5G-NR多輸入多輸出單纜覆蓋系統射頻測試簡析

閆旭鵬，張亞寧，劉 梅

（中國信息通信研究院泰爾系統實驗室，北京 100045）

0 引言

2019年6月6日，工業和信息化部頒發5G牌照，中國移動、中國聯通、中國電信、中國廣電四家運營商獲得5G牌照。2020年3月4日，中共中央政治局常務委員會會議上，強調要加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度。截至今年2月底，三大運營商基站建設80%的5G網絡已經按計劃實施，中國移動、中國聯通、中國電信相繼表示，2020年實現5G網絡覆蓋全國地級市以上城市，預示著運營商5G進入商用元年隨后大規模建設時期即將到來。在5G網絡規劃中，農村覆蓋和室內覆蓋將是兩個關鍵點，運營商在繼續延伸5G網絡能力覆蓋的同時，開始關注深度的覆蓋。由于5G運行在較高頻段，信號穿透能力不好，樓內信號很差的情況普遍存在，成為運營商深度覆蓋的一個瓶頸。由于現階段無源室分頻段普遍為800 MHz-2700 MHz并不包含現階段5G頻段，并且如何利舊現有室分資源是擺在運營商面前的一個難題。因此，深度覆蓋、利舊現有網絡將是運營商5G網絡部署的痛點。

1 標準依據

截至2020年3月，中國通信標準化協會已經制定完成了數字蜂窩移動通信網多輸入多輸出（MIMO）單纜覆蓋系統行業標準的制定，并已經報備工業和信息化部。2020年1月，工業和信息化部科技司進行了行業標準發布。

⊙YD/T 3706-2020數字蜂窩移動通信網多輸入多輸出（MIMO）單纜覆蓋系統技術要求和測試方法。

⊙YD/T 3720-2020數字蜂窩移動通信網多輸入多輸出（MIMO）單纜覆蓋系統網管接口技術要求。

⊙YD/T 3721-2020數字蜂窩移動通信網多輸入多輸出（MIMO）單纜覆蓋系統網管接口測試方法。

⊙3GPP TS 38.141-1：" NR； Base Station （BS）conformance testing Part1：Conducted conformance testing（Release 15） "。

日前，5G-NR多輸入多輸出單纜覆蓋系統技術要求和測試方法、5G-NR多輸入多輸出單纜覆蓋系統網管接口技術要求和測試方法，準備在中國通信標準化協會TC5 WG11組立項，討論稿已經在起草中。

2 5G-NR多輸入多輸出單纜覆蓋系統工作原理

5G-NR多輸入多輸出單纜覆蓋系統采用變頻技術，利用一根饋線實現雙流及以上MIMO的5G信號傳輸的一線式室內覆蓋系統。系統分為有源合路器、遠程饋電單元和有源天線三部分組成：有源合路器對兩路5G信號分別進行下變頻（有源支路）和基站信源其他信號2/3/4G接入（無源支路）的合路；遠程饋電單元通過取電器、饋電器和同軸電纜給遠端的有源天線進行供電并進行射頻信號傳輸，在室內分布過程中要用到可通過直流電流給室內分布系統提供饋電通道的合路器、耦合器等器件；有源天線完成對有源支路信號的上變頻和無源支路的信號發射。5G-NR多輸入多輸出單纜覆蓋系統工作原理圖如圖1所示。

圖1 5G-NR多輸入多輸出單纜覆蓋系統

有源合路器、遠程饋電單元、有源天線組成5G-NR多輸入多輸出單纜覆蓋系統，可實現星形連接、鏈型連接等多種組合狀態，實現一路MIMO下變頻信號混合直流、本振信號、網管信號與RRU信號合路通過RF電纜傳至遠端有源天線，遠端天線把信號分離發射。

（1）直流信號：提供遠端有源天線供電輸入。

（2）網管信號：對有源合路器、遠程饋電單元、有源天線各個節點實時監控，確保網絡正常運行。

（3）功率補償：在有源合路器端通過傳感器檢測功率大小后增加功率補償機制，使變頻路和未變頻路信號發射功率均衡。

（4）功率自適應：在有源發射天線端自動平衡發射功率，使雙通路功率均衡發射。

3 射頻測試簡析

3.1 頻段劃分

工業和信息化部公布的運營商5G試驗頻段分配情況如表1所示：

表1 運營商5G頻段分配表

現階段移動、聯通、電信3家運營商使用的無源室分器件包含：POI、合路器、功分器、耦合器、電橋、負載等使用頻段為：800 MHz-2700 MHz，均不包含表1所述的頻段。

3.2 射頻測試

3.2.1 有源支路測試

有源支路測試項目具體詳見表2：

表2 有源支路測試項目表

3.2.1.1 測試連接圖

測試連接圖如圖2所示：

圖2 測試連接圖

3.2.1.2 輸出功率、增益及增益調節范圍、帶內波動、MIMIO功率控制

（1）定義。輸出功率是指5G-NR多輸入多輸出單纜覆蓋系統有源變頻支路能夠輸出的最大功率；增益是指該系統在線性工作范圍內對設備信號的放大能力；調節范圍是指該系統對設備信號放大能力的調節能力；帶內波動是對系統設計濾波器帶寬及有用帶內信號放大后平坦度的考量。

（2）物理意義。輸出功率、增益及增益調節范圍、帶內波動測試是確保5G-NR多輸入多輸出單纜覆蓋系統在設備不失真的情況下的設備功放性能的放大能力、平坦度等指標的考量，確保系統要符合覆蓋范圍、負荷能力等設計的需求。

（3）測試分析。由于該系統存在功率自適應及功率平衡等特性，在測試輸出功率、增益及增益調節范圍測試要確保無源支路的鏈路差損是在恒定的狀態下進行測試，由于測試過程中要進行功率平衡測試，需在測試系統無源支路中串行接入可調衰減器，調節可調衰減器驗證是否達到功率自適應平衡。

5G-NR多輸入多輸出單纜覆蓋系統采用了移頻技術實現單纜覆蓋，在單獨測試有源支時輸入頻段和輸出頻段不一致，需要去確認輸出信號移頻后頻段的帶內平坦度。

3.2.1.3 時延、EVM、頻率誤差、噪聲系數

（1）定義。時延是指基站RRU輸出信號經過最簡單系統處理后輸出信號的時間差；矢量幅度誤差（EVM）是指發射信號與理論信號的矢量誤差，是平均誤差矢量信號功率與平均參考信號功率之比的均方根值；頻率誤差是指實際輸出頻率與理論輸出頻率的偏差；噪聲系數是指系統正常工作輸入信噪比和輸出信噪比的比值。

（2）物理意義。時延、EVM、頻率誤差、噪聲系數衡量5G-NR多輸入多輸出單纜覆蓋系統設備經過放大后信號的質量因素，是發射機測試的關鍵指標，時延衡量設備端到端時間處理能力，5G尤其時延要求更加嚴格，高可靠、低時延是對該系統的嚴峻考驗；頻率誤差是對工作帶內發射的要求，不能進行帶內互干擾；噪聲系數是衡量經過設備后發射信噪比不能對接收信號產生干擾造成上行接收信號的失真，影響基站基帶單元對信號的處理能力。

（3）測試分析。高可靠、低時延、低功率大連接是5G通信的特征，所以對射頻質量就會提出更高的要求，EVM、時延、頻率誤差、噪聲都是對射頻質量各個維度的測量，測量該系統需要有對應的5G儀表選件，頻譜儀、信號源要接入10 MHz參考同步，觸發Trigger時鐘同步，在儀表選件界面找到相應測試項目（見圖3）。噪聲系數需對設備工作頻段的低邊帶、中心頻率、高邊帶選取三個點進行測試，保證整個工作帶內都能滿足要求。

圖3 矢量幅度誤差、頻率誤差測試圖

3.2.1.4 帶外發射及雜散輻射

（1）定義。帶外發射是指由于設備的非線性導致的信道帶外的不期望的發射，主要為鄰道抑制比（ACLR）和頻譜發射模板（SEM）。雜散發射是指工作帶外的信號發射，包括諧波發射、寄生發射、互調產物發射及變頻造成的產物發射。

（2）物理意義。在數字通信系統中工作信道信號泄露到鄰道功率會對該信道信號傳輸產生干擾，ACLR指標用來保證不會對相鄰信道產生影響，保證相鄰信道信號接收。區別于鄰道抑制比是對系統自身來說不對其他載波信道產生干擾，頻譜發射模板SEM是考慮不對工作在相鄰頻段的其他通信系統信號產生干擾。雜散發射是確保該系統發射信號對全頻段其他通信制式信號不產生干擾。

（3）測試分析。ACLR測試和SEM測試需要確保設備是在線性最大輸出功率、最大增益時進行測試。雜散發射需要將設備的Trigger狀態設置為Free Run狀態，保證設備任何頻段發射的雜散輻射信號能被頻譜儀捕捉到，測試特殊頻段雜散時由于外接衰減器過大降低了頻譜儀的量程，使特殊頻段要求的小功率雜散信號淹沒在底噪中，所以需要將經過系統放大后的有效信號進行阻隔，減小外接衰減器，提高頻譜儀的測試量程ACLR和SEM測試圖形（見圖4、圖5）。

圖4 鄰道抑制比（ACLR）測試圖

圖5 頻譜發射模板（SEM）測試圖

3.2.2 無源支路、過流耦合器等無源器件測試

無源支路、過流耦合器等無源器件測試項目具體詳見表3：

表3 無源支路、過流耦合器等無源器件測試項目表

（1）定義。5G-NR多輸入多輸出單纜覆蓋系統無源支路直通RRU輸入信號和變頻路信號合路輸出；過流耦合器等無源器件將射頻鏈路進行延伸，將信源經過無源器件饋送到覆蓋區域，同時將覆蓋區域接收的終端信號返回至基站端。

（2）物理意義。無源支路和過流耦合器等無源器件組成的室內分布系統構建中，根據饋送信號路徑長短以及覆蓋信號的設計范圍來選取相應器件，所采用的設備和器件應都符合相對應的無源器件的技術要求。

（3）測試分析。過流耦合器等通過直流的無源器件測試過程中注意保護儀表增加隔直器，且要經過耦合器的過流過壓測試；功率容量測試需具備高頻功放的要求、互調測試需滿足系統系統內和間的二、三五階互調測試。

4 結束語

2020年尤其新型冠狀病毒肺炎疫情期間，工信部密集發布與5G相關通知、公告。加快促進5G相關產業產能加速落地，使5G+新經濟新形態加速構建，5G室內分布市場是一個主要戰場，該系統技術能很好的實現在一根電纜上傳輸雙路至多路的5G 信號，且基本不改變原有室內分布的情況下實現產業落地，符合運營商增效減負、節能減排的政策導向。本文圍繞5G-NR多輸入多輸出單纜覆蓋系統射頻測試，對相關的關鍵指標測試進行了分析，并對測試中所需的注意事項進行了闡述。