掃描整個球面上各角度點并鎖定當前波束，得到各點鎖定波束下的EIRP的搜索值，將最大搜索值作為等效全向輻射功率（effective isotropic radiated power，EIRP）最大值結果；在測量TRP時，將最大EIRP所對應的波束鎖定，重新掃描球面各點再積分得到TRP。因此，無論是最大EIRP還是TRP的測量都是非常耗時的測試。

本文首先對3GPP標準定義的測試方法進行了研究，分析了這種方法的局限性。后提出了一種新的測試方法并與3GPP方法進行了對比分析。

1 3GPP標準中規(guī)定的EIRP/TRP測試方法及問題

3GPP TS38.521-2是對5G毫米波終端的OTA射頻一致性的測試要求和測試方法的標準規(guī)定。其中，最大帶內TRP輸出功率、帶外輻射（out of band emission）（包括頻譜發(fā)射模板（SEM）和鄰道泄漏比（ACLR）），以及雜散發(fā)射等都需要測量TRP作為衡量指標，它們被統(tǒng)稱為TRP類測量項。對于TRP類測試項，在方向性暗室緊縮場或遠場[8]中需要掃描整個球面的若干點的EIRP，再根據(jù)式（1）計算出TRP的最終結果：

其中，為包圍所有被測天線輻射單元的最小球體的直徑，cy1為包圍所有被測天線輻射單元的最小向圓柱的直徑。

EIRP在三維球面的采樣點網(wǎng)格示意圖和二維平面采樣點網(wǎng)格示意圖如圖1所示。

圖1 EIRP在三維球面的采樣點網(wǎng)格示意圖和二維平面采樣點網(wǎng)格示意圖

然而，應該選取哪一種波束方向圖進行這一掃描呢？在3GPP TS38.521-2的附錄K1.1中定義了發(fā)射波束峰值方向的搜索過程，在掃描帶內TRP之前，需要先進行最大波束方向的搜索。然后根據(jù)一次性掃描的結果，選中測得的最大EIRP功率的波束所對準的方向進行波束鎖定，同時將此EIRP作為最大EIRP的結果，并基于此波束鎖定的方向圖進行帶內TRP及帶外輻射、雜散等射頻項的測量。K1.1的最大EIRP波束搜索的測量結果部分見表1，是一個實測掃描的記錄表格，由于總共需要進行266個點（實際還要考慮下行和上行天線極化，實為266×2×2=1 064個測量值）的波束鎖定掃描，所以表格過長，這里僅截取部分結果進行說明。

表1 K1.1的最大EIRP波束搜索的測量結果部分

圖2 5G毫米波終端天線模組示例

僅通過一次K1.1掃描確定峰值（peak）EIRP的波束方向圖，無法保證當前測量的峰值EIRP一定是毫米波終端的最大EIRP，其所對應的方向圖掃描計算出來的TRP也同樣無法保證是最大的。因為每一次掃描所確定的所謂的最大EIRP，可能只是在不同的天線模組中隨機選取的某個Beam ID所對應的值。某終端在同一頻段帶寬下，不同天線ID在不同Beam ID情況下的最大EIRP測量值舉例見表2。對于天線ID1、ID2、ID3，所測量出來的最大EIRP值分別為：29.29 dBm、28.21 dBm和33.50 dBm。所以3GPP中K1.1的搜索方法，只是在某一個角度位置上，觸發(fā)了碼本（codebook）中的某一個Beam ID，然后進行鎖定并測量，無法保證所觸發(fā)并測量的EIRP就是所有波束中最大的EIRP，也無法保證鎖定的波束方向圖經(jīng)過掃描后，對應了最大的TRP。

表2 不同天線ID在不同Beam ID情況下的最大EIRP測量值舉例

2 非信令的EIRP/TRP測量方法

根據(jù)上述分析，本文提出使用非信令的方法通過廠商聲明的方式進行EIRP和TRP類的測試，更加準確。即毫米波終端廠商對自己的天線模組進行聲明，通過芯片控制軟件，選取其中較大的EIRP對應的Beam ID進行非信令的控制發(fā)射，得到若干組EIRP，從中選取最大的EIRP對應的Beam ID進行相應的帶內TRP，以及帶外TRP類項目的測量。某廠商的5G毫米波芯片控制軟件發(fā)送Beam ID等配置測量功率的示例如圖3所示，其中Beam ID和相關參數(shù)都可以進行軟件設置。

圖3 5G毫米波芯片控制軟件發(fā)送Beam ID等配置測量功率的示例

5G毫米波終端EIRP及占用帶寬的測試示例（100 MHz-1CC-QPSK）如圖4所示，是在圖3的某種設置下，使用頻譜分析儀測得的帶內功率和占用帶寬的截圖?？梢酝ㄟ^這種方法尋找到最大的帶內EIRP。

3 兩種方法的對比分析

兩種方法的對比分析主要包括以下幾個方面。

第一，測試的準確性。正如前面所述，3GPP所述方法在確定最大EIRP的波束方向上存在不確定性。而采用軟件控制Beam ID發(fā)送波束的方式，可以遍歷所有波束場景，確定找到真正最大的EIRP。

第二，測試場地的選擇。3GPP所提供的測試方法使得測試場地的選擇受限。由于必須要精確地測量EIRP，只能選擇方向性的OTA暗室，如緊縮場、遠場等進行測量。這導致系統(tǒng)造價提高，測試的靈活度受限。如果選用非信令的測試方法，則可以選擇非方向性OTA測試場地，如混響室進行TRP類測試。混響室不光測試時間短，效率非常高，而且在建設成本上相比于緊縮場和遠場也有很大的優(yōu)勢。

緊縮場測試系統(tǒng)示意圖如圖5所示，混響室測試系統(tǒng)示意圖如圖6所示。與緊縮場不同，混響室是通過攪拌器的攪拌，在高品質因數(shù)的屏蔽殼體內，不斷改變內部電磁場結構，使其內部任意位置的電磁場能量密度、相位、極化和來波方向均按照某一統(tǒng)計分布規(guī)律隨機變化。被測設備的測試過程是攪拌器變化周期內的時間積分平均值響應，即足夠多模式被攪拌后在測試區(qū)域能實現(xiàn)統(tǒng)計上的均勻場。因此在混響室內可以進行TRP類的測量，但無法進行準確的方向性EIRP類測試[9]。

圖4 5G毫米波終端EIRP及占用帶寬的測試示例（100 MHz-1CC-QPSK）

圖5 緊縮場測試系統(tǒng)示意圖

圖6 混響室測試系統(tǒng)示意圖

第三，測試儀表的選擇。使用3GPP所提供的測試方法，只能使用基站模擬器，即綜合測試儀與5G毫米波終端進行信令連接并進行掃描測試，每次更換一個角度，都需要有一次釋放以及重新鎖定波束的過程。目前的綜合測試儀無法得知具體鎖定了哪一個Beam ID，并且5G毫米波綜合測試儀的造價昂貴，連接復雜。最重要的是，5G毫米波信令連接的過程中，建鏈失敗率較高，非常耗時，導致測試的穩(wěn)定性變差，進一步增加了測試的不確定性。而非信令的測試方式，可以選擇頻譜儀等測量儀表，連接方便簡單，提高了穩(wěn)定性同時降低了測試難度。

第四，測試時間。3GPP中的測試方法，進行K1.1的波束掃描，帶來了額外的測試時間，目前業(yè)界大概能做到的是1 h左右。并且在方向性暗室進行TRP類測試項的掃描時間也會變得更長。如果知道確切最大EIRP所對應的Beam ID，并采用混響室進行TRP測量，則可以大大節(jié)省TRP類測量項的測試時間。

混響室由于其特殊的測試原理和測試方法，可以極大地縮減TRP類測試項的測試時間。如式（4）、式（5）所示，混響室計算TRP的計算式如下[10]：

其中，

UE為被測終端發(fā)出功率后，接收端收到的能量，本身即可等效成TRP。不需要像在方向性暗室中逐點進行EIRP掃描再進行積分計算的方法，連續(xù)采集多個功率的樣本進行平均即可得到TRP數(shù)值。緊縮場/遠場測試5G毫米波終端測試時長統(tǒng)計舉例見表3。表3中例舉了最大輸出功率、頻譜輻射模板和雜散發(fā)射的TRP測試在所選擇的測試配置下的測試時長統(tǒng)計，這3項測試總時長在緊縮場/遠場中已經(jīng)超過40 h，尤其是雜散TRP測試，由于掃描頻段較多，例如，從6～67 GHz，需要進行多段的分段掃描，導致測試時間大大增加。除此之外，還有初始的K1.1掃描以及其他定向測試項目的時間。而在混響室中3個項目在同樣配置下，總時長不超過3 h。

表3 緊縮場/遠場測試5G毫米波終端測試時長統(tǒng)計舉例

4 結束語

OTA測試始終被認為是復雜而又成本高昂的測試，5G毫米波終端由于無法提供射頻接口導致所有測試都只能在OTA的環(huán)境下才能進行，而不同的OTA測試環(huán)境又各自有自己的優(yōu)勢和局限性。想只用一種場地解決所有的測試項，目前看是不現(xiàn)實的。所以需要研究更多有效的測試解決方案去實現(xiàn)低成本和時間優(yōu)化的測試系統(tǒng)和場地的組合方案。

OTA測量項分為方向性和非方向性。以最大EIRP為代表的5G毫米波終端測量項，包括最小發(fā)射功率、矢量誤差幅度等，均是方向性OTA測量項；以TRP為代表的5G毫米波終端測量項，包括帶內發(fā)射總功率、關功率、雜散、鄰道泄漏比、頻譜發(fā)射模板等，均是非方向性的OTA測量項。這些測試對5G毫米波終端的射頻性能都具有重要的意義，因此它們的測試準確度和測試時間成本也非常重要。

目前，對于最大EIRP的測試，3GPP規(guī)定的測試方法是通過執(zhí)行一定角度間隔的全球掃描進行波束鎖定下的峰值搜索，最大TRP測試是在此搜索的基礎上鎖定最大EIRP對應的波束，再次進行全球各點的EIRP掃描從而得出TRP。以上過程均為基于信令的測試，而且只能在方向性暗室中進行測量，無論是從精確度還是時間成本上來說都存在缺陷。本文通過具體分析非信令的測試方法，即利用芯片的控制軟件來控制發(fā)射較大EIRP的波束進行對比測量，不僅可以做到更加精確，而且在OTA場地選擇上可以增加非方向性的混響室作為測量場地，使得測試成本和時間成本都進一步降低。相比于3GPP定義的EIRP、TRP測試方法，本文方法在測試的準確性、測試場地和測量儀表選擇的靈活性以及測試時間上均存在一定優(yōu)勢。

美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）實驗室也同樣接受非信令的測試方法作為5G毫米波終端驗證手段。此外，3GPP規(guī)范已將混響室作為5G基站OTA測試場地。CTIA也已將混響室寫入5G等終端的測試規(guī)范[11]。選擇混響室作為5G毫米波終端TRP類測試項的OTA測量環(huán)境，將會大大節(jié)省測試時間與測試成本。

毫米波技術除了在5G中得到充分利用外，在6G中也將發(fā)揮重要作用[12]，所以5G毫米波設備的測試手段也同樣將影響未來6G設備。研究使用更加高效、低成本、低復雜度的測試系統(tǒng)也將對6G產(chǎn)生重要的意義。

[1] 許穎, 任紅, 王坦. 美國5G頻譜戰(zhàn)略概述及啟迪[J]. 電信科學, 2021, 37(1): 102-111.

XU Y, REN H, WANG T. Overview and inspiration of the America’s 5G spectrum strategy[J]. Telecommunications Science, 2021, 37(1): 102-111.

[2] HOSSEINI N, KHATUN M, GUO C Y, et al. Attenuation of several common building materials: millimeter-wave frequency bands 28, 73, and 91 GHz[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2021, 63(6): 40-50.

[3] 蔣政波, 郭翀, 洪偉. 5G毫米波測試方法研究進展[J]. 中國科學基金, 2020, 34(2): 126-132.

JIANG Z B, GUO C, HONG W. Research and progress in 5G millimeter wave testing: an overview[J]. Bulletin of National Natural Science Foundation of China, 2020, 34(2): 126-132.

[4] 凌云志, 張煜, 許虎, 等. 5G毫米波OTA測試技術[J]. 電信科學. 2021, 37(2): 39-47.

LING Y Z, ZHANG Y, XU H, et al. 5G mmWave OTA test technologies[J]. Telecommunications Science, 2021, 37(2): 39-47.

[5] REN Y X, PAN C, YANG X H, et al. Measurement of total radiated power in reverberation chamber for 5G millimeter wave base station[C]//Proceedings of 2021 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). Piscataway: IEEE Press, 2021: 1-3.

[6] PAN C, NING Z H, WANG Z P, et al. A multi-feed compact antenna test range for 5G millimeter wave OTA test[C]//Proceedings of 2021 International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). Piscataway: IEEE Press, 2021: 1-3.

[7] 3GPP. 3rd Generation Partnership Project technical specification group radio access network NR; User Equipment (UE) conformance specification; Radio transmission and reception; Part 2: Range 2 standalone: TS38.521-2 V16.11.0[S]. 2022.

[8] 宮劍, 南楠. 5G基站無用發(fā)射OTA測試環(huán)境分析[J]. 電信科學, 2020, 36(2): 145-150.

GONG J, NAN N. Unwanted emission OTA test environment analysis of 5G basestation[J]. Telecommunications Science, 2020, 36(2): 145-150.

[9] GIFUNI A, ADIL M, GRASSINI G, et al. An effective method using reverberation chambers to measure TRP from mobile phones and power absorbed by user body[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2022, 64(4): 951-962.

[10] 3GPP. 3rdGeneration Partnership Project technical specification group radio access network; radio frequency (RF) conformance testing background for radiated Base Station (BS) requirements: TR 37.941 V16.3.0[S]. 2021.

[11] CTIA01.73 supporting procedures test plan for wireless device over-the-air performance, version 4.0.0[Z]. 2022.

[12] 洪偉, 余超, 陳繼新, 等. 5G及其演進中的毫米波技術[J]. 微波學報, 2020, 36(1): 12-16.

HONG W, YU C, CHEN J X, et al. Millimeter wave technology for 5G and beyond[J]. Journal of Microwaves, 2020, 36(1): 12-16.

5G millimeter wave UE test method and analysis

GONG Jian1, ZHANG Yu2

1.TheStateRadioMonitoringCenterTestingCenter, Beijing 100041, China 2.China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China

In the 5G millimeter wave UE OTA RF conformance test, EIRP and TRP type of tests are important OTA items. Currently, this method relying on 3GPP-defined random scan to lock the beam to determine the maximum EIRP and TRP, but this method is time-consuming and lacks accuracy. A non-signaling test method was proposed, which could not only achieve more accurate measurements compared with the current EIRP and TRP test methods but also make it possible to use the non-directional OTA site as the measurement environment, further reducing the test cost and time cost, and increasing the flexibility of the test environment selection.

EIRP, TRP, beam peak search, Beam ID, reverberation chamber

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2023025

宮劍（1977– ），女，國家無線電監(jiān)測中心檢測中心工程師，主要研究方向為5G、無線接入系統(tǒng)及毫米波雷達等測試方法及標準。

張宇（1989– ），男，中國信息通信研究院高級工程師，主要研究方向為大規(guī)模 MIMO 天線陣列技術、電磁波近遠場變換技術、空口可重構多維傳輸技術。

2022-09-13；

2023-02-01