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一. 5G 概述

  隨著移動通信系統(tǒng)帶寬和能力的增加，面向個人和行業(yè)的移動應(yīng)用快速發(fā)展。移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，成為 5G 的主要驅(qū)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(qū)動數(shù)據(jù)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(huán)境下也能夠獲得一致的業(yè)務(wù)體驗；物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，智能家居、智能電網(wǎng)、視頻監(jiān)控、移動醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用對移動通信技術(shù)提出了更嚴(yán)格的低延時、高可靠性、大容量等需求。在新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)中，能耗、每比特成本、部署和維護的復(fù)雜度等可持續(xù)發(fā)展要求也進一步加強。目前從 5G 標(biāo)準(zhǔn)化進程來看, 3GPP 第一個 5G 版本 Rel.15 已經(jīng)于 2017 年 12 月份正式凍結(jié),也就是NSA(非獨立組網(wǎng))核心標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)凍結(jié)，并于 2018 年 6 月完成 SA(獨立組網(wǎng))規(guī)范，5G 關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下四個方面：

1, 毫米波 

   所謂毫米波，即波長范圍 10 到 1 毫米之間，也就是頻率在 30GHz 到 300GHz 之間的無線電波。傳統(tǒng)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(jīng)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(xiàn)狀，同時也可以實現(xiàn)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(huán)境影響等缺點，如果真正想要在毫米波頻段實現(xiàn) 5G 的各種業(yè)務(wù)，還有待進一步研究和解決這些問題。

2, 大規(guī)模 MIMO 技術(shù) 

        MIMO 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于 LTE，WLAN 等技術(shù)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(guān)注的技術(shù)之一，多天線技術(shù)經(jīng)歷了從無源到有源，從二維到三維（3D），從高階MIMO 到大規(guī)模天線陣列的發(fā)展，將有望實現(xiàn)頻譜效率提升至十倍甚至更高，是目前 5G 技術(shù)重要的研究方向之一。

3, 高帶寬傳輸 

   根據(jù)香農(nóng)定律可知，信道容量與帶寬和信噪比成正比，為了滿足 5G 網(wǎng)絡(luò) Gbps 級的數(shù)據(jù)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(xù)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(shù)，比如大規(guī)模 MIMO 等，在高帶寬模式下可以很容易實現(xiàn) 10Gbps 的傳輸速率。

4, 新型空中接口技術(shù) 

   為了進一步的提高頻譜利用率以及應(yīng)用的靈活性，3GPP Release 15 定義了新型的 5G NR 空口技術(shù)規(guī)范，新的空口技術(shù)規(guī)范包括新型編碼技術(shù)和新型參數(shù)集和幀結(jié)構(gòu)。新型編碼技術(shù)，目前 3GPP 會議確定在增強移動寬帶場景（eMBB）中的數(shù)據(jù)信道使用 LDPC 編碼技術(shù)，控制信道使用 Polar 編碼技術(shù)；提到新型參數(shù)集和幀結(jié)構(gòu)，為了應(yīng)對不同頻段和場景，在 5G 系統(tǒng)中規(guī)定以 15KHz 為基礎(chǔ)子載波間隔，可以將子載波間隔配置為 15*2^n KHz。同時，系統(tǒng)還需要支持靈活的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計，幀結(jié)構(gòu)靈活配置，以支持上下行業(yè)務(wù)速率不同需求的場景。

   羅德與施瓦茨公司提供了 5G 幾乎所有相關(guān)的測試解決方案，如下圖所示，包括了寬帶和毫米波矢量信號產(chǎn)生和分析、空中信道衰落特性測試、毫米波元器件測試、5G NR 信號產(chǎn)生和分析、Massive MIMO 傳導(dǎo)和 OTA 測試、以及基站和終端測試等各個方向。

二. 自定義非標(biāo) OFDM 信號產(chǎn)生和分析

   在5GNR 標(biāo)準(zhǔn)未凍結(jié)之前，基站和終端芯片廠商都在研究自定義的 5G 新波形和多址方案，由于這一類的研究活動保密性較強，很少有公開文檔來描述信號詳細(xì)特征，并且過程中參數(shù)隨時可能變化，具有很大的不確定性。這就要求信號源和頻譜儀能夠支持自定義的 OFDM 信號產(chǎn)生和分析，并且能夠靈活地適配各種 OFDM 參數(shù)設(shè)置。

   自定義 OFDM 信號分析軟件(VSE-K96)支持客戶自定義子載波間隔、循環(huán)前綴長度、幀結(jié)構(gòu)、參數(shù)集、調(diào)制方式等，按照被測信號形式生成配置文件，對被測信號進行解調(diào)和分析。

     VSE-K96 軟件中可以在以時頻域為基礎(chǔ)，顯示被測信號在時頻域的資源分布，占用的子載波和時域符號，并且以不同顏色區(qū)分不同信號類型，幀結(jié)構(gòu)解析示意圖如下：

    同時針對 5G 系統(tǒng)采用的新型多址接入技術(shù)和新型編碼技術(shù)，基于 R&S 公司的后處理軟件也可以在解調(diào)分析的基礎(chǔ)上進一步進行解碼功能測試，示意圖如下：

三. 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的 5G NR 信號產(chǎn)生和分析

   3GPP NSA 的 L1/L2 規(guī)范已于 2017 年底正式凍結(jié)，羅德與施瓦茨公司隨之于 2018 年初提供完全符合3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的信號產(chǎn)生和解調(diào)選件 SMW-K144 和 FSW-K144/K145，支持 Sub6G 和毫米波，支持協(xié)議中定義的各種帶寬和參數(shù)集配置，滿足 5GNR 發(fā)射機和接收機測試，以及像功放和終端 RFIC 研發(fā)測試需求。

    SMW 的 5GNR 選件 SMW-K144 提供了實時信號生成能力，無需通過電腦事先生成波形文件導(dǎo)入信號源，所有設(shè)置操作都可在帶觸摸屏的 SMW 上完成，另外頻譜儀 FSW 的 5GNR 解調(diào)軟件 K144/K145 其界面風(fēng)格和 4G LTE 相近，給 5G 研發(fā)工作帶來了極大的方便性。

四. 有源天線系統(tǒng)的 OTA 測試

   5G 的空分復(fù)用為多個用戶提供數(shù)據(jù)，稱 將使用多天線技術(shù)，通過結(jié)合增強為大規(guī)模 MIMO。一個結(jié)論是不能采用傳導(dǎo)方式評估輻射方向圖性能，因此必需通過 OTA 方式。本文在介紹使用 OTA 測試設(shè)備測量天線三維方向圖的技術(shù)要點之后，介紹 OTA 的具體測試方案。

   5G 在獲得更低運營成本（ OPEX）的同時確保更高的吞吐率、更多的容量和實現(xiàn)的靈活性。其它目標(biāo)包括超可靠低延遲通信（uRLLC）和大規(guī)模機器類通信（mMTC）。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和大規(guī)模MIMO 多天線場景很可能是實現(xiàn)這些目標(biāo)的技術(shù)選擇。

   為了獲得更高的吞吐率必須有更寬的帶寬支撐， 5G 系統(tǒng)將使用厘米波和毫米波范圍的頻率。這種方案的一個缺點是自由空間路徑損耗將更大。提供更高天線增益的天線陣列可以補償自由空間路徑損耗。與900MHz 相比，為了在 28GHz 頻率上保持相同的接收功率，意味著天線增益要增加 30dB。使用大量天線單元并控制能量方向，這被稱作波束賦形，可以實現(xiàn)這個目標(biāo)。

   波束賦形技術(shù)通過分配給每個用戶設(shè)備（UE）的信號只瞄準(zhǔn)相應(yīng)的單個用戶設(shè)備，顯著降低了能量消耗。而沒有使用波束賦形的基站，未被 UE 接收的能量可能對相鄰的多個 UE 產(chǎn)生干擾，或者被直接丟棄。諸如 LTE 或 WLAN 等的當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)采用 MIMO，通過空分復(fù)用獲得較高容量。多用戶 MIMO 技術(shù)使用波束賦形，通過同時發(fā)送數(shù)據(jù)到不同的多個 UE，擴展了 MIMO。術(shù)語大規(guī)模 MIMO 描述了根據(jù)硬件配置和信道條件，波束賦形和多天線空間復(fù)用以動態(tài)方式的結(jié)合（圖 1）。

圖一：大規(guī)模 MIMO：波束賦形和空分復(fù)用組合

大規(guī)模 MIMO 面臨的挑戰(zhàn) 

雖然大規(guī)模 MIMO 具有許多優(yōu)點，但也存在一些挑戰(zhàn)，包括：

    1. 前傳接口連接的高吞吐量

    2. 天線陣列校準(zhǔn)

    3. 天線單元間的相互耦合

    4. 不規(guī)則的天線陣列

    5. 天線陣列的復(fù)雜性

大規(guī)模 MIMO 遭遇的挑戰(zhàn)還來自如何表征信號，測量天線陣列功率的要求不曾在傳統(tǒng)使用電纜傳導(dǎo)接口的場合出現(xiàn)過。

   有意義的表征只能使用 OTA（Over-The-Air）測試實現(xiàn)。主要因為：成本、高頻率下進行耦合帶來的高插損等原因使得電纜測試方法不可行；以及大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)將無線收發(fā)器集成到天線中，這導(dǎo)致失去射頻測試端口。具體的測試方法有以下幾種。

近場測量和遠(yuǎn)場測量方案

   OTA 測量系統(tǒng)可以根據(jù)取樣哪一部分輻射場來分類。近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)由 Fraunhofer 距離 R=2× D2/λ 定義，其中 D 是******天線口徑或尺寸。在近場區(qū)，在小于 R 的距離處，場強由感應(yīng)分量和輻射分量組成；而在天線的遠(yuǎn)場區(qū)僅有輻射分量場強。對于到遠(yuǎn)場區(qū)的數(shù)學(xué)變換，需要精確測量包圍被測設(shè)備三維表面上的相位和幅度，由此產(chǎn)生天線的 2 維和 3 維增益圖。遠(yuǎn)場區(qū)測量僅需要用幅度計算天線的波束圖，如果需要也可以在 OTA 單點處測量。對于小型設(shè)備（取決于波長），例如用戶設(shè)備，對于遠(yuǎn)場條件所需的暗室尺寸由測量波長決定。對于較大的設(shè)備，例如基站或大規(guī)模 MIMO，所需的暗室尺寸可能變得非常大。如果測量系統(tǒng)能夠精確地對整個封閉表面上的電磁場的相位和幅度進行采樣，則暗室尺寸可以大大減小。在遠(yuǎn)場區(qū)開展測量，需要直接測量平面波幅度，并且這樣的暗室通常相當(dāng)大，暗室大小要綜合考慮被測設(shè)備尺寸和測量頻率。

圖 2：OTA 測試系統(tǒng)

   羅德施瓦茨提供完整的 OTA 測試方案，如圖 2 所示。測試系統(tǒng)由微波暗室，放置待測物的轉(zhuǎn)臺，天線搖臂以及測試儀表（網(wǎng)分，信號源，頻譜儀等等）。根據(jù)測試的項目，選擇合適的測試儀表，基于高精度的 3D測試定位裝置，在被測物周圍的球面做自動化的采樣測試，并記錄所有的采樣數(shù)據(jù)。采樣完成后，測試軟件會進行數(shù)據(jù)后處理，得到 5G 天線陣列的 3D 方向圖等數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)，分析得到其他的測量指標(biāo)結(jié)果。

緊湊型測量方案

    雖然遠(yuǎn)場通常是在離開被測設(shè)備適當(dāng)距離處測量，但是可以通過控制電磁場，使得近場暗室可以用于直接測量平面波幅度。有兩種技術(shù)：? 緊湊型區(qū)域暗室，最經(jīng)常用于大型被測設(shè)備，如飛機和衛(wèi)星；? 平面波轉(zhuǎn)換器（PWC）：在被測設(shè)備處創(chuàng)建平面波，這可以通過天線陣列替代測量天線實現(xiàn)。類似于在光學(xué)系統(tǒng)中使用透鏡，天線陣列可以在被測設(shè)備區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)區(qū)位置生成平面遠(yuǎn)場。下圖為 2018 年 R&S 新推出的面向 sub-6G Massive MIMO 基站的測試系統(tǒng)：R&S PWC200。

         R&S?PWC200 平面波轉(zhuǎn)換器由上百個寬帶 Vivaldi 天線陣列組成，能夠在原本輻射近場距離制定區(qū)域內(nèi)形成平面波，從而達(dá)到遠(yuǎn)場測試的效果，因此大幅度的縮小遠(yuǎn)場測試空間。PWC200 可以實現(xiàn)實時輻射功率和收發(fā)器測量（EVM，ACLR，SEM 等），是測量 5G Massive MIMO 基站相控天線陣列的理想原則。

毫米波終端研發(fā)與一致性測量方案

    羅德與施瓦茨公司 2018 年推出的新型 R＆S ATS1000 測試暗室（圖 4）能夠幫助開發(fā)人員和產(chǎn)線工程師對天線模塊，收發(fā)器，芯片組和無線設(shè)備進行 5G 空中（OTA）測量。 天線和收發(fā)器的測量可以在 18 GHz 到 87 GHz 的頻率范圍內(nèi)進行。 因此該系統(tǒng)支持目前 5G 所關(guān)注的所有毫米波頻段。 另外，緊湊的測試室設(shè)計仍然可以實現(xiàn)在遠(yuǎn)場情況下測量移動設(shè)備。

    - 用于天線陣列的快速 OTA 測試

           R＆S ATS1000 主要由一個 RF 屏蔽室，以及覆蓋整個頻率范圍的寬帶測量天線構(gòu)成。屏蔽室體積為機架尺寸，并且裝有腳輪，有利于待測物件與傳感器的合理裝配。 使用相關(guān)的測試和測量設(shè)備以及 R＆S AMS32 天線測量軟件，可以在幾分鐘內(nèi)完成 5G 天線陣列的輻射方向圖的精確測量。 定位激光器有利于精確控制待測物件的擺放位置。 所有這些賦予了 R＆S ATS1000 天線測試系統(tǒng)快速，準(zhǔn)確，可重復(fù)性強的特點，使其成為一套理想的測試環(huán)境。

          - 首例 3GPP 5G NR 射頻測量

    通過結(jié)合 R＆S ATS1000 與 R＆S TS8980 5G RF 測試系統(tǒng)，用戶可以從 OTA 的測量中得到相關(guān)的RF 參數(shù)（例如：功率，ACLR 和 EVM）。 這點對 5G 測試來說非常關(guān)鍵，因為許多 5G 組件沒有任何射頻接口，無法在傳導(dǎo)模式下進行測試。 另外，該系統(tǒng)能夠?qū)?5G 器件進行全面的 3D 表征，驗證測量和功能測試。 羅德與施瓦茨的一致性測試方案會結(jié)合業(yè)界成熟的 R＆S CONTEST 軟件將結(jié)果以 3D 圖形的形式呈現(xiàn)出來。

   結(jié)論

   天線陣列將在未來的無線通信中發(fā)揮重要作用。然而在它們的研發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)中遇到的挑戰(zhàn)使得完整測試對于實現(xiàn)******性能至關(guān)重要。射頻測試端口消失以及使用厘米波和毫米波頻率，使得 OTA 測試成為表征大規(guī)模 MIMO 陣列和內(nèi)部收發(fā)器性能的必要手段。這將會推動 OTA 暗室和測量設(shè)備的大量需求，以便滿足測量天線輻射特性和收發(fā)器性能的嚴(yán)格要求。R&S 擁有傳導(dǎo)測試和 OTA 測試完整的解決方案，可以滿足 5G 陣列天線的測試需求。

五. 5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋測試

    針對國內(nèi)已經(jīng)開始部署 5G 小規(guī)模試驗網(wǎng)，第一步就是基站選址及鏈路損耗測量。對此 R&S 公司提供可支持到 6GHz 的掃頻儀，可用于 3.5GHz、4.8GHz 等頻點的實測。具體的系統(tǒng)搭建是“信號源+放大器+發(fā)射天線”來模擬 5G 基站發(fā)射，“掃頻儀+路測軟件+接收天線”來模擬 5G 接收終端，按照路測的方式讓掃頻儀在不同地點測試鏈路的實際損耗，從而幫助客戶優(yōu)化基站選址，驗證鏈路損耗仿真結(jié)果。

    伴隨著 5G 小規(guī)模試驗網(wǎng)的部署，干擾查找也是一個熱門的話題。對此 R&S 發(fā)布了專用的干擾定位儀MNT100，MNT100 配備的強大的預(yù)選功能以及無與倫比的實時處理速度，能夠快速的定位各種突發(fā)干擾信號。此外 MNT100 配合測向天線 ADD207 以及自動無線電定位軟件 Mobile Locator，通過測量信號到達(dá)角度（AOA，Angle of Arrival）的方式有效的克服多徑傳播帶來的干擾查找定位誤差，從而實現(xiàn)快速的自動化干擾查找。

六. 5G Sub6G 方案特點及優(yōu)勢總結(jié)：

SMW200A:

?單表選配雙通道射頻信號產(chǎn)生，避免了多表之前連線同步和多表設(shè)置，極大簡化和方便了5GNR 接收機如鄰信道選擇性或接收互調(diào)等測試

?單表選配信道衰落模擬，支持 5GNR 38.901 衰落場景，滿足 5G 第 8 章接收機性能驗證

?支持或可升級支持 2*100 MHz 的 5GNR 信號同時產(chǎn)生，滿足在 3.5G 和 4.9 GHz 的 200MHz總帶寬測試需求

?單表支持業(yè)界******的 2GHz 射頻帶寬，******的 2GSa 存儲深度 -- Sub6G 比較難找超大帶寬應(yīng)用場景

?無需電腦實時信號產(chǎn)生

FSW:

? 射頻第一段到 8 GHz，8GHz 在以上才使用 YIG 濾波器，而競爭對手 3.5GHz 開始使用 YIG 濾波器，在 3.5 ~ 8 GHz 范圍內(nèi)頻響指標(biāo)值遠(yuǎn)不如 FSW，影響在 3.5 和 4.9GHz 等 5G 頻段測量的功率準(zhǔn)確度

? 150 MHz 到 8 GHz 頻率范圍內(nèi)底噪典型值可達(dá)-169 dBm/Hz，滿足共址共站對儀表底噪能力的高要求

? 電子衰減器支持頻率至 13.6 GHz(KS 只能到 3.6 GHz)，自動化測試頻繁切換也不懼磨損老化

? 業(yè)界最高的+15 dBm 的 1dB 壓縮點，滿足高動態(tài)范圍的信號測試

? 2GHz內(nèi)置分析帶寬好像聯(lián)系不大上

內(nèi)置免費的MSRA功能，得確認(rèn)下現(xiàn)在是否已經(jīng)集成進去了5GNR160MHz 分析帶寬到 320MHz 分析帶寬軟件激活即可，方便從 100MHz 的 5G 解調(diào)升級到 200MHz的 CA 解調(diào)

七. 總結(jié)

    本文介紹了 5G NR 標(biāo)準(zhǔn)化狀態(tài)以及業(yè)界遇到的測試測量挑戰(zhàn)，同時介紹了 R&S 公司針對 5G 研發(fā)/生產(chǎn)/一致性/認(rèn)證一整套測試解決方案。目前第一個 5G 版本 Rel.15 的非獨立組網(wǎng)和獨立獨網(wǎng)核心標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)凍結(jié)，所以通信廠商對于 5G 設(shè)備研發(fā)測試需求開始爆發(fā)。羅德與施瓦茨公司的矢量信號發(fā)生 SMW200A，矢量信號分析儀 FSW，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 ZVA/ZNBT，同時 R&S 公司也將緊跟 5G 標(biāo)準(zhǔn)，力爭為 5G 技術(shù)的發(fā)展提供完整優(yōu)質(zhì)的測試方案。