5G移動通信測試關(guān)鍵技術(shù)與儀器發(fā)展研究

摘要：5G移動網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度大、場景應(yīng)用復(fù)雜性高，測試服務(wù)內(nèi)容與測試能力要求高，現(xiàn)有的測試技術(shù)與測試儀表設(shè)備存在諸多應(yīng)用不足與發(fā)展限制。為了適配5G移動通信測試需要，本文詳細分析當(dāng)前5G移動通信測試面臨的技術(shù)瓶頸，探討測試相關(guān)儀器設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢，以滿足5G移動通信中大規(guī)模天線系統(tǒng)、多通道、高帶寬的測試要求。

關(guān)鍵詞：5G移動通信；測試技術(shù)；測試儀器；發(fā)展趨勢

一、引言

第五代移動通信技術(shù)（5G）具有高速率、低延時、大連接等特點，可實現(xiàn)人、機、物互聯(lián)通信，滿足移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量爆炸式增長與移動業(yè)務(wù)體驗極致的要求，助力經(jīng)濟社會向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)型升級。5G移動網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度大、場景應(yīng)用復(fù)雜性高，測試服務(wù)需求相較于早期的3G與4G移動通信網(wǎng)絡(luò)更為強烈、測試設(shè)備也更加復(fù)雜多樣，如基站模擬器、Massive MIMO信道模擬器、射頻一致性測試系統(tǒng)、空中接口監(jiān)測儀、PXI平臺等，其測試?yán)碚摲椒?、測試項、測試環(huán)節(jié)、測試條件、測試能力均不同，各有優(yōu)點與應(yīng)用限

制[1]。本文研究分析5G移動通信測試當(dāng)前面臨的技術(shù)瓶頸，探討測試相關(guān)儀器設(shè)備的發(fā)展趨勢，可助推電子信息、計算機、通信等相關(guān)領(lǐng)域聚焦技術(shù)研究突破口，適配5G移動通信測試需要，加速5G移動通信產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)業(yè)化進程。

二、5G移動通信測試關(guān)鍵技術(shù)瓶頸

5G移動通信測試技術(shù)的技術(shù)瓶頸主要體現(xiàn)在以下三個方面：

（一）測試?yán)碚撆c方法難以適配更新迭代的測試需要

5G移動通信基站采用前段天線一體化設(shè)計，早期傳導(dǎo)測試?yán)碚撆c方法難以適配基站測試中信號覆蓋檢測、數(shù)據(jù)傳輸速率檢測、信號質(zhì)量檢測等的測試要求，MIMO測試技術(shù)采用多發(fā)射與接收天線，可更好地應(yīng)用在大規(guī)模天線系統(tǒng)基站測試中[2]。5G移動通信終端在天線數(shù)增加、網(wǎng)絡(luò)傳輸模型維度變化、終端異形且多樣等發(fā)展態(tài)勢下會快速更新，終端測試的理論與方法迭代存在滯后性。

（二）基礎(chǔ)元器件制約通信測試儀器發(fā)展

5G移動通信測試涉及大量的基礎(chǔ)元器件，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、可編程器件芯片、毫米波器部件等，通信頻率與通信速率向更高層次轉(zhuǎn)變對上述基礎(chǔ)元器件的功能與性能要求更高，如測試頻段在毫米波與可見光等頻率上的通信跳變使得回旋管、自由電子激光等毫米波器件需進一步升級。

（三）儀表架構(gòu)設(shè)計難度增加

在復(fù)雜多樣的應(yīng)用場景與極致流暢的移動業(yè)務(wù)體驗要求下，5G移動通信終端天線數(shù)不斷增加、通信網(wǎng)絡(luò)通道數(shù)不斷增加、終端基帶處理能力不斷提高，進一步增加了5G移動通信測試儀表架構(gòu)的設(shè)計難度[3]。一方面，通信測試儀表不僅需具有通信功能，還需具備通用測試特性；另一方面，對通信測試儀表的性能指標(biāo)要求較高，需經(jīng)過整機、單機、器件等多級性能校驗，以保證通信測試儀的測試性能。

三、5G移動通信測試儀器發(fā)展方向

通信測試是5G移動通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)鏈完善的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，當(dāng)前測試?yán)碚撆c方法更新迭代滯后、基礎(chǔ)元器件制約因素多、儀表架構(gòu)設(shè)計開發(fā)難度大，基站、終端、外場、認(rèn)證、實驗室等環(huán)節(jié)測試儀器需緊扣5G移動通信測試要求，精準(zhǔn)定位發(fā)展目標(biāo)與方向，推動5G移動通信測試儀器產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。

（一）5G移動通信基站設(shè)備終端模擬器

基站設(shè)備測試是5G移動通信測試的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)前常用的測試終端模擬器包括商用型、路測儀、專用型，其測試能力各不相同。商用型設(shè)備測試終端僅能通過測試發(fā)現(xiàn)通信基站設(shè)備存在問題，無法明晰何種問題以及問題發(fā)生部位與原因；相較于商用型設(shè)備測試終端，路測儀局部問題的發(fā)現(xiàn)與分析方面表現(xiàn)出色，能夠輔助分析通信問題的發(fā)生原因，并準(zhǔn)確定位問題發(fā)生的部位，但無法模擬多個通信終端的環(huán)境，對基站的性能測試只能局限于單終端層面；專用終端模擬器具備良好的問題發(fā)現(xiàn)與分析能力，日志保存情況良好，可模擬多個通信終端并測試基站多終端接入能力，支持載波聚合測試，但在5G多場景應(yīng)用、大規(guī)模MIMO等技術(shù)需求下測試能力不足、系統(tǒng)級原型驗證不夠[4]。下階段5G移動通信基站設(shè)備測試應(yīng)著力研發(fā)專用終端模擬器，實現(xiàn)高層與物理層協(xié)議模擬，提升多載波聚合與無線關(guān)鍵技術(shù)的支持力度，滿足5G移動網(wǎng)絡(luò)多場景技術(shù)需求。

（二）5G移動通信信號模擬與分析儀

5G移動通信信號模擬與分析可幫助測試人員了解通信信號的頻譜特性、功率分布等信息，助力通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，有效解決通信信號干擾與失真問題，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。例如，在5G移動通信設(shè)備進行測試時，可利用通信信號模擬與分析儀對設(shè)備元器件進行單元測試，對元器件集成的半成品以及裝配整機進行集成測試，在通信設(shè)備中集成通信信號模擬與分析模塊，可以提高通信設(shè)備的自主裝備能力與功能性能自檢水平[5]。移動通信測試產(chǎn)業(yè)相關(guān)廠商應(yīng)著力研發(fā)通信矢量信號模擬與分析儀器，高度集成信號模擬與信號自動處理分析功能模塊，以高測量帶寬與優(yōu)異的測量性能提高5G移動通信測試效能。

（三）5G信道模擬器

無線信道模型是信號處理、調(diào)制解調(diào)等環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，其立足現(xiàn)代通信學(xué)、微波與天線學(xué)、隨機過程等基礎(chǔ)學(xué)科與理論，利用數(shù)學(xué)技術(shù)對信道行為特征進行表達，模擬與描述信號從發(fā)射天線至接收天線之間的傳播路徑與信號強度變化。不同于有線信道的線路傳輸方式，5G移動無線通信無實體式信號傳播載體，信號傳播路徑存在較大的隨機性，影響信號傳播質(zhì)量。尤其在大規(guī)模MIMO天線系統(tǒng)中，若干通信終端天線數(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)通道數(shù)增加了信號處理、編碼解碼、調(diào)制解調(diào)、信號傳輸?shù)膹?fù)雜性。例如，5G移動通信基站利用大規(guī)模天線技術(shù)與高帶寬技術(shù)提高通信速率，實現(xiàn)無線通信高速率、低延時目標(biāo)，天線數(shù)量達上百根，帶寬達數(shù)百兆，原先的MIMO信道模型無法適配帶寬與天線數(shù)的變化，模型在信道環(huán)境與傳輸變化情況模擬方面精度不高，難以科學(xué)驗證5G移動通信產(chǎn)品的實際性能。此外，5G移動通信測試需對大量的基站元器件、終端設(shè)備等進行測試，測試內(nèi)容復(fù)雜、測試項與測試指標(biāo)眾多，需要可調(diào)、可控、可重復(fù)的信道模擬器仿真模擬信道傳播環(huán)境與條件，論證信號傳播路徑與強度變化情況，但當(dāng)前采用的信道模擬器在參數(shù)自定義設(shè)計、信道傳播條件模擬復(fù)現(xiàn)等方面存在較多不足，無法適配復(fù)雜信道環(huán)境模擬的需要。因此，如何模擬實際的信號傳播的信道環(huán)境，科學(xué)、合理、客觀地評估5G移動通信的性能狀況，有效控制信號傳輸?shù)膭討B(tài)隨機性，是下階段5G移動通信研究的重要課題。相關(guān)生產(chǎn)廠商應(yīng)加強大規(guī)模天線信道理論模型研究，大力研發(fā)大規(guī)模天線信道模擬器進行模擬仿真，有力支撐5G移動通信基帶與終端系統(tǒng)的高效開發(fā)與部署，為大規(guī)模天線技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品的功能性能檢驗論證提供貼合實際傳輸環(huán)境的模擬信道，以精準(zhǔn)的測試結(jié)果提高5G移動通信設(shè)備產(chǎn)品測試精度。

四、5G移動通信測試儀器的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢

（一）高頻率大帶寬測試技術(shù)

5G移動通信的通信頻率和通信速率的增加、天線規(guī)模擴大、帶寬增大等對通信測試儀器的測試能力提出了更高的要求，如在超寬帶測試要求下，通信測試儀器應(yīng)具備500MHz、1GHz和2GHz分析帶寬的能力。國外測試儀器的帶寬分析能力最高可達67GHz，在擴頻裝置、噪聲抵消技術(shù)等的加持下，測試儀器的帶寬分析能力可提升至110GHz，且10kHz頻偏處的相位噪聲可控制在88dBc以內(nèi)，提高了測試儀器對鄰近通道干擾情況的測試能力，可以較好地滿足高頻率大帶寬的5G移動通信測試要求。但是當(dāng)前國內(nèi)通信測試儀器的帶寬分析能力大多難以達到上述要求，國內(nèi)測試儀器的帶寬分析能力在200MHz以下，相關(guān)廠商應(yīng)加大高頻率大帶寬測試技術(shù)的研究力度，以超寬帶對測試儀器的帶寬分析能力作為研發(fā)目標(biāo)，以總測量不確定度、穩(wěn)定度、相位噪聲變化控制等為核心指標(biāo)，切實提高5G移動通信的測試能力。

（二）OTA測試技術(shù)

早期傳導(dǎo)測試方法支持的設(shè)備測試天線數(shù)較少，設(shè)備通道數(shù)也較少。在高通信速率與通信頻率的發(fā)展趨勢下，大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，5G移動通信基站與終端設(shè)備的通道數(shù)大幅度增加，天線單元之間的距離變小，傳導(dǎo)測試方法的應(yīng)用受限。OTA測試技術(shù)是一種在4G移動通信測試中廣泛應(yīng)用的空口測試技術(shù)，其不采用傳導(dǎo)測試方法中依托傳導(dǎo)線連接進行測試，而是依托設(shè)備的信號傳輸接口以及電磁波的空氣傳輸?shù)葘υO(shè)備的空口性能進行測試，科學(xué)評估信號的輻射性能，是當(dāng)前5G移動通信多天線設(shè)備測試的重要技術(shù)與方法。大規(guī)模天線技術(shù)是5G移動通信應(yīng)用中的重要技術(shù)，對大規(guī)模天線陣列的測試主要包括天線基本性能測試與天線系統(tǒng)性能測試，前者是對天線的噪聲、增益、功率、零值深度等基本性能參數(shù)進行量化測試，后者是對大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的峰值速率、波瓣等性能參數(shù)進行量化測試。在天線基本性能測試方面，所采用的測試儀器為基于諧波混頻的擴頻裝置、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，通過在天線附近以及一定距離處分別進行不同類型的測試，得到天線的功率、噪聲、增益等性能指標(biāo)參數(shù)。在天線系統(tǒng)性能測試方面，需先利用模擬器對終端、基站、信道等進行仿真模擬，對天線設(shè)備發(fā)出的信號在信道模擬環(huán)境下經(jīng)傳輸接口、空氣傳輸進行信號分析與性能測試，此過程涉及矢量信號分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、5G終端模擬器等儀表設(shè)備。接著，通過多天線設(shè)備端口的平面環(huán)繞和轉(zhuǎn)臺的單軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)信號發(fā)射機、接收機、賦形波束性能的精準(zhǔn)測試。聯(lián)發(fā)科技（MediaTek）已選擇了該公司集成的5G NR終端設(shè)備測試解決方案，用于在OTA（Over-The-Air）實驗室中驗證配備MIMO以及大規(guī)模MIMO天線技術(shù)的5G終端設(shè)備的射頻（RF）性能。下階段OTA測試技術(shù)應(yīng)聚焦非暗室微波多天線測試場景，提高5G移動通信測試的環(huán)境適應(yīng)性，降低5G移動通信測試的成本。

（三）多通道測試技術(shù)

Massive MIMO技術(shù)充分利用空間多樣性改善大規(guī)模天線系統(tǒng)的容量、能源效率以及頻譜效率，提高通信速率與通信頻率，是當(dāng)前5G移動通信中的核心技術(shù)。但是Massive MIMO技術(shù)使得信道數(shù)量增加、頻段通信跳變，增加了測試復(fù)雜性與測試成本。例如，多通道（128通道、1024通道等）的測試對測試儀表設(shè)備的數(shù)量與精密度要求較高，相關(guān)成本大幅度增加；多通道測試時需耗費大量的時間用于通道一致性校準(zhǔn)與修正，導(dǎo)致多通道測試效率低下。因此，科學(xué)平衡通道數(shù)、基帶處理與多通道測試的成本與時效是重要研究方向，低成本、高時效的多通道測試技術(shù)成為當(dāng)前5G移動通信測試的研究熱點。此外，高頻波段傳輸時容易出現(xiàn)較高的信號損耗，需利用天線陣列作為傳輸工具，將高頻波段進行波束賦形的指向性處理，這對天線陣列的波束賦形功能提出了較高的要求。例如，在3.5GHz的波段中，天線陣列的波束賦形功能應(yīng)使得指向性信號在特定方向上形成傾角，實現(xiàn)對高層建筑或大范圍場景的良好信號覆蓋，此為多通道測試技術(shù)的重要研究方向之一。

（四）PXI平臺測試技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下各類傳感器設(shè)備、電子監(jiān)控設(shè)備等精密電子儀器設(shè)備不斷涌現(xiàn)，設(shè)備高度集成各類現(xiàn)代技術(shù)與復(fù)雜的功能模塊，其自動化與智能化水平不斷提高，對5G移動通信測試儀器與技術(shù)的更新迭代時效性以及經(jīng)濟性提出了更高的要求。PXI平臺是一個開放、靈活的測試軟件平臺，依托PXI平臺自定義研發(fā)5G移動通信設(shè)備原型，嵌入開發(fā)各類測試方法與功能模塊，提高5G移動通信基站、終端等設(shè)備測試的靈活性與經(jīng)濟性。例如，NI公司依托PXI平臺對毫米波、Massive MIMO、5G新型波形研究、非正交多址接入和密集組網(wǎng)等技術(shù)進行測試與驗證。

五、結(jié)束語

5G移動通信測試體系完善，測試對象貫穿基站、終端、外場、認(rèn)證、實驗室等移動網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)鏈全生命周期各個環(huán)節(jié)，衍生出了較為成熟的測試技術(shù)框架與測試產(chǎn)品體系。但是當(dāng)前測試?yán)碚撆c方法更新迭代滯后、基礎(chǔ)元器件制約因素多、儀表架構(gòu)設(shè)計開發(fā)難度大，相關(guān)儀表設(shè)備研發(fā)廠商與測試方法研究人員應(yīng)立足通信頻率和通信速率的增加、天線規(guī)模擴大、帶寬增大等發(fā)展趨勢，對終端模擬器、信號分析儀、信道模擬器等進行更新升級，聚焦高頻率大帶寬測試、OTA測試、PXI平臺等技術(shù)的難點與堵點深入研究、奮力突破，助力5G移動通信測試相關(guān)產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展。

作者單位：林婷 梁學(xué) 江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院/國家信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測中心

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