摘要：在5G之前的基站射頻指標(biāo)測(cè)試大多采用傳導(dǎo)測(cè)試的方法，但在5G時(shí)代由于Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用，使得傳導(dǎo)測(cè)試的復(fù)雜程度大幅度上升，而且傳導(dǎo)測(cè)試完全表征基站射頻性能。本文介紹了5G關(guān)鍵技術(shù)對(duì)射頻指標(biāo)測(cè)試的影響，然后通過(guò)對(duì)3GPP標(biāo)準(zhǔn)的解讀，分析傳統(tǒng)測(cè)試在5G基站測(cè)試中的弊端，并通過(guò)分析得到目前的測(cè)試方法里能夠適應(yīng)5G 基站射頻指標(biāo)的測(cè)試方案及其改進(jìn)方案。

1、引言

無(wú)線通信設(shè)備的發(fā)射和接收性能決定著其在通信網(wǎng)中的表現(xiàn)。在設(shè)備研發(fā)和生產(chǎn)階段對(duì)設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試顯得尤為重要。從2G、3G時(shí)代，到LTE及今后的5G，無(wú)線設(shè)備性能測(cè)試會(huì)變得越來(lái)越重要。大規(guī)模天線陣列技術(shù)的使用使得5G時(shí)代射頻性能測(cè)試會(huì)有別于傳統(tǒng)測(cè)試方法。從4G開(kāi)始，各手機(jī)終端廠商開(kāi)始逐漸重視空口OTA（Over-the-Air）測(cè)試，不僅因?yàn)閲?guó)內(nèi)外形成了終端輻射性能測(cè)試標(biāo)注，也因?yàn)镺TA測(cè)試更能反映設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。OTA測(cè)試技術(shù)也從僅為了通過(guò)終端認(rèn)證過(guò)渡被廣泛應(yīng)用到研發(fā)和生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

5G無(wú)線通信技術(shù)使用的MassiveMIMO技術(shù)，對(duì)基站和終端射頻和性能測(cè)試提出了更高的要求。目前Sub 6G 的基站的射頻與天線端口還能夠從結(jié)構(gòu)上分離，根據(jù)3GPPTS38.141 標(biāo)準(zhǔn)，基站還是可以通過(guò)傳導(dǎo)測(cè)試，但是空口測(cè)試也被提到標(biāo)準(zhǔn)之中。在毫米波頻段射頻與天線已經(jīng)不能分開(kāi)，射頻指標(biāo)測(cè)試只能在空口進(jìn)行。在5G之前，所有基站對(duì)射頻指標(biāo)的測(cè)試都使用傳導(dǎo)方式，終端僅僅對(duì)TRP（全向輻射功率）和TIS（全向輻射靈敏度）進(jìn)行OTA測(cè)試，對(duì)其他射頻指標(biāo)的測(cè)試還沒(méi)有大量的論證。本文將結(jié)合5G無(wú)線通信的特點(diǎn)，研究適合于5G的射頻指標(biāo)OTA測(cè)試方法。

2、5G新技術(shù)對(duì)射頻測(cè)試的要求

2.1 傳導(dǎo)測(cè)試與空口OTA測(cè)試

在射頻測(cè)試中，分為傳導(dǎo)測(cè)試與空口（OTA）測(cè)試。傳導(dǎo)測(cè)試是利用射頻線纜直接將儀表和被測(cè)物連接到一起，避免空間輻射的干擾信號(hào)對(duì)測(cè)試的影響。OTA測(cè)試是通過(guò)天線直接輻射出來(lái)，由測(cè)量天線接收然后再將信號(hào)傳入測(cè)試儀表的方法。OTA測(cè)試一般為了避免空間干擾信號(hào)與多徑，會(huì)在吸波暗室中進(jìn)行?；旧漕l的傳導(dǎo)測(cè)試在4G 及以前被廣泛使用，不僅因?yàn)槠浜?jiǎn)單易行且成本較低，更因?yàn)榛驹谏a(chǎn)加工時(shí)，射頻模塊與天線分別生產(chǎn)再組裝到一起，由不同的廠家合作而成。射頻模塊生產(chǎn)廠家使用頻譜儀、信號(hào)源等儀表將關(guān)于通信收發(fā)器件與功率放大器相關(guān)的指標(biāo)測(cè)試完成，而天線部分由天線生產(chǎn)廠家在微波暗室中將方向圖、增益等指標(biāo)測(cè)試完成。但是在5G無(wú)線傳輸中，MassiveMIMO的使用使得基站天線與射頻收發(fā)模塊集成在一起才更能發(fā)揮出波束賦形、MIMO等通信算法的功能?；镜腛TA測(cè)試目前主要針對(duì)發(fā)射功率、接收靈敏度、增益、方向性、波瓣寬度、前后比的測(cè)量，測(cè)試頻段為6GHz以下。雖然目前Sub 6GHz 的5G 基站天線還是將射頻模塊與天線分開(kāi)生產(chǎn)，但是波束賦形的功能需要射頻模塊的協(xié)同才能工作，毫米波的5G 基站天線已經(jīng)是無(wú)法拆分射頻與天線。這些都要求射頻測(cè)試只能在空口進(jìn)行。3GPP 已經(jīng)明確低頻和高頻的射頻一致性測(cè)試，如EVM、ACLR、OBUE等指標(biāo)的測(cè)試，都將采用OTA方式。經(jīng)過(guò)各廠家的討論，遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng)、緊縮場(chǎng)都可作為測(cè)試場(chǎng)地。

2.2 Massive MIMO與波束賦形

在5G無(wú)線技術(shù)中，MassiveMIMO是較以往通信系統(tǒng)區(qū)別最大的技術(shù)。4GLTE 時(shí)代使用的MIMO稱(chēng)之為2D-MIMO，以8 天線為例，實(shí)際信號(hào)在做覆蓋時(shí)，只能在水平方向移動(dòng)，垂直方向是不動(dòng)的，信號(hào)類(lèi)似一個(gè)平面發(fā)射出去；而MassiveMIMO，是信號(hào)水平維度空間基礎(chǔ)上引入垂直維度的空域進(jìn)行利用，所以MassiveMIMO稱(chēng)之為3D-MIMO。相比傳統(tǒng)天線，MassiveMIMO具有以下諸多優(yōu)勢(shì)：

（1）可以提供豐富的空間自由度，支持空分多址SDMA。
（2）BS能利用相同的時(shí)頻資源為數(shù)十個(gè)移動(dòng)終端提供服務(wù)。
（3）提供了更多可能的到達(dá)路徑，提升了信號(hào)的可靠性。
（4）提升小區(qū)峰值吞吐率。
（5）提升小區(qū)平均吞吐率。
（6）降低了對(duì)周邊基站的干擾。
（7）提升小區(qū)邊緣用戶(hù)平均吞吐率。

從數(shù)學(xué)原理上來(lái)講，當(dāng)空間傳輸信道所映射的空間維度趨向于極限大時(shí)，兩兩空間信道就會(huì)趨向于正交，從而可以對(duì)空間信道進(jìn)行區(qū)分，大幅降低干擾。雖然理論上看，天線數(shù)越多越好，系統(tǒng)容量也會(huì)成倍提升，但是要考慮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的代價(jià)等多方面因素，因此現(xiàn)階段的天線最大也即256 個(gè)。5G基站的天線與射頻端口并非一一對(duì)應(yīng)，一個(gè)射頻端口至少對(duì)應(yīng)2 個(gè)天線，射頻端口至少為64T ×64R 的MassiveMIMO矩陣，手機(jī)終端至少4×4 MIMO。在傳統(tǒng)傳導(dǎo)射頻測(cè)試時(shí)，基站與測(cè)試儀表至少要連接64 個(gè)射頻通道進(jìn)行測(cè)試，終端至少4 通道，這給射頻測(cè)試帶來(lái)更多的復(fù)雜度。

2.3 5G新技術(shù)對(duì)射頻測(cè)試的要求

目前，國(guó)內(nèi)大部分天線測(cè)試廠家部署的測(cè)試方案，其測(cè)試能力均不能完全滿(mǎn)足5G 測(cè)試的需要。例如，目前使用較多的天線測(cè)試系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)采購(gòu)的大部分系統(tǒng)其測(cè)試頻段均在6GHz以下，且軟件配置中沒(méi)有射頻指標(biāo)OTA測(cè)試選項(xiàng)。大部分已部署的多探頭測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)有源MassiveMIMO基站測(cè)試時(shí)獲取相位信息也沒(méi)有相應(yīng)的解決。如果使用遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)直接進(jìn)行MassiveMIMO基站天線的測(cè)試，那么就目前基站尺寸為0.5m×1m，其測(cè)試場(chǎng)地要求至少40m的暗室，其系統(tǒng)造價(jià)成本非常昂貴，國(guó)內(nèi)更是少之又少。

5G無(wú)線技術(shù)中，MassiveMIMO天線所具備的3D波束賦形需要被測(cè)試，其中有幾個(gè)問(wèn)題需要解決：

（1）如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)波束指向的準(zhǔn)確性、零深、波瓣寬度、增益等需要解決。
（2）目前多波束天線波束角度變換時(shí)，測(cè)試效率的問(wèn)題需要解決。
（3）但是5G信號(hào)帶寬較寬，相較于傳統(tǒng)的單頻點(diǎn)方向圖測(cè)試，寬帶方向圖測(cè)試的效率需要解決。
（4）原來(lái)傳統(tǒng)的射頻指標(biāo)（例如ACLR、EVM 等）均與方向圖有關(guān)，只能通過(guò)OTA測(cè)試。

3、3GPP標(biāo)準(zhǔn)對(duì)5G基站測(cè)試的要求

傳導(dǎo)與空口測(cè)試在3GPPTS 38.141 中均做出了規(guī)定，但是目前還缺少統(tǒng)一的測(cè)試方法和大量的測(cè)試案例，所以標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)傳導(dǎo)和空口測(cè)試均可做測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 輻射發(fā)射測(cè)試項(xiàng)

本文對(duì)3GPPTS 38.141 中的輻射發(fā)射測(cè)試項(xiàng)做了統(tǒng)計(jì)，具體參見(jiàn)表1。

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表1、各輻射發(fā)射測(cè)試項(xiàng)及其評(píng)價(jià)方法

輻射發(fā)射測(cè)試項(xiàng)包含了所有的傳導(dǎo)測(cè)試項(xiàng)目，大部分的測(cè)試項(xiàng)目與傳導(dǎo)測(cè)試重疊。

3.2 輻射接收測(cè)試項(xiàng)

本文對(duì)3GPPTS 38.141 中的輻射接收測(cè)試項(xiàng)做了統(tǒng)計(jì)，具體參見(jiàn)表2。

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表2、各輻射接收測(cè)試項(xiàng)及其評(píng)價(jià)方法

4、針對(duì)5G的緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

緊縮場(chǎng)是一種近距離實(shí)現(xiàn)電磁波相位準(zhǔn)直的場(chǎng)地，將球面波在近距離轉(zhuǎn)換為平面波。原來(lái)多用于軍事領(lǐng)域，用于對(duì)雷達(dá)天線、雷達(dá)射頻仿真和目標(biāo)散射特性測(cè)量和研究。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的進(jìn)步，為了滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件，本課題將緊縮場(chǎng)測(cè)量技術(shù)引入民用無(wú)線通信測(cè)量。緊縮場(chǎng)技術(shù)在民用移動(dòng)通信領(lǐng)域的應(yīng)用與原有的緊縮場(chǎng)測(cè)量場(chǎng)地特點(diǎn)不同，在傳統(tǒng)軍用緊縮場(chǎng)中，一般采用單通道或雙通道測(cè)量，測(cè)量一般集中在兩個(gè)平面，對(duì)三維測(cè)量需求不高，因此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中對(duì)測(cè)量整體效率考慮不多，不能直接滿(mǎn)足移動(dòng)通信天線三維方向圖和射頻指標(biāo)的測(cè)量需求。

傳統(tǒng)緊縮場(chǎng)天線測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)于多探頭球面近場(chǎng)測(cè)量的一大劣勢(shì)是單通道測(cè)量，在測(cè)量3 維窄波束方向圖或進(jìn)行TRP、TIS 等指標(biāo)測(cè)量時(shí)效率不高。在緊縮場(chǎng)系統(tǒng)中引入多探頭方案可以有效提高系統(tǒng)測(cè)試效率，使整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試效率提高一個(gè)量級(jí)以上，更加有效針對(duì)多波束天線測(cè)試減少測(cè)試時(shí)間。

緊縮場(chǎng)多探頭方法將多個(gè)探頭布置于拋物面焦點(diǎn)附近。如圖1 所示，偏焦后的探頭可以在緊縮場(chǎng)原有靜區(qū)附近形成與原靜區(qū)有一定夾角的平面波，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)平面波入射角度的同時(shí)測(cè)量。探頭掃描法可以顯著提高緊縮場(chǎng)系統(tǒng)的測(cè)量效率，但是饋源偏焦后，天線口面的相位不再?lài)?yán)格保持恒定，或者從饋源偏焦的位置經(jīng)反射面到達(dá)天線口面的總光程與y 不完全保持直線關(guān)系，因而會(huì)增加某些誤差。

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圖1、緊縮場(chǎng)多探頭測(cè)試方案

采用多探頭的緊縮場(chǎng)5G通信天線測(cè)量系統(tǒng)，多探頭布置于反射面焦點(diǎn)位置附近，傳統(tǒng)單探頭方案智能提供一個(gè)通道，根據(jù)對(duì)偏焦的分析，對(duì)于最高頻率小于50GHz 待測(cè)天線，探頭可以分布于±5?的角度范圍內(nèi)，此時(shí)由于饋源偏焦造成的相位扭曲小于±5?，由此引入的TRP/TIS 不確定度小于0.1dB，緊縮場(chǎng)的多探頭校準(zhǔn)方案主要依賴(lài)靜區(qū)位置的偶極子天線校準(zhǔn)。

在緊縮場(chǎng)環(huán)境中，待測(cè)天線處于遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境中，天線方向圖的測(cè)量不需要相位信息，在測(cè)量過(guò)程中采用矢量信號(hào)發(fā)生器發(fā)射5G調(diào)制信號(hào)，通過(guò)寬解調(diào)帶寬頻譜分析儀測(cè)得不同輻射角度條件下的天線方向圖幅度值。該方法對(duì)多自由度轉(zhuǎn)臺(tái)的要求較高，要求多自由度轉(zhuǎn)臺(tái)能夠快速精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)待測(cè)天線角度調(diào)整。

為了實(shí)現(xiàn)毫米波波段待測(cè)天線方向圖的快速測(cè)量，將采用多探頭方案，根據(jù)對(duì)偏焦的分析，對(duì)于最高頻率小于50GHz待測(cè)天線，探頭可以分布于±5?的角度范圍內(nèi)，此時(shí)由于饋源偏焦造成的相位扭曲小于±5?，由此引入的待測(cè)天線方向圖測(cè)量不確定度小于0.1dB。探頭的分布和數(shù)量取決于測(cè)量的頻段和對(duì)測(cè)量速度的要求，對(duì)于較低頻率，由于三維方向圖測(cè)量的角度間隔要求相對(duì)較低，探頭數(shù)量可以相對(duì)較少，到了毫米波波段，由于饋源口徑小，在±5?范圍內(nèi)配置饋源的數(shù)量可以超過(guò)100 個(gè)。探頭數(shù)量越多，測(cè)量效率就越高，相應(yīng)的對(duì)各個(gè)探頭的校準(zhǔn)要求就越高。

緊縮場(chǎng)是在5G天線測(cè)量中唯一能夠在近距離直接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的場(chǎng)地，由于5G（基站）天線的射頻端口不開(kāi)放，傳統(tǒng)采用以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為核心的測(cè)量S 參數(shù)獲取方向圖的方法不再適用。如果天線電尺寸很小，遠(yuǎn)場(chǎng)距離很容易滿(mǎn)足，則傳統(tǒng)的球面近場(chǎng)掃描、準(zhǔn)遠(yuǎn)場(chǎng)暗室等方案也可以通過(guò)OTA方法測(cè)量獲得天線輻射方向圖。但是，在天線電尺寸較大時(shí)，滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)距離的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，測(cè)試成本高昂。傳統(tǒng)的天線測(cè)量方式有多種，每種方法都有各自最為適用的環(huán)境，5G天線測(cè)量與傳統(tǒng)天線測(cè)量方法有相似點(diǎn)但是又有很多獨(dú)特之處。本文以覆蓋0.8m測(cè)試區(qū)域，頻率覆蓋3.4～3.6GHz、4.8～5.0GHz、24.75～27.5GHz 以及37～42.5GHz等我國(guó)IMT-2020 發(fā)布的5G頻段范圍為例，表3 對(duì)各主要天線測(cè)量手段進(jìn)行了分析。

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表3、不同環(huán)境下天線測(cè)量方法參數(shù)對(duì)比

準(zhǔn)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量在TRP/EIRP、TIS/EIS、EVM等典型射頻指標(biāo)的測(cè)量上與其他遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量相比并沒(méi)有明顯劣勢(shì)，這些射頻指標(biāo)對(duì)于是否滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件相對(duì)不敏感，但是對(duì)于天線方向圖的測(cè)量則需要滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，以0.8m口徑的24.75~27.5GHz 天線為例，滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件需要測(cè)試距離超過(guò)100m。在不滿(mǎn)足遠(yuǎn)場(chǎng)條件時(shí)，測(cè)量得到的天線方向圖與真實(shí)值差距較大。從圖2 中可以看出，方向圖隨著距離的增加而變化，直至達(dá)到遠(yuǎn)場(chǎng)才能保持穩(wěn)定。

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圖2、0.8m口徑等幅同相陣列天線方向圖

5、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了5G通信的關(guān)鍵技術(shù)MassiveMIMO，并分析了射頻測(cè)試傳導(dǎo)與空口測(cè)試的區(qū)別，列出了3GPP 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)5G基站空口測(cè)試的指標(biāo)要求。最后，本文介紹了緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，并分析了適合5G射頻OTA測(cè)試的多饋源緊縮場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)。

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作者：

任宇鑫 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師
郭宇航 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師
陳祎祎 電信科學(xué)技術(shù)研究院碩士研究生

來(lái)源：《信息通信技術(shù)與政策》2018年11月第11期

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