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適用于5G的射頻OTA測試技術(shù)研究

日期: 2019-04-20
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摘要:在5G之前的基站射頻指標(biāo)測試大多采用傳導(dǎo)測試的方法,但在5G時代由于Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用,使得傳導(dǎo)測試的復(fù)雜程度大幅度上升,而且傳導(dǎo)測試完全表征基站射頻性能。本文介紹了5G關(guān)鍵技術(shù)對射頻指標(biāo)測試的影響,然后通過對3GPP標(biāo)準(zhǔn)的解讀,分析傳統(tǒng)測試在5G基站測試中的弊端,并通過分析得到目前的測試方法里能夠適應(yīng)5G 基站射頻指標(biāo)的測試方案及其改進(jìn)方案。

1、引言

無線通信設(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)階段對設(shè)備進(jìn)行性能測試顯得尤為重要。從2G、3G時代,到LTE及今后的5G,無線設(shè)備性能測試會變得越來越重要。大規(guī)模天線陣列技術(shù)的使用使得5G時代射頻性能測試會有別于傳統(tǒng)測試方法。從4G開始,各手機(jī)終端廠商開始逐漸重視空口OTA(Over-the-Air)測試,不僅因?yàn)閲鴥?nèi)外形成了終端輻射性能測試標(biāo)注,也因?yàn)镺TA測試更能反映設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。OTA測試技術(shù)也從僅為了通過終端認(rèn)證過渡被廣泛應(yīng)用到研發(fā)和生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。

5G無線通信技術(shù)使用的MassiveMIMO技術(shù),對基站和終端射頻和性能測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),基站還是可以通過傳導(dǎo)測試,但是空口測試也被提到標(biāo)準(zhǔn)之中。在毫米波頻段射頻與天線已經(jīng)不能分開,射頻指標(biāo)測試只能在空口進(jìn)行。在5G之前,所有基站對射頻指標(biāo)的測試都使用傳導(dǎo)方式,終端僅僅對TRP(全向輻射功率)和TIS(全向輻射靈敏度)進(jìn)行OTA測試,對其他射頻指標(biāo)的測試還沒有大量的論證。本文將結(jié)合5G無線通信的特點(diǎn),研究適合于5G的射頻指標(biāo)OTA測試方法。

2、5G新技術(shù)對射頻測試的要求

2.1 傳導(dǎo)測試與空口OTA測試

在射頻測試中,分為傳導(dǎo)測試與空口(OTA)測試。傳導(dǎo)測試是利用射頻線纜直接將儀表和被測物連接到一起,避免空間輻射的干擾信號對測試的影響。OTA測試是通過天線直接輻射出來,由測量天線接收然后再將信號傳入測試儀表的方法。OTA測試一般為了避免空間干擾信號與多徑,會在吸波暗室中進(jìn)行?;旧漕l的傳導(dǎo)測試在4G 及以前被廣泛使用,不僅因?yàn)槠浜唵我仔星页杀据^低,更因?yàn)榛驹谏a(chǎn)加工時,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)測試完成。但是在5G無線傳輸中,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測試目前主要針對發(fā)射功率、接收靈敏度、增益、方向性、波瓣寬度、前后比的測量,測試頻段為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)是無法拆分射頻與天線。這些都要求射頻測試只能在空口進(jìn)行。3GPP 已經(jīng)明確低頻和高頻的射頻一致性測試,如EVM、ACLR、OBUE等指標(biāo)的測試,都將采用OTA方式。經(jīng)過各廠家的討論,遠(yuǎn)場、近場、緊縮場都可作為測試場地。

2.2 Massive MIMO與波束賦形

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

1)可以提供豐富的空間自由度,支持空分多址SDMA。
2)BS能利用相同的時頻資源為數(shù)十個移動終端提供服務(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)降低了對周邊基站的干擾。
7)提升小區(qū)邊緣用戶平均吞吐率。

從數(shù)學(xué)原理上來講,當(dāng)空間傳輸信道所映射的空間維度趨向于極限大時,兩兩空間信道就會趨向于正交,從而可以對空間信道進(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)容量也會成倍提升,但是要考慮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的代價等多方面因素,因此現(xiàn)階段的天線最大也即256 個。5G基站的天線與射頻端口并非一一對應(yīng),一個射頻端口至少對應(yīng)2 個天線,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)射頻測試時,基站與測試儀表至少要連接64 個射頻通道進(jìn)行測試,終端至少4 通道,這給射頻測試帶來更多的復(fù)雜度。

2.3 5G新技術(shù)對射頻測試的要求

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

5G無線技術(shù)中,MassiveMIMO天線所具備的3D波束賦形需要被測試,其中有幾個問題需要解決:

1)如何準(zhǔn)確評價波束指向的準(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,測試效率的問題需要解決。
3)但是5G信號帶寬較寬,相較于傳統(tǒng)的單頻點(diǎn)方向圖測試,寬帶方向圖測試的效率需要解決。
4)原來傳統(tǒng)的射頻指標(biāo)(例如ACLR、EVM 等)均與方向圖有關(guān),只能通過OTA測試。

3、3GPP標(biāo)準(zhǔn)對5G基站測試的要求

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

3.1 輻射發(fā)射測試項(xiàng)

本文對3GPPTS 38.141 中的輻射發(fā)射測試項(xiàng)做了統(tǒng)計,具體參見表1。

適用于5G的射頻OTA測試技術(shù)研究?

1、各輻射發(fā)射測試項(xiàng)及其評價方法

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

3.2 輻射接收測試項(xiàng)

本文對3GPPTS 38.141 中的輻射接收測試項(xiàng)做了統(tǒng)計,具體參見表2。

適用于5G的射頻OTA測試技術(shù)研究?

2、各輻射接收測試項(xiàng)及其評價方法

4、針對5G的緊縮場測試系統(tǒng)

緊縮場是一種近距離實(shí)現(xiàn)電磁波相位準(zhǔn)直的場地,將球面波在近距離轉(zhuǎn)換為平面波。原來多用于軍事領(lǐng)域,用于對雷達(dá)天線、雷達(dá)射頻仿真和目標(biāo)散射特性測量和研究。隨著移動通信技術(shù)的進(jìn)步,為了滿足遠(yuǎn)場測量條件,本課題將緊縮場測量技術(shù)引入民用無線通信測量。緊縮場技術(shù)在民用移動通信領(lǐng)域的應(yīng)用與原有的緊縮場測量場地特點(diǎn)不同,在傳統(tǒng)軍用緊縮場中,一般采用單通道或雙通道測量,測量一般集中在兩個平面,對三維測量需求不高,因此系統(tǒng)在設(shè)計中對測量整體效率考慮不多,不能直接滿足移動通信天線三維方向圖和射頻指標(biāo)的測量需求。

傳統(tǒng)緊縮場天線測量系統(tǒng)相對于多探頭球面近場測量的一大劣勢是單通道測量,在測量3 維窄波束方向圖或進(jìn)行TRP、TIS 等指標(biāo)測量時效率不高。在緊縮場系統(tǒng)中引入多探頭方案可以有效提高系統(tǒng)測試效率,使整個系統(tǒng)的測試效率提高一個量級以上,更加有效針對多波束天線測試減少測試時間。

緊縮場多探頭方法將多個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)多個平面波入射角度的同時測量。探頭掃描法可以顯著提高緊縮場系統(tǒng)的測量效率,但是饋源偏焦后,天線口面的相位不再嚴(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,因而會增加某些誤差。

適用于5G的射頻OTA測試技術(shù)研究?

1、緊縮場多探頭測試方案

采用多探頭的緊縮場5G通信天線測量系統(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通道,根據(jù)對偏焦的分析,對于最高頻率小于50GHz 待測天線,探頭可以分布于±5?的角度范圍內(nèi),此時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,緊縮場的多探頭校準(zhǔn)方案主要依賴靜區(qū)位置的偶極子天線校準(zhǔn)。

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

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

緊縮場是在5G天線測量中唯一能夠在近距離直接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場測量的場地,由于5G(基站)天線的射頻端口不開放,傳統(tǒng)采用以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為核心的測量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)場距離很容易滿足,則傳統(tǒng)的球面近場掃描、準(zhǔn)遠(yuǎn)場暗室等方案也可以通過OTA方法測量獲得天線輻射方向圖。但是,在天線電尺寸較大時,滿足遠(yuǎn)場距離的長度較長,測試成本高昂。傳統(tǒng)的天線測量方式有多種,每種方法都有各自最為適用的環(huán)境,5G天線測量與傳統(tǒng)天線測量方法有相似點(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IMT-2020 發(fā)布的5G頻段范圍為例,表3 對各主要天線測量手段進(jìn)行了分析。

適用于5G的射頻OTA測試技術(shù)研究?

3、不同環(huán)境下天線測量方法參數(shù)對比

準(zhǔn)遠(yuǎn)場測量在TRP/EIRP、TIS/EIS、EVM等典型射頻指標(biāo)的測量上與其他遠(yuǎn)場測量相比并沒有明顯劣勢,這些射頻指標(biāo)對于是否滿足遠(yuǎn)場條件相對不敏感,但是對于天線方向圖的測量則需要滿足遠(yuǎn)場條件,以0.8m口徑的24.75~27.5GHz 天線為例,滿足遠(yuǎn)場條件需要測試距離超過100m。在不滿足遠(yuǎn)場條件時,測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)場才能保持穩(wěn)定。

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2、0.8m口徑等幅同相陣列天線方向圖

5、結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

[1] 3GPP TS 38.141-2 V1.0.0. Base Station (BS) conformance testing Part 2: Radiated conformance testing (R15) [S]. (2018-09).
[2] 3GPP TS 38.141-2 V1.0.0. Base Station (BS) conformance testing Part 1: Conducted conformance testing (R15)[S]. (2018-09).
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作者:

任宇鑫 中國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

來源:《信息通信技術(shù)與政策》2018年11月第11期

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