第5代移動通信測試技術

針對第五代移動通信（5G）技術發展的趨勢，分析了5G的發展為測試系統帶來的新需求和挑戰。針對挑戰，提出了可持續發展的測試生態系統的概念，從軟件和硬件兩個方面具體探討了“以軟件為核心”和“以大規模多輸入多輸出空口（MIMO OTA）為基礎”兩大特征。在以軟件為核心測試方式部分詳細探討了基于現場可編程門陣列（FPGA）的知識產權部署到測試管腳（IP to the PIN）和支持并行測試和海量信號處理的異質計算兩項技術。

測試生態系統；異質計算架構；大規模多輸入多輸出空口測試

目前亟需研究適合5G總體目標的評估指標體系及評估方法；根據5G無線網絡和傳輸關鍵技術的特征[3]，研究5G仿真方法；通過并行計算、圖形處理器、現場可編程門陣列（FPGA）硬件板卡等加速方法和動態建模等手段，建設5G測試平臺和進行5G候選關鍵技術評估；研究5G移動通信網絡和傳輸技術的評估與測試方法，完成對5G移動通信關鍵技術評估與測試研究[1-3]。

1 5G測試需求與挑戰

（1）大規模多輸入多輸出多通道測試需求

中國5G技術定義未來5G基站側協作天線數不少于128個。這種大規模多輸入多輸出（MIMO）技術對天線數量的要求大大超過傳統技術對天線數目的要求，天線個數上升到百位級，無論是測試通道數，多通道間的同步、隔離，多通道數據的存儲都對測試提出了嚴峻的挑戰與考驗。

（2）高速、海量數據測試需求

中國5G技術定義未來5G頻譜及功率效率較4G提升10倍。同時，5G時期移動視頻、網頁瀏覽以及P2P業務等將成為移動數據的主要部分，因此，終端設備相關數據急速增長。如何實時捕獲、分析、存儲和管理這些海量數據是對5G測試系統的考驗。

（3）多應用場景與多技術標準共存測試需求

未來5G中不但包括現有3G、4G等無線接入技術，還可能將增添諸如設備間直接通信（D2D）、機器間通信（M2M）等物聯網技術。5G的高融合性不但是多種接入技術的融合，也意味著應用場景也將豐富多樣[4]。同樣測試系統所支持的技術標準和應用場景也將隨之大幅增加。

（4）高頻段和綠色通信測試需求

目前，6 GHz以下低頻段基本被分配完畢，三星公司率先在28 GHz高頻段上進行了研究[5]。同時未來無線通信中更加注重對能耗的分析[6-7]，國際上已經開展諸多綠色通信的前期研究[8-11]。因此，5G技術不但對高頻段技術測試，也對系統能耗測試提出了相應需求，所以，5G測試技術所支持的范圍較前幾代有了很大的擴展。

每一代移動通信的技術發展都有一個生命周期，在周期內發展和演進直至被新技術吸收或淘汰。同樣測試技術也要支持通信技術的整個生命周期的測試需求。由于被測技術的飛速發展，測試技術或系統也不再是一個一成不變的系統，取而代之的是一個無論在硬件還是在軟件方面都超前被測技術的可持續發展和演進的集成測試平臺。5G集成測試平臺是一個可持續發展的測試生態系統，它將繼承可擴展性、靈活性、可自定義等的優點。

其中，“以軟件為核心”和“支持大規模天線空口（OTA）”測試是這個生態系統的兩大關鍵特征。

2 以軟件為核心的測試

生態系統

如何跟上多種通信技術和標準快速發展的步伐、如何提高高昂的測試預算性價比、如何靈活而可重定義測試需求或方法、如何有效利用多核技術、如何采用實時處理技術提高測試吞吐量等問題的參考答案都會聚焦到“以軟件為核心”的解決方案上。

2.1 基于FPGA的IP to the PIN技術

幾十年來，電子和通信行業一直追求：設計與測試齊頭并進的理想狀態。鑒于設計和測試領域的不同，這個目標一直難以達到。在設計階段，最新的電子設計自動化（EDA）軟件被應用于系統級的設計，而測試領域則略顯獨立和滯后。因此，當針對最新的以軟件為中心的電子通信設備時，還需要重新尋找測試解決方案。

采用系統級的方法，設計和測試的概念融為一體，以及將軟件架構向FPGA擴展是平衡兩個領域發展，提高通信測試效能的有效手段之一。實現設計與測試集成的方法是將設計的知識產權（IP）內核同時部署到被測設備（DUT）與集成測試平臺上，這種部署過程被稱為知識產權部署到測試管腳（IP to the Pin），因為它使測試者自定義的軟件IP能夠盡可能地接近集成測試平臺的硬件I/O引腳。這些軟件IP可以包括：數據采集、信號生成、數字協議、數學運算、射頻及實時信號處理等。

無論是單個設備的原始數據處理吞吐量還是功耗，FPGA均已勝過數字信號處理器、傳統處理器甚至圖形處理器。

IP to the Pin技術的具體實現可用“V型圖”來表示，如圖1所示。設計的每個階段都有相對應的驗證或測試階段。通過共享IP，設計和測試團隊可以沿著V圖兩個邊分別前進，從最頂層的建模、設計到最底層的實現，在每個階段進行對應的測試。

2.2 支持并行測試和海量信號處理

的異質計算技術

異質計算架構是一個用于在不同的計算節點之間分配數據處理任務以及程序執行任務的系統，讓每個節點來處理最恰當的測試和計算任務。這項技術用來應對5G移動通信與日俱增的復雜測試計算量；用于存儲和處理MIMO以及大規模天線（Massive MIMO）在射頻后端的海量數據；用于多節點同時頻譜感知與探測，以及物理（PHY）層與媒體訪問控制（MAC）層的協同測試。例如，采用異質計算架構的MIMO RF測試系統，可以使用一個中央處理器（CPU）來控制程序的執行，采用FPGA進行在線的解調，同時采用圖形處理器（GPU）進行多天線測試參數的計算，最后將所有的處理結果存儲在遠程服務器上。一種可適用于5G通信測試的異質計算架構如圖2所示。

伴隨著5G移動通信的高帶寬、高速率的飛速發展，異質計算架構和多核并行編程技術相結合將會是5G測試應對海量數據處理和提高測試并行化所不可或缺的主要技術。

3 大規模天線空口測試技術

為了滿足極高吞吐量的需求，第5代移動通信將采用大規模天線技術，天線特性成為影響無線系統性能的關鍵技術指標之一。目前，MIMO OTA測試技術已經開始在包括第3代移動通信合作計劃（3GPP）組織、歐洲科學和技術合作（COST2100）組織和移動通信和因特網協會（CTIA）在內的多個標準化組織和機構中研究及討論，其中，3GPP TR 37.976對各種MIMO OTA技術備選測試方案進行了總結。以下分別說明了3種不同的MIMO OTA測試方案[12]：

（1）基于吸波暗室的測試方案

基于吸波暗室的測試方案或者稱之為空間衰落模擬（SFE）的測試方案。該方案將射頻信道模擬器連接到一個圓環探頭陣列，即多探頭測試，從而在被測物位置可重復地模擬產生復雜的多徑衰落的無線環境。

（2）混響室測試方案

混響室測試方案采用一個獨立的混響室或者是一個連接信道模擬器的混響室。混響室的目的在于在被測物（DUT）周圍產生一個統計上的均勻功率分布，而天線和信道模擬器可用于生成所需的延遲特性。混響室測試方案受限于有限的不同衰落環境的模擬能力，所以只能對終端提供有限的性能評估。

（3）兩階段法

兩步法測試流程如圖3所示。兩步法測試方案包含兩個測試階段。第一階段，在各向同性的環境下，使用傳統的吸波暗室為基礎的測試系統和一個綜測儀測量復雜的有源天線陣列；第二階段，通過下述兩種手段把天線陣列的信息與信道模型結合起來：使用信道模擬器進行傳導測試，或利用測試地得到的天線陣列信息通過理論計算得到一個理論上的信道容量性能。因此，在這一點上，兩階段方法只能獲得有限的數據，還需要進行進一步的研究以得到準確的性能指標。

大規模天線OTA測試技術中關鍵的挑戰是如何在電波暗室中產生一個最接近真實環境的空間、角度和極化行為的射頻信道模型，這種復雜性使得MIMO OTA測試平臺研發需要大量場地和設備資金的投入，這對于廣大的終端設備廠商而言，成本過于昂貴。在討論的3種MIMO OTA測試方案中，兩步測試方案是一種快速、精確、經濟又高效的MIMO OTA測試方法，研究表明，相對于傳統的多探頭測試方案，兩步法僅簡化了接收分集性能而非信道相關特性，獲得的測試結果也基本一致[13]；其次，兩步法可重復利用測試得到的天線方向圖模擬二維或三維的信道模型，而不需要重復使用電波暗室測試，進而提高了測試的靈活性，另外，兩步法可充分利用LTE階段建設的測試平臺資源迅速擴展實現MIMO OTA測試，是一種快速經濟的測試解決方案。

4 結束語

本文根據5G移動通信的技術特征，分別從軟件和硬件兩個方面分析了應對的測試解決方案和方法。這些方法主要集中在物理層和射頻部分，未涉及協議的測試方法的討論。

致謝：

本文的撰寫得到了上海無線通信研究中心徐景研究員、西安交通大學任品毅教授和中國科學技術大學周武教授的支持和幫助。

伴隨著5G移動通信的高帶寬、高速率的飛速發展，異質計算架構和多核并行編程技術相結合將會是5G測試應對海量數據處理和提高測試并行化所不可或缺的主要技術。

3 大規模天線空口測試技術

為了滿足極高吞吐量的需求，第5代移動通信將采用大規模天線技術，天線特性成為影響無線系統性能的關鍵技術指標之一。目前，MIMO OTA測試技術已經開始在包括第3代移動通信合作計劃（3GPP）組織、歐洲科學和技術合作（COST2100）組織和移動通信和因特網協會（CTIA）在內的多個標準化組織和機構中研究及討論，其中，3GPP TR 37.976對各種MIMO OTA技術備選測試方案進行了總結。以下分別說明了3種不同的MIMO OTA測試方案[12]：

（1）基于吸波暗室的測試方案

基于吸波暗室的測試方案或者稱之為空間衰落模擬（SFE）的測試方案。該方案將射頻信道模擬器連接到一個圓環探頭陣列，即多探頭測試，從而在被測物位置可重復地模擬產生復雜的多徑衰落的無線環境。

（2）混響室測試方案

混響室測試方案采用一個獨立的混響室或者是一個連接信道模擬器的混響室。混響室的目的在于在被測物（DUT）周圍產生一個統計上的均勻功率分布，而天線和信道模擬器可用于生成所需的延遲特性。混響室測試方案受限于有限的不同衰落環境的模擬能力，所以只能對終端提供有限的性能評估。

（3）兩階段法

兩步法測試流程如圖3所示。兩步法測試方案包含兩個測試階段。第一階段，在各向同性的環境下，使用傳統的吸波暗室為基礎的測試系統和一個綜測儀測量復雜的有源天線陣列；第二階段，通過下述兩種手段把天線陣列的信息與信道模型結合起來：使用信道模擬器進行傳導測試，或利用測試地得到的天線陣列信息通過理論計算得到一個理論上的信道容量性能。因此，在這一點上，兩階段方法只能獲得有限的數據，還需要進行進一步的研究以得到準確的性能指標。

大規模天線OTA測試技術中關鍵的挑戰是如何在電波暗室中產生一個最接近真實環境的空間、角度和極化行為的射頻信道模型，這種復雜性使得MIMO OTA測試平臺研發需要大量場地和設備資金的投入，這對于廣大的終端設備廠商而言，成本過于昂貴。在討論的3種MIMO OTA測試方案中，兩步測試方案是一種快速、精確、經濟又高效的MIMO OTA測試方法，研究表明，相對于傳統的多探頭測試方案，兩步法僅簡化了接收分集性能而非信道相關特性，獲得的測試結果也基本一致[13]；其次，兩步法可重復利用測試得到的天線方向圖模擬二維或三維的信道模型，而不需要重復使用電波暗室測試，進而提高了測試的靈活性，另外，兩步法可充分利用LTE階段建設的測試平臺資源迅速擴展實現MIMO OTA測試，是一種快速經濟的測試解決方案。

4 結束語

本文根據5G移動通信的技術特征，分別從軟件和硬件兩個方面分析了應對的測試解決方案和方法。這些方法主要集中在物理層和射頻部分，未涉及協議的測試方法的討論。

致謝：

本文的撰寫得到了上海無線通信研究中心徐景研究員、西安交通大學任品毅教授和中國科學技術大學周武教授的支持和幫助。

伴隨著5G移動通信的高帶寬、高速率的飛速發展，異質計算架構和多核并行編程技術相結合將會是5G測試應對海量數據處理和提高測試并行化所不可或缺的主要技術。

3 大規模天線空口測試技術

為了滿足極高吞吐量的需求，第5代移動通信將采用大規模天線技術，天線特性成為影響無線系統性能的關鍵技術指標之一。目前，MIMO OTA測試技術已經開始在包括第3代移動通信合作計劃（3GPP）組織、歐洲科學和技術合作（COST2100）組織和移動通信和因特網協會（CTIA）在內的多個標準化組織和機構中研究及討論，其中，3GPP TR 37.976對各種MIMO OTA技術備選測試方案進行了總結。以下分別說明了3種不同的MIMO OTA測試方案[12]：

（1）基于吸波暗室的測試方案

基于吸波暗室的測試方案或者稱之為空間衰落模擬（SFE）的測試方案。該方案將射頻信道模擬器連接到一個圓環探頭陣列，即多探頭測試，從而在被測物位置可重復地模擬產生復雜的多徑衰落的無線環境。

（2）混響室測試方案

混響室測試方案采用一個獨立的混響室或者是一個連接信道模擬器的混響室。混響室的目的在于在被測物（DUT）周圍產生一個統計上的均勻功率分布，而天線和信道模擬器可用于生成所需的延遲特性。混響室測試方案受限于有限的不同衰落環境的模擬能力，所以只能對終端提供有限的性能評估。

（3）兩階段法

兩步法測試流程如圖3所示。兩步法測試方案包含兩個測試階段。第一階段，在各向同性的環境下，使用傳統的吸波暗室為基礎的測試系統和一個綜測儀測量復雜的有源天線陣列；第二階段，通過下述兩種手段把天線陣列的信息與信道模型結合起來：使用信道模擬器進行傳導測試，或利用測試地得到的天線陣列信息通過理論計算得到一個理論上的信道容量性能。因此，在這一點上，兩階段方法只能獲得有限的數據，還需要進行進一步的研究以得到準確的性能指標。

大規模天線OTA測試技術中關鍵的挑戰是如何在電波暗室中產生一個最接近真實環境的空間、角度和極化行為的射頻信道模型，這種復雜性使得MIMO OTA測試平臺研發需要大量場地和設備資金的投入，這對于廣大的終端設備廠商而言，成本過于昂貴。在討論的3種MIMO OTA測試方案中，兩步測試方案是一種快速、精確、經濟又高效的MIMO OTA測試方法，研究表明，相對于傳統的多探頭測試方案，兩步法僅簡化了接收分集性能而非信道相關特性，獲得的測試結果也基本一致[13]；其次，兩步法可重復利用測試得到的天線方向圖模擬二維或三維的信道模型，而不需要重復使用電波暗室測試，進而提高了測試的靈活性，另外，兩步法可充分利用LTE階段建設的測試平臺資源迅速擴展實現MIMO OTA測試，是一種快速經濟的測試解決方案。

4 結束語

本文根據5G移動通信的技術特征，分別從軟件和硬件兩個方面分析了應對的測試解決方案和方法。這些方法主要集中在物理層和射頻部分，未涉及協議的測試方法的討論。

致謝：

本文的撰寫得到了上海無線通信研究中心徐景研究員、西安交通大學任品毅教授和中國科學技術大學周武教授的支持和幫助。