5G测试：与电缆说再见

Testing 5G: Time to Throw Away the Cables

Moray Rumney

是德科技，英国苏格兰爱丁堡

早在2010年8月，《Microwave Journal》就曾发表过一系列名为《MIMO主宰者（Masters of MIMO）》的文章，以我的概述性文章《MIMO天线：尚未被发现、尚未被关注、尚未被测试！（The MIMO Antenna: Unseen, Unloved, Untested!）》作为开篇。当时我就预测到，MIMO空中（OTA）测试是我在长达20年的标准开发经历中所遇到的最大挑战。回顾过去的六年，我现在可以看到，我低估了这一挑战，因为在CTIA和3GPP内部开发MIMO OTA测试方法的工作仍处于验证的最后阶段。同时，MIMO标准的复杂程度也已经显著增长，从最初的LTE第8版发展到了第14版中的LTE-Advanced Pro。就在我写作本文的时候，天线设计人员仍未确定支持第8版标准的设备接收机的基本2x2 MIMO性能要求。

本文的重点是展望未来，对新一代（即第五代）标准测试挑战进行说明。由于我们曾经低估了4G（LTE）基础MIMO OTA测试的标准化难度，因此很难在早期对新一代标准做出预测。但是，下面是我做出的尽量准确的猜想：第五代移动通信的出现将彻底改变我们对蜂窝系统设计、测试和运行的认识。其主要原因在于，为了实现众多关键的5G目标，我们需要一种新的空中接口，这种接口能在毫米波（mmWave）频段（即28GHz及以上）运行，信道带宽约为1GHz或更高。为了克服这些工作频率上的无线传播路径损耗，我们假定基站和移动设备都需要结合中型或大型天线阵列（在基站一侧有时称为大规模MIMO）才能维持可用的链路预算。其结果是得到一种依赖于链路两端波束控制天线的5G空中接口，应用于稀疏和高动态的3D窄波束传播环境。

对于4G，MIMO OTA测试是由传统电缆测试演变而来，它既明显又实用，但MIMO OTA从来不是4G的关键，因为支持MIMO的设备已经面世多年。未经测试的静态天线至少起了作用，尽管我们并不知道其作用有多大。然而，具有大量天线阵列的毫米波设备不能使用电缆进行测试，因为不可能为每个天线元件添加连接器。此外，天线阵列的动态（有源）性质意味着不可能从单个天线元件的测量外推端到端的性能。所以，为了进行5G测试，不管我们想还是不想，现在真的是到了跟电缆说再见的时候了！

4G MIMO OTA测试采用基本的2x2传输模式和静态2D几何图形，相比其测试挑战，我们似乎可以肯定地预测，5G测试将面临更大的困难。如果说我们所看到的由3G到4G的过渡是一次演进的话，那么5G将是一场革命。最后我想要说的一点是，我们没有多少时间了！业界的目标是在2020年内部署5G，这就对毫米波OTA测试解决方案和要求提出了需求，而期限只有开发当今所用的基础4G MIMO OTA测试方法时的一半多点——即使不考虑性能要求。

转向辐射测试

表1对整个行业需要解决的、跨越产品生命周期的各种类型设备测试进行了汇总。每个区域都有对成本和复杂性的特定需求。设计验证和生产测试将在标准机构之外进行，而射频/基带一致性和辐射性能测试方法和要求将由3GPP规定。

除了2009年开始实施的UE MIMO OTA工作之外，3GPP还于2011年开始执行用于基站有源天线阵列系统（AAS）的辐射测试标准1。通常来说，与移动设备一样，所有基站射频的参数，例如输出功率、灵敏度、阻塞/杂散和误差矢量幅度（EVM）都已在天线连接处进行了测量；实际的基站天线影响不予考虑。然而，随着第13版中FD-MIMO的引入，基站天线的有源特性意味着不含天线的有线测试不再足够满足要求，这一点已形成共识。这使得3GPP要开发用于基站的第一批辐射测试方法。

目前，仅定义了总辐射功率（TRP）和总辐射灵敏度（TRS）测试，更多测试将在第14版演进的AAS（eAAS）工作项目中开发出来。当今的AAS使用四种定义的测试方法之一来表征静态视距信道中的天线，这四种方法均比UE MIMO OTA测试方法更简单。然而，AAS工作的方向是，当工作频率接近毫米波时（此时会有多个天线元件，而没有天线连接器），基本的5G设备测试将发生什么。

在进行OTA测试时，使用电缆直接进行测试变得更加复杂。以阻塞为例：阻塞的要求源于2D空间系统仿真，并且基站阻塞水平是从三个空间分离的移动设备的功率求和得出。在传导域中，这看起来像是添加到有用信号的全向功率。然而，如果我们回到辐射域，应如何构建阻塞信号？重建系统级参数意味着空间分离阻塞信号与定向基站天线相互作用，因此需要对所有空间组合和频率进行详尽测试，这将使得当今已经时间很长的测试更加费时。因此，对于如何开发AAS和最终的毫米波OTA测试，我们仍需做出艰难的选择。

毫米波信道模型

在AAS和eAAS中我们遇到了挑战，要用视距辐射等效测试替代当前的射频和解调测试，在现实无线环境中，性能测试领域也存在最大的测试挑战。这一测试领域自2009年以来一直由UE MIMO OTA占用，它也是下文的重点。有用性能测试的核心是正确理解无线电传播环境。传统的有线性能测试对接收机而言就像是全向衰落信号，并且这类测试的某些方面可以保留用于毫米波接收机。更重要的是辐射性能测试，它必须考虑链路两端的天线方向图以及传播环境，所有这些都是高度动态的。相比之下，UE MIMO OTA甚至都比不上在公园散步，而是像坐在公园的长椅上。

对于低于6GHz的4G系统，选择2D空间信道扩展模型（称为SCME）就已足够2，而实施这些模型的测试方法已经开发出来。在毫米波频率上，我们需要开发新的信道模型，这是3GPP开发5G新无线电（即目前所称的NR）的第一批任务之一。首次公开的这些6至100GHz频率范围内的模型3以现有随机模型为基础扩展而来，而现有随机模型系针对低于6GHz的频率开发。这是3GPP面对国际电联IMT-2020（5G）项目的紧迫时间表而做出的务实反应，以便新无线电开发的下一阶段可以开始。除了随机模型之外，初始的信道模型集包括备选的混合模型。其基础为使用环境中的静态大规模参数，基于地图进行确定性建模，并针对行人或车辆这类能在统计上更好建模的小规模参数采用随机建模。

是德科技携手布里斯托大学，作为欧洲地平线2020项目mmMAGIC的一份子，一直在5G的许多方面（包括信道建模）开展研究，以期满足毫米波蜂窝系统功能测试的需求。图1所示为布里斯托大学在这种研究中采用的60GHz信道探测器。该系统提供具有2GHz瞬时信道带宽的实时矢量信道分析，并且可以轻松适应不同的频段（如71至76GHz或28GHz）4。信道探测功能通过重复传输单载波信号工作，该信号承载了具有优秀自相关性质和低峰均功率比的调制波形。该系统使用具有12至15度3dB波束宽度的天线，已经用于角衍射、漫射表面散射和波束指向算法研究。

图1：具有2GHz实时信道带宽的60GHz信道探测系统

角落衍射研究

图2所示为研究角落衍射的实验布局。推车上的接收机移动通过中庭的内壁，与墙壁保持不同的距离，以研究从非视线到视线的过渡。

图2：布里斯托大学Merchant Venturers楼用于角衍射测量的中庭。

结果（图3）表明，信号在60GHz时为准光学特性，信号在约为20厘米的非常短的距离内下降30dB。仿真4显示，在距离墙壁2米的地方，移动40厘米会导致60GHz信号下降25dB，而3.5GHz信号仅下降8dB。这表明，在毫米波频率下采集和追踪信号的速度必须比在低频率下更快。

图3：各种角衍射研究的接收功率与距离。

混合结构墙壁表面散射研究

信道探测系统安装在一台推车上，用于研究局部环境下不同表面材料的散射性质（图4）。图5所示为包含窗户的混合表面墙壁的结果。根据不同的表面，接收功率显示出巨大的变化。这相当于用户走过窗户，但由于身体屏蔽的关系，他只能收到街道对面发射机的反射信号。

图4：表面散射测量的设置。

图5：混合结构表面（a）和来自第一散射脉冲（b）的接收功率测得值。

图6所示为针对玻璃反射信号进行的信道内分析。垂直极化传输信号的功率与信道带宽（2GHz）在左上方的迹线中以黄色显示。蓝色迹线（下图）所示为残余水平功率，表明镜面反射良好，具有接近平坦的频率响应。这与粗糙墙壁反射的信号形成了鲜明的对比（图7）。

图6：玻璃反射的信号的信道内分析。

图7：粗糙墙壁反射的信号的信道内分析。

除了粗糙岩石上显著的25dB功率损耗之外，左上方迹线中的信道内分析显示出，在较低的1GHz信道带宽内存在极化分集的完全损耗，其后是较高的1GHz信道带宽内传输的垂直分量。图8所示为玻璃到木材过渡处的信道内分析。左上方迹线的信道平坦度显示出，在中间信道有20dB的下降，这是在右下方的时域图中可以看到的1ns强反射的结果。

图8：玻璃到木材过渡的信道内分析。

图9所示为沿着路线再远8毫米处进行同样测量的结果。尽管距离很短，但是由于60GHz处5毫米波长引起的相位抵消，信道的频率响应已经完全改变。这是“地弹”效应的例子，两个强信号可以通过长度相差极小（30厘米）的路径到达接收机。这样的差异导致2GHz信道带宽的巨大变化，这意味着，当用户以某种速度移动时，此信号非常难以解调。

图9：玻璃到木材过渡的信道内分析，其中推车的位置沿着行进路线稍有变化。

波束控制仿真研究

在该仿真中，用户沿走廊移动了2米，并且通过计算镜面反射和漫反射来研究波束控制的好处（图10）。发射机（左侧）与用户（右侧）之间有屏障阻挡了视线。上部墙壁为粗糙的混凝土，下部墙壁为光滑的石膏板。仿真中使用的墙壁表面的介电常数和K因子以实际材料的测量为准。发射机具有32根天线，接收机有8根，因此，潜在的波束赋形增益为24dB。由于其介电常数的缘故，粗糙混凝土的镜面反射比石膏板的反射高6dB，但在用户移动的2米内是恒定的。但是，图11显示出，每个表面的漫射功率存在很大差异，取决于用户的移动。

图10：走廊的射线跟踪研究。

图11：来自两个墙壁表面的漫反射功率。

图12所示为波束赋形的效果。下面的两条迹线所示为镜面和漫射分量（两种表面结合）的可用功率，分量使用了链路两端的各向同性天线（即无波束赋形）。上面的两条迹线反映出链路的两端做出了“理想”的波束赋形选择，产生约为20dB的更多功率。该仿真显示了六个可用的波束指向角（图13）。为了在用户沿着走廊移动时捕获到最大功率，发射机和接收机需要快速改变各自指向的表面和角度。通过使用最佳波束选择作为100%来执行功率分布的累积分布函数（CDF）分析，仅指向最佳单混凝土墙壁反射（波束2）在95%的置信度处具有5dB损耗，而最佳单石膏板反射（波束2）则具有17dB的损耗。

图12：理想的波束赋形使得仿真接收功率增加约20dB。

图13：各种波束和表面的接收信号功率随用户移动的变化。

这个简单的仿真显示了毫米波信道的动态程度，催生了在链路两端应用复杂的波束控制算法以优化性能的需求。相比之下，近期在2.6GHz的商用设备上进行的3GPP测量显示5，即使是对于MIMO OTA测试中采用的定向SCME城市微信道模型，360度转身一圈的性能波动通常也会小于3dB。具有固定天线的毫米波设备只会在可用角度的一部分中工作，此时信号源和接收机信号的方向恰巧重合。

毫米波性能测试

此处讨论的有限几个毫米波传播示例对5G OTA性能测试所面临的挑战进行了说明。这种变化性尚未由初步随机信道模型预测，但可以使用更先进的混合信道模型来预测。在射频领域，我们面临的挑战是“我的信号有多好”；而在毫米波领域，我们则遇到了新问题“我的信号在哪里”。可控天线只能做到这一步，为了提供足够的服务质量，毫米波网络很可能不得不依赖于多站点连接。这将确保用户设备可以同时监视、采集并追踪可用的视距基站和环境中的强反射，目的是在子帧级执行切换，以保持连接性和低延迟。冗余与CDMA系统中内置的软切换概念并没有很大区别，该概念用于处理小区边缘的信号问题。在射频下始终可以返回到4G，但它不会提供5G性能。

要正确测试5G系统，首先需要选择足以反映所选环境的适当信道条件。这一点必须考虑快速变化的信道内损伤，以及由物理环境和动态因素（例如车辆和设备移动以及身体/手）引起的多个阻塞源。现实的测试系统不得不仿真类似的条件，但毫米波下的3GPP6也需要吗？

两阶段（RTS）方法依赖于天线方向图的测量，然后将其与信道模型卷积，以创建信号并用于天线后接收机中的设备测试。由于毫米波系统特别依赖于可控制的天线，因此，RTS方法在设备的黑盒一致性测试中并没有起到明显的作用，但是在设备的开发过程中它可能有用7。混响室加信道仿真器（RC+CE）方法能够产生随机反射，尽管它没有任何特定的方向控制，对反射计数的控制也有限，而是由混响室内的衰减控制的。我们不清楚混响室在毫米波测试中会起到怎样的作用，尽管它们有可能用于不需要空间控制的某些电缆替换测试。多探头暗室（MPAC）测试方法具有扩展到毫米波频率的潜力。

图14所示为典型的8x2暗室平面图。MPAC系统中的可用区域由两个属性确定：静区和较小的测试区。静区是功率得到控制的区域，并且主要由相对于信号波长的舱室尺寸决定。在毫米波频率下，静区不成为问题。较小的测试区域是指能对测试信号的相关性加以控制，从而创建任意2D空间信道的区域。测试区域的大小由探头的角度间隔决定，8x2探头可在开始衰落之前提供0.7λ的理想测试区域，采用16x2探头可将此区域扩大到1.6λ。然而，在60GHz下，波长仅为5毫米，这相当于仅为12.5毫米的测试区域。我们可以使用更多的探头来进行扩展，但成本会成为一个重要的考虑因素。

图14：8×2 MPAC测试系统。

毫米波OTA可能需要一个替代测试概念。方法之一是采用具有少量毫米波远程射频前端（RRH）的暗室，射频前端与具有信道仿真能力的L1/MAC基带收发信号机耦合（图15）。

图15：Limited scope毫米波测试系统。

这样的系统无法任意生成任何空间信道，尽管它可以带来各种各样的潜在用例，包括阴影衰落和信道内损伤（如频率选择性的地弹和多普勒频移）。这样就会对设备在测试序列中采集和追踪多个信号的能力进行测试。射频的SCME需要任意到达角，而不能生成具有任意到达角的空间信号并不太重要。在毫米波频率下，大多数信号已经具有10至15度的窄波束宽度，这一宽度可由单个天线产生。

总结

作者希望本文能够帮助读者了解并为毫米波频率下5G测试所面临的挑战做好准备，几乎所有测试均为不使用电缆的OTA测试。与当今的射频OTA测试相比，我们面临着巨大的挑战，因为现有的测试方法只有有限的可扩展性，并且时间也非常紧张。业界应当以此为关注点，事实上，在3GPP早期的NR讨论中，5G可测性就已经引起了注意。■

鸣谢

是德科技特此感谢布里斯托大学的Tom Barratt、Alberto Loaiza Freire、Wenfang Yuan、Evangelos Mellios和Mark Beach为此所付出的努力，感谢ICT H2020项目mm-MAGIC（用于第五代集成通信的基于毫米波的移动无线接入网络）以及EPSRC通信博士培训中心（CDT），授权号EP/I028153/1。

参考资料

1. 3GPP TR 37.842 v2.0.0, “Radio Frequency (RF) Requirement Background for Active Antenna System (AAS) Base Station (BS).”
2. 3GPP TR 25.996 v13.0.0, “Spatial Channel Model for Multiple Input Multiple Output (MIMO) Simulations.”
3. 3GPP TR 38.900 v14.0.0, “Study on Channel Model for Frequency Spectrum Above 6 GHz.”
4. 3GPP R1-162872 Keysight Technologies, “Initial 60 GHz Channel Sounding Results from the mmMAGIC Project for Corner Diffraction and Surface Scattering.”
5. 3GPP R4-161069 Keysight Technologies, “Root Cause Analysis of AC Method Differences,” Figure 1.
6. 3GPP TR 37.977 v14.0.0, “Verification of Radiated Multi-Antenna Reception Performance of User Equipment (UE).”
7. M. Rumney, Y. Jing and H. Kong, “Practical Active Antenna Evaluation Using the Two-Stage MIMO OTA Measurement Method,” EuCAP 2014.