5G概述及R&S測試解決方案

馮宇 羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

羅德與施瓦茨技術專欄

5G概述及R&S測試解決方案

馮宇 羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

編者按：雖然目前還沒有明確的5G標準規范，不過預計5G技術會滲透到未來社會的各個領域，將使信息突破時空限制，提供極佳的交互體驗，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴。目前，很多運營商及設備制造商已積極加入到5G技術的研究中。羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司馮宇所撰《5G概述及R&S測試解決方案》一文介紹了5G系統的關鍵技術，同時介紹了R&S公司針對5G系統中毫米波和大規模MIMO技術的測試方案。雖然目前5G技術還處在預研和標準制定階段，不過各個廠家對于5G技術的測試需求已經越來越明顯，羅德與施瓦茨公司的矢量信號發生器、號分析儀、矢量網絡分析儀等儀表可以滿足目前5G預研的需求，同時R&S公司也將緊跟5G標準，力爭為5G技術的發展提供完整優質的測試方案。

5G即第五代移動通信技術，是4G技術之后的延伸。雖然目前還沒有明確的5G標準規范，不過預計5G技術會滲透到未來社會的各個領域，將使信息突破時空限制，提供極佳的交互體驗，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴。目前，很多運營商及設備制造商積極加入到5G技術的研究中，本文將簡單介紹5G研究中的典型關鍵技術以及R&S公司針對5G系統的測試解決方案。

5G MIMO 毫米波 大規模MIMO

1 引言

在移動通信技術的演進歷程中，依次經歷了1G、2G、3G和4G階段。從技術角度來看，1G是模擬式通信系統，主要用來解決語音通信問題；2G是數字調制系統，以GSM和CDMA技術為主要代表，可以支持窄帶的分組數據通信；3G標準以CDMA為技術基礎，存在WCDMA/TD-SCDMA/cdma2000/WiMAX4種技術，發展了諸如圖像、音樂、視頻流等高帶寬多媒體通信，解決了部分互聯網相關網絡及高速數據傳輸問題；4G通常被用來描述相對于3G的下一代通信網絡，以LTE/ LTE-A技術為主要代表，可以提供100Mbit/s設置更高的傳輸速度，從網速、容量、穩定性上面相比之前的技術都有了很大的提升。

隨著移動通信系統帶寬和能力的增加，面向個人和行業的移動應用快速發展。移動互聯網和物聯網的快速發展，成為5G的主要驅動力。面向2020年及未來，超高清、3D和浸入式視頻的流行，將會驅動數據速率大幅提升，同時用戶還希望能夠在體育場、演唱會等超密集場所，高鐵、車載、地鐵等高速移動環境下也能夠獲得一致的業務體驗；物聯網的廣泛應用，智能家居、智能電網、視頻監控、移動醫療、車聯網等應用對移動通信技術提出了更嚴格的低延時、高可靠性、大容量等需求。在新一代移動通信網絡中，能耗、每比特成本、部署和維護的復雜度等可持續發展要求也進一步加強。

如圖1所示，中國IMT-2020（5G）推進組對5G網絡的性能要求和效率需求通過一株綻放的鮮花來進行定義，其中花瓣代表5G的六大性能指標，體現了5G滿足未來多樣化業務與場景需求的能力，花瓣頂點代表了相應指標的最大值；綠葉代表效率指標，是5G可持續發展的基本保障。

圖1 5G性能和效率需求

25 G關鍵技術介紹

截至目前，5G技術還處在預研階段，其技術規范還沒有統一定義，所以各大公司都在對5G技術進行積極的研究和討論，現階段基本得到業界認可的關鍵技術主要包括以下方面：

（1）毫米波

所謂毫米波，即波長范圍1～10mm之間，也就是頻率在30～300GHz之間的無線電波。傳統的移動通信工作頻段主要集中在3GHz以下，使得頻譜資源已經十分擁擠，而在高頻段可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現狀，同時也可以實現高速短距離通信，支持5G容量和傳輸速率等方面的需求。不過毫米波頻段傳輸存在著傳輸距離短、穿透力和繞射能力差、容易受氣候環境影響等缺點，如果真正想要在毫米波頻段實現5G的各種業務，還有待進一步研究和解決這些問題。

（2）大規模MIMO技術

MIMO技術已經廣泛應用于LTE、WLAN等技術上面。理論上，天線越多，頻譜效率和傳輸可靠性就越高。作為近年來備受關注的技術之一，多天線技術經歷了從無源到有源，從二維到三維（3D），從高階MIMO到大規模天線陣列的發展，將有望實現頻譜效率提升至10倍甚至更高，是目前5G技術重要的研究方向之一。

（3）高帶寬傳輸

根據香濃定律可知，信道容量與帶寬和信噪比成正比，為了滿足5G網絡Gbit/s級的數據速率，需要更大的帶寬。頻率越高，帶寬就越大，信道容量也就越高，因此高頻段連續帶寬將成為5G的主流選擇。配合一些有效的提升頻譜效率技術，比如大規模MIMO等，在高帶寬模式下可以很容易實現10Gbit/s的傳輸速率。

（4）新型空中接口技術

為了進一步的提高頻譜利用率以及應用的靈活性，業界普遍認為在5G系統中會采用不同于4G的空中接口技術。目前，被廣泛研究的主要包括非正交多址接入技術（NOMA）、濾波組多載波技術（FBMC）、全雙工技術（FullDuplex）等。各個廠家都在積極地推動各自主導的新技術，希望能夠在5G標準中脫穎而出，成為5G標準技術，不過這些技術是否能夠在5G系統中發揮更有效的作用，還有待進一步研究和驗證。

（5）密集網絡

在5G通信系統中，無線通信網絡朝著網絡多元化、寬帶化、綜合化和智能化的方向演進，隨著各種智能終端的普及，數據流量將發生井噴式的增長。傳統的宏蜂窩網絡覆蓋，已經無法滿足這些需求。預計在5G時代，將會采用立體分層網絡，也就是在宏蜂窩網絡層中布放大量的微蜂窩、微微蜂窩、毫微微蜂窩等接入點，同時隨著物物連接網絡的增加，將會采用更加密集的網絡覆蓋方案，部署有可能達到100個以上小區/扇區。

3 5G測試方案

雖然目前5G技術標準尚在討論中，但是作為測試儀表廠商的代表羅德與施瓦茨公司已經開始積極地投入到相關測試技術及方案研究中。針對5G廣泛認可的毫米波、大規模天線陣、高帶寬等關鍵技術，羅德與施瓦茨公司可以提供完整的測試解決方案，以幫助設備廠家進行相應的5G技術研究。本文將分別介紹R&S公司針對5G技術相應的測試方案。

3.1 毫米波測試方案

毫米波的頻率一般是從30～300GHz間，針對5G技術熱點頻率集中在30～100GHz左右。R&S公司針對毫米波頻段信號的產生和分析主要通過矢量信號發生器和矢量信號分析儀來完成，目前R&S公司的高頻矢量信號發生器SMW200A單臺儀表最高可以實現40GHz信號的產生，如果配合相應的外接混頻模塊則可以實現高達100GHz的矢量信號產生。同時高帶寬的測試需求在5G預研中也很明顯，SMW200A自身可以產生160MHz帶寬的信號，可用于802.11ac、LTE-A等信號產生，如果通過外部的模擬IQ輸入，SMW200A可以實現高達2GHz帶寬信號的產生，完全滿足目前5G研究的需求。SMW200A典型特征如圖2所示。

如果通過外部任意波形發生器生成基帶信號，可以產生帶寬高達2GHz的基帶信號，同時配合相應的混頻模塊，可以實現更高頻率信號的產生。圖3為73GHz頻率，2GHz帶寬信號產生測試環境。

R&S公司的矢量信號分析儀FSW最高頻率可達到67GHz，同樣配合混頻模塊可以實現高達100GHz信號的接收和分析，FSW自身的分析帶寬為500MHz，該儀表目前已經廣泛應用在各大廠家的5G研究中。圖4為40GHz頻率，500MHz帶寬信號的產生及分析測試環境。

對高于67GHz頻率的信號可以通過外接混頻器方式擴展FSW的接收頻率，從而實現對更高頻率毫米波信號的發射機測試，具體參見圖5。

圖2 微波頻段高端矢量信號發生器SMW200A

圖3 73GHz信號產生示意圖

圖4 毫米波信號產生及分析測試環境

圖5 72GHz毫米波信號分析測試環境

FSW不僅可以在頻域上對毫米波信號進行測試，還可以通過相應的矢量解調選件，對信號的調制質量（EVM等參數）進行分析，圖6所示為頻率62GHz，符號速率450MHz信號的分析測試結果。

同時，R&S公司的矢量網絡分析儀ZVA也可以對毫米波器件實現完整的測試，圖7為其測試示意圖。

3.2 MassiveMIMO測試方案

MIMO技術已經廣泛應用在無線和移動通信系統中，不過在5G系統中，對MIMO技術又做了進一步增強，首先天線數目已經不局限在4G階段的2或者4根天線，將會有大規模的天線陣列出現，比如8、16或者128根天線；其次，三維天線的波束賦形等技術也將有可能成為現實。

圖6 毫米波信號解調分析結果

圖7 毫米波器件測試環境

R&S公司的矢量信號發生器SMW200A為MIMO系統測試提供了理想的選擇，它可以產生滿足標準要求的無線和移動通信信號，目前通過擴展可支持八根接收天線，頻率最高可達到20GHz（見圖8）。同時，SMW200A還可以模擬完整的MIMO傳輸信道，最大支持16條衰落通道，帶寬高達160MHz。

圖8 20GHz八天線信號產生測試環境

如果只需要對6GHz以下頻率的八天線接收機進行測試，那么一臺SMW200A配合6臺外接的SGT100A射頻擴展單元就可以實現，圖9為其示意圖。

對于MIMO系統發射機的測試，基本都是選擇多個矢量信號分析儀來完成，比如測試2×2MIMO發射機，需要兩個信號分析儀才能進行完整測試。R&S公司針對MIMO發射機的測試，不僅可以通過多臺信號分析儀來完成，還提供了多通道數字示波器測試方案，可以大大降低測試成本。以4×4MIMO為例，傳統的測試方案如圖10所示。

使用多臺信號分析儀測試MIMO方案，雖然可以對射頻和信號調制質量進行完整的測試，但是隨著天線數目的增多，需要更多的信號分析儀，這樣會帶來測試成本的增加。為了幫助客戶節約測試成本，R&S公司推出了使用多通道數字示波器（RTO），配合相應的解析軟件來測試MIMO信號調制質量的方案。目前，一臺示波器可以測試四天線MIMO信號，具體參見圖11。

圖9 6GHz八天線信號產生測試環境

圖10 4×4MIMO信號測試示意圖

大規模MIMO系統中除了傳統的發射機和接收機測試項目之外，還需要對天線陣列性能進行測試。R&S公司的最新多端口矢量網絡分析儀ZNBT可以實現24端口天線的測試，頻率可以達到8.5GHz，具體參見圖12。

如果需要更高頻率天線陣列的測試，可以通過R&S公司的矢量網絡分析儀ZNB配合相應的射頻開關箱來實現，并且開關箱可以由ZNB自動控制，測試過程中無需人工改變鏈路，其測試最高頻率可達24GHz，圖13為其測試示意圖。

圖11 RTO測試4×4MIMO信號

圖12 ZNBT測試示意圖

圖13 ZNB測試示意圖

同時，在針對大規模MIMO系統中的OTA測試，R&S公司也有完整的測試解決方案。R&S公司最新推出的頻率高達40GHz的暗室，可以滿足目前5G系統OTA測試的需求，圖14為其示意圖。

圖14 40GHz頻段OTA測試示意圖

4 結束語

本文介紹了5G系統的關鍵技術，同時介紹了R&S公司針對5G系統中毫米波和大規模MIMO技術的測試方案。雖然目前5G技術還處在預研和標準制定階段，不過各個廠家對于5G技術的測試需求已經越來越明顯，羅德與施瓦茨公司的矢量信號發生器SMW200A、矢量信號分析儀FSW、矢量網絡分析儀ZNB等儀表可以滿足目前5G預研的需求，同時R&S公司也將緊跟5G標準，力爭為5G技術的發展提供完整優質的測試方案。

1 IMT-2020推進組.5G技術白皮書.2014,5

2 5 G通信核心關鍵技術及各國研究進展.微波射頻網

3 尤肖虎等.5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術.中國科學.2014

4 VectorSignalGeneratorR&SSMU200ASpecifications

5 SpectrumAnalyzerR&SFSWSpecifications