5G移動(dòng)通信測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)與儀器發(fā)展研究

摘要：5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度大、場(chǎng)景應(yīng)用復(fù)雜性高，測(cè)試服務(wù)內(nèi)容與測(cè)試能力要求高，現(xiàn)有的測(cè)試技術(shù)與測(cè)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(dòng)通信測(cè)試需要，本文詳細(xì)分析當(dāng)前5G移動(dòng)通信測(cè)試面臨的技術(shù)瓶頸，探討測(cè)試相關(guān)儀器設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，以滿(mǎn)足5G移動(dòng)通信中大規(guī)模天線(xiàn)系統(tǒng)、多通道、高帶寬的測(cè)試要求。

關(guān)鍵詞：5G移動(dòng)通信；測(cè)試技術(shù)；測(cè)試儀器；發(fā)展趨勢(shì)

一、引言

第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）具有高速率、低延時(shí)、大連接等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物互聯(lián)通信，滿(mǎn)足移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量爆炸式增長(zhǎng)與移動(dòng)業(yè)務(wù)體驗(yàn)極致的要求，助力經(jīng)濟(jì)社會(huì)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度大、場(chǎng)景應(yīng)用復(fù)雜性高，測(cè)試服務(wù)需求相較于早期的3G與4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)更為強(qiáng)烈、測(cè)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(cè)試系統(tǒng)、空中接口監(jiān)測(cè)儀、PXI平臺(tái)等，其測(cè)試?yán)碚摲椒āy(cè)試項(xiàng)、測(cè)試環(huán)節(jié)、測(cè)試條件、測(cè)試能力均不同，各有優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用限

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

二、5G移動(dòng)通信測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)瓶頸

5G移動(dòng)通信測(cè)試技術(shù)的技術(shù)瓶頸主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（一）測(cè)試?yán)碚撆c方法難以適配更新迭代的測(cè)試需要

5G移動(dòng)通信基站采用前段天線(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，早期傳導(dǎo)測(cè)試?yán)碚撆c方法難以適配基站測(cè)試中信號(hào)覆蓋檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸速率檢測(cè)、信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)等的測(cè)試要求，MIMO測(cè)試技術(shù)采用多發(fā)射與接收天線(xiàn)，可更好地應(yīng)用在大規(guī)模天線(xiàn)系統(tǒng)基站測(cè)試中[2]。5G移動(dòng)通信終端在天線(xiàn)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(shì)下會(huì)快速更新，終端測(cè)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(cè)試儀器發(fā)展

5G移動(dòng)通信測(cè)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(duì)上述基礎(chǔ)元器件的功能與性能要求更高，如測(cè)試頻段在毫米波與可見(jiàn)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(jìn)一步升級(jí)。

（三）儀表架構(gòu)設(shè)計(jì)難度增加

在復(fù)雜多樣的應(yīng)用場(chǎng)景與極致流暢的移動(dòng)業(yè)務(wù)體驗(yàn)要求下，5G移動(dòng)通信終端天線(xiàn)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(jìn)一步增加了5G移動(dòng)通信測(cè)試儀表架構(gòu)的設(shè)計(jì)難度[3]。一方面，通信測(cè)試儀表不僅需具有通信功能，還需具備通用測(cè)試特性；另一方面，對(duì)通信測(cè)試儀表的性能指標(biāo)要求較高，需經(jīng)過(guò)整機(jī)、單機(jī)、器件等多級(jí)性能校驗(yàn)，以保證通信測(cè)試儀的測(cè)試性能。

三、5G移動(dòng)通信測(cè)試儀器發(fā)展方向

通信測(cè)試是5G移動(dòng)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(cè)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(jì)開(kāi)發(fā)難度大，基站、終端、外場(chǎng)、認(rèn)證、實(shí)驗(yàn)室等環(huán)節(jié)測(cè)試儀器需緊扣5G移動(dòng)通信測(cè)試要求，精準(zhǔn)定位發(fā)展目標(biāo)與方向，推動(dòng)5G移動(dòng)通信測(cè)試儀器產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。

（一）5G移動(dòng)通信基站設(shè)備終端模擬器

基站設(shè)備測(cè)試是5G移動(dòng)通信測(cè)試的重要環(huán)節(jié)，當(dāng)前常用的測(cè)試終端模擬器包括商用型、路測(cè)儀、專(zhuān)用型，其測(cè)試能力各不相同。商用型設(shè)備測(cè)試終端僅能通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)通信基站設(shè)備存在問(wèn)題，無(wú)法明晰何種問(wèn)題以及問(wèn)題發(fā)生部位與原因；相較于商用型設(shè)備測(cè)試終端，路測(cè)儀局部問(wèn)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(wèn)題的發(fā)生原因，并準(zhǔn)確定位問(wèn)題發(fā)生的部位，但無(wú)法模擬多個(gè)通信終端的環(huán)境，對(duì)基站的性能測(cè)試只能局限于單終端層面；專(zhuān)用終端模擬器具備良好的問(wèn)題發(fā)現(xiàn)與分析能力，日志保存情況良好，可模擬多個(gè)通信終端并測(cè)試基站多終端接入能力，支持載波聚合測(cè)試，但在5G多場(chǎng)景應(yīng)用、大規(guī)模MIMO等技術(shù)需求下測(cè)試能力不足、系統(tǒng)級(jí)原型驗(yàn)證不夠[4]。下階段5G移動(dòng)通信基站設(shè)備測(cè)試應(yīng)著力研發(fā)專(zhuān)用終端模擬器，實(shí)現(xiàn)高層與物理層協(xié)議模擬，提升多載波聚合與無(wú)線(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的支持力度，滿(mǎn)足5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)多場(chǎng)景技術(shù)需求。

（二）5G移動(dòng)通信信號(hào)模擬與分析儀

5G移動(dòng)通信信號(hào)模擬與分析可幫助測(cè)試人員了解通信信號(hào)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(jì)，有效解決通信信號(hào)干擾與失真問(wèn)題，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。例如，在5G移動(dòng)通信設(shè)備進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可利用通信信號(hào)模擬與分析儀對(duì)設(shè)備元器件進(jìn)行單元測(cè)試，對(duì)元器件集成的半成品以及裝配整機(jī)進(jìn)行集成測(cè)試，在通信設(shè)備中集成通信信號(hào)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(dòng)通信測(cè)試產(chǎn)業(yè)相關(guān)廠(chǎng)商應(yīng)著力研發(fā)通信矢量信號(hào)模擬與分析儀器，高度集成信號(hào)模擬與信號(hào)自動(dòng)處理分析功能模塊，以高測(cè)量帶寬與優(yōu)異的測(cè)量性能提高5G移動(dòng)通信測(cè)試效能。

（三）5G信道模擬器

無(wú)線(xiàn)信道模型是信號(hào)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(xiàn)學(xué)、隨機(jī)過(guò)程等基礎(chǔ)學(xué)科與理論，利用數(shù)學(xué)技術(shù)對(duì)信道行為特征進(jìn)行表達(dá)，模擬與描述信號(hào)從發(fā)射天線(xiàn)至接收天線(xiàn)之間的傳播路徑與信號(hào)強(qiáng)度變化。不同于有線(xiàn)信道的線(xiàn)路傳輸方式，5G移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信無(wú)實(shí)體式信號(hào)傳播載體，信號(hào)傳播路徑存在較大的隨機(jī)性，影響信號(hào)傳播質(zhì)量。尤其在大規(guī)模MIMO天線(xiàn)系統(tǒng)中，若干通信終端天線(xiàn)數(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)通道數(shù)增加了信號(hào)處理、編碼解碼、調(diào)制解調(diào)、信號(hào)傳輸?shù)膹?fù)雜性。例如，5G移動(dòng)通信基站利用大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)與高帶寬技術(shù)提高通信速率，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信高速率、低延時(shí)目標(biāo)，天線(xiàn)數(shù)量達(dá)上百根，帶寬達(dá)數(shù)百兆，原先的MIMO信道模型無(wú)法適配帶寬與天線(xiàn)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(yàn)證5G移動(dòng)通信產(chǎn)品的實(shí)際性能。此外，5G移動(dòng)通信測(cè)試需對(duì)大量的基站元器件、終端設(shè)備等進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容復(fù)雜、測(cè)試項(xiàng)與測(cè)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(hào)傳播路徑與強(qiáng)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(jì)、信道傳播條件模擬復(fù)現(xiàn)等方面存在較多不足，無(wú)法適配復(fù)雜信道環(huán)境模擬的需要。因此，如何模擬實(shí)際的信號(hào)傳播的信道環(huán)境，科學(xué)、合理、客觀地評(píng)估5G移動(dòng)通信的性能狀況，有效控制信號(hào)傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)隨機(jī)性，是下階段5G移動(dòng)通信研究的重要課題。相關(guān)生產(chǎn)廠(chǎng)商應(yīng)加強(qiáng)大規(guī)模天線(xiàn)信道理論模型研究，大力研發(fā)大規(guī)模天線(xiàn)信道模擬器進(jìn)行模擬仿真，有力支撐5G移動(dòng)通信基帶與終端系統(tǒng)的高效開(kāi)發(fā)與部署，為大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品的功能性能檢驗(yàn)論證提供貼合實(shí)際傳輸環(huán)境的模擬信道，以精準(zhǔn)的測(cè)試結(jié)果提高5G移動(dòng)通信設(shè)備產(chǎn)品測(cè)試精度。

四、5G移動(dòng)通信測(cè)試儀器的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

（一）高頻率大帶寬測(cè)試技術(shù)

5G移動(dòng)通信的通信頻率和通信速率的增加、天線(xiàn)規(guī)模擴(kuò)大、帶寬增大等對(duì)通信測(cè)試儀器的測(cè)試能力提出了更高的要求，如在超寬帶測(cè)試要求下，通信測(cè)試儀器應(yīng)具備500MHz、1GHz和2GHz分析帶寬的能力。國(guó)外測(cè)試儀器的帶寬分析能力最高可達(dá)67GHz，在擴(kuò)頻裝置、噪聲抵消技術(shù)等的加持下，測(cè)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?xún)?nèi)，提高了測(cè)試儀器對(duì)鄰近通道干擾情況的測(cè)試能力，可以較好地滿(mǎn)足高頻率大帶寬的5G移動(dòng)通信測(cè)試要求。但是當(dāng)前國(guó)內(nèi)通信測(cè)試儀器的帶寬分析能力大多難以達(dá)到上述要求，國(guó)內(nèi)測(cè)試儀器的帶寬分析能力在200MHz以下，相關(guān)廠(chǎng)商應(yīng)加大高頻率大帶寬測(cè)試技術(shù)的研究力度，以超寬帶對(duì)測(cè)試儀器的帶寬分析能力作為研發(fā)目標(biāo)，以總測(cè)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(shí)提高5G移動(dòng)通信的測(cè)試能力。

（二）OTA測(cè)試技術(shù)

早期傳導(dǎo)測(cè)試方法支持的設(shè)備測(cè)試天線(xiàn)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(shì)下，大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，5G移動(dòng)通信基站與終端設(shè)備的通道數(shù)大幅度增加，天線(xiàn)單元之間的距離變小，傳導(dǎo)測(cè)試方法的應(yīng)用受限。OTA測(cè)試技術(shù)是一種在4G移動(dòng)通信測(cè)試中廣泛應(yīng)用的空口測(cè)試技術(shù)，其不采用傳導(dǎo)測(cè)試方法中依托傳導(dǎo)線(xiàn)連接進(jìn)行測(cè)試，而是依托設(shè)備的信號(hào)傳輸接口以及電磁波的空氣傳輸?shù)葘?duì)設(shè)備的空口性能進(jìn)行測(cè)試，科學(xué)評(píng)估信號(hào)的輻射性能，是當(dāng)前5G移動(dòng)通信多天線(xiàn)設(shè)備測(cè)試的重要技術(shù)與方法。大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)是5G移動(dòng)通信應(yīng)用中的重要技術(shù)，對(duì)大規(guī)模天線(xiàn)陣列的測(cè)試主要包括天線(xiàn)基本性能測(cè)試與天線(xiàn)系統(tǒng)性能測(cè)試，前者是對(duì)天線(xiàn)的噪聲、增益、功率、零值深度等基本性能參數(shù)進(jìn)行量化測(cè)試，后者是對(duì)大規(guī)模天線(xiàn)陣列系統(tǒng)的峰值速率、波瓣等性能參數(shù)進(jìn)行量化測(cè)試。在天線(xiàn)基本性能測(cè)試方面，所采用的測(cè)試儀器為基于諧波混頻的擴(kuò)頻裝置、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，通過(guò)在天線(xiàn)附近以及一定距離處分別進(jìn)行不同類(lèi)型的測(cè)試，得到天線(xiàn)的功率、噪聲、增益等性能指標(biāo)參數(shù)。在天線(xiàn)系統(tǒng)性能測(cè)試方面，需先利用模擬器對(duì)終端、基站、信道等進(jìn)行仿真模擬，對(duì)天線(xiàn)設(shè)備發(fā)出的信號(hào)在信道模擬環(huán)境下經(jīng)傳輸接口、空氣傳輸進(jìn)行信號(hào)分析與性能測(cè)試，此過(guò)程涉及矢量信號(hào)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(guò)多天線(xiàn)設(shè)備端口的平面環(huán)繞和轉(zhuǎn)臺(tái)的單軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、賦形波束性能的精準(zhǔn)測(cè)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(cè)試解決方案，用于在OTA（Over-The-Air）實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證配備MIMO以及大規(guī)模MIMO天線(xiàn)技術(shù)的5G終端設(shè)備的射頻（RF）性能。下階段OTA測(cè)試技術(shù)應(yīng)聚焦非暗室微波多天線(xiàn)測(cè)試場(chǎng)景，提高5G移動(dòng)通信測(cè)試的環(huán)境適應(yīng)性，降低5G移動(dòng)通信測(cè)試的成本。

（三）多通道測(cè)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(xiàn)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(dòng)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(cè)試復(fù)雜性與測(cè)試成本。例如，多通道（128通道、1024通道等）的測(cè)試對(duì)測(cè)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(cè)試時(shí)需耗費(fèi)大量的時(shí)間用于通道一致性校準(zhǔn)與修正，導(dǎo)致多通道測(cè)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(cè)試的成本與時(shí)效是重要研究方向，低成本、高時(shí)效的多通道測(cè)試技術(shù)成為當(dāng)前5G移動(dòng)通信測(cè)試的研究熱點(diǎn)。此外，高頻波段傳輸時(shí)容易出現(xiàn)較高的信號(hào)損耗，需利用天線(xiàn)陣列作為傳輸工具，將高頻波段進(jìn)行波束賦形的指向性處理，這對(duì)天線(xiàn)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(xiàn)陣列的波束賦形功能應(yīng)使得指向性信號(hào)在特定方向上形成傾角，實(shí)現(xiàn)對(duì)高層建筑或大范圍場(chǎng)景的良好信號(hào)覆蓋，此為多通道測(cè)試技術(shù)的重要研究方向之一。

（四）PXI平臺(tái)測(cè)試技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下各類(lèi)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(lèi)現(xiàn)代技術(shù)與復(fù)雜的功能模塊，其自動(dòng)化與智能化水平不斷提高，對(duì)5G移動(dòng)通信測(cè)試儀器與技術(shù)的更新迭代時(shí)效性以及經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求。PXI平臺(tái)是一個(gè)開(kāi)放、靈活的測(cè)試軟件平臺(tái)，依托PXI平臺(tái)自定義研發(fā)5G移動(dòng)通信設(shè)備原型，嵌入開(kāi)發(fā)各類(lèi)測(cè)試方法與功能模塊，提高5G移動(dòng)通信基站、終端等設(shè)備測(cè)試的靈活性與經(jīng)濟(jì)性。例如，NI公司依托PXI平臺(tái)對(duì)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(jìn)行測(cè)試與驗(yàn)證。

五、結(jié)束語(yǔ)

5G移動(dòng)通信測(cè)試體系完善，測(cè)試對(duì)象貫穿基站、終端、外場(chǎng)、認(rèn)證、實(shí)驗(yàn)室等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)鏈全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)，衍生出了較為成熟的測(cè)試技術(shù)框架與測(cè)試產(chǎn)品體系。但是當(dāng)前測(cè)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(jì)開(kāi)發(fā)難度大，相關(guān)儀表設(shè)備研發(fā)廠(chǎng)商與測(cè)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(xiàn)規(guī)模擴(kuò)大、帶寬增大等發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)終端模擬器、信號(hào)分析儀、信道模擬器等進(jìn)行更新升級(jí)，聚焦高頻率大帶寬測(cè)試、OTA測(cè)試、PXI平臺(tái)等技術(shù)的難點(diǎn)與堵點(diǎn)深入研究、奮力突破，助力5G移動(dòng)通信測(cè)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(yàn)研究院/國(guó)家信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心

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