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5G测试技术进展与挑战
材料来源:《微波杂志》2018年3/4月刊           录入时间:2018/3/29 18:31:43

5G测试技术进展与挑战

Progress and challenges of test technologies for 5G

蒋政波1、洪伟1、苏天择2、张念祖1、余超1

1:东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室;2:上海创远仪器技术股份有限公司

5G已经成为全球信息通信产业新的研究热点。测试测量技术对移动通信产业的健康发展起着重要的支撑作用,是不可或缺的关键环节。相比3G4G通信系统先立标准再做测试,5G的测试技术开发起步更早,对5G标准制定和产品开发具有先导作用。本文以信道测量与信道模拟、射频模块测试、芯片、基站、终端测试、无线网络规划与优化测试等产业化进程为主线,介绍了不同阶段5G测试技术与仪器的需求、挑战及最新进展。

当前信息通信产业面临新的变革,日新月异的应用业务导致移动互联网的数据传输量呈爆炸式增长,种类繁多的智能设备、差异化的连接需求对无线通信传输技术和体系架构提出了全新挑战[1][2]。第五代移动通信系统(5G)致力于应对多样化的场景和极致的性能要求,主要技术场景可以归纳为:连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠[3][4]

5G技术路线包含基于4G LTE的技术演进和全新空口两部分[5]。5G的空口技术框架中,大规模天线阵列(Massive MIMO)、超密集组网(UDN)、新型多址和全频谱接入都被认为是潜在的5G关键技术。大规模天线阵列有效利用空间维度资源,大幅提升系统频谱效率和用户体验速率,是连续广域覆盖场景最主要的赋能技术之一;超密集组网通过微型小区间的相互协作,大幅降低小区干扰,在局部热点区域显著提升网络容量;新型多址能够成倍增强系统的设备连接能力,并通过免调度机制降低信令开销和终端功耗;全频谱接入通过挖掘低频和高频资源,进一步满足5G的高速率、大容量需求。

2013年以来,美国、欧盟、日本、韩国等国家与地区陆续启动了5G研发计划,力求在未来的5G技术与商业竞争中抢占战略制高点[6]。在标准化进程方面,3GPP已于2016年初启动了5G标准研究项目,并于2017年12月在里斯本宣布完成了首发版5G NSA新空口标准的制定,计划于2018年在3GPP R15中完成第一个完整版本的5G标准。

从2014年开始,中国政府通过国家863计划、国家重大科技专项等科技计划支持国内5G技术研究,于2013年成立了IMT-2020推进组,聚合产学研力量,推动5G研究和国际合作,并陆续发布了5G愿景与需求[3]、5G概念[4]、5G无线技术[5]、5G网络架构[7]等一系列白皮书。2016年1月,IMT-2020推进组启动了5G技术研发试验,进行候选关键技术评估、促进技术标准制定,计划于2018年和2020年分别完成技术研发试验和产品研发试验。

一直以来,测试技术都伴随着每一代移动通信赋能技术协同发展。各类测试仪表和测试系统支撑着整个无线通信产业链方方面面的需求,涉及产品的预研、验证和生产等各个阶段。5G的测试测量技术要先于设备和终端产品出现,从而推动5G标准的形成和完善。目前,在IMT-2020 5G推进组的组织下,已经完成了第三阶段5G无线测试规范的制定工作。

近年来,国内外研究机构、运营商、设备厂商、芯片厂商和仪表厂商纷纷开展了5G关键技术的验证和原型机测试[8]。根据中国的5G研发测试规划,下一步将对厂商推出的技术方案进行测试,最后将基于小规模网络对各类5G典型业务进行系统测试。

相比3G、4G时代的传统测试,5G三方面的技术特性使测试仪器与方法面临巨大的挑战和变革:

a)        高于6GHz的微波、毫米波频段的引入;

b)        超大带宽信号(数百MHz甚至数GHz)的产生、接收和存储;

c)        大规模天线阵(64、128通道甚至更多)的设计与应用

5G信道测量与建模

无线信道是整个无线通信系统的核心研究内容之一,它的物理特性由信道冲击响应(CIR)、路径损耗、多普勒时延、功率时延(PDP)、到达角度(AOA)等一系列参数表征。信道测量能够帮助我们提取这些真实的MIMO信道参数,为后续的5G信道建模和标准化提供重要的参考。信道测量系统的基本结构如图1所示,它包含了信号发射/接收仪器和测量分析软件。

15G信道测量系统

随着5G技术的发展,传统的3G、4G信道测量系统既不能达到更高的性能指标,也无法应对全新的测试挑战:第一、目前对于毫米波信道特性的了解不够,传统的专用信道测量设备升级成本巨大,基本无法覆盖6~100GHz频率范围内的灵活测量;第二、信道测量系统中的仪器仪表产生、接收和存储超高速基带信号的能力有待提高;第三、大规模天线阵的引入极大地增加了信道测量仪表的运算量和成本,多通道射频收发组件成了必选项,同时软硬件平台需要支持海量数据的分析与信道参数提取。

近年来,世界各国的企业和学术机构针对5G信道测量推出了多种解决方案。美国是德科技(Keysight Technologies)基于其已有的优势产品进行组合,提出了一种毫米波MIMO信道测量系统[9];德国R&S公司提出了同时支持室内和室外时域信道的快速测量方案,该方案频率最高可达100GHz,带宽最大可达2GHz[10]。许多研究组织和机构,如METIS、NYU WIRELESS[11]、mmMAGIC、MiWEBA和3GPP等,在5G毫米波信道测量和建模方面也取得了丰硕的成果。

目前几种主流信道模型,如WINNER模型[12]、COST 2100模型[12][13]、METIS 2020模型[13]等,因具备可拓展性和合理的复杂度而受到关注。这些候选的5G信道模型适用于特定的场景和频段,采用的数学方法也不尽相同,但都是基于对大量信道测量结果的分析总结。2016年6月在韩国釜山召开的3GPP会议上,业界首个5G高频(6-100GHz)信道模型标准获得通过。然而目前尚未形成能贯穿5G的高低频段并综合5G无线技术的统一信道模型。此外,尽管开展了大量的5G信道理论建模和实测建模工作,已有的研究成果往往受邻近天线间的空间相关性和互耦性制约,天线排列形式较为简单,对于传播条件及天线特性的假设过于理想化,且局限于特定应用场景,难以准确表征各种实际信道特性。

5G信道模拟

无线通信系统在进行外场试验时,虽然处于真实的信道环境,但存在受气候影响大、机动性很差、试验成本高等一系列缺点,而且试验过程无法重复。MIMO信道模拟器(图2)的出现使得研发人员能够在实验室内模拟各种典型的无线信道环境,灵活地控制和改变信道参数,尽早定位性能问题,大大降低了测试成本,显著提高了测试效率[14]。因此,在每一代移动通信技术的发展进程中,测试厂商都将信道模拟器纳入重点研发的范畴,5G也不例外。

作为5G的关键技术之一,大规模天线技术能够在大幅度降低发射功率的同时,提高信道容量和频谱效率[15]。但是,大规模天线系统中基站天线数是现有MIMO系统天线数的十倍甚至百倍以上,这成为了当前4G/LTE信道模拟器升级优化的一大瓶颈:大规模天线技术固有的“导频污染”(pilot contamination)问题,直接影响基带信道估计算法、反馈机制、干扰控制和同步方案[16-18];信道模拟器中的数据吞吐量随着天线阵列规模的扩张而急剧增大,这对于基带处理单元的运算资源、存储空间、总线速率要求极高;射频系统的设计需要保证多个通道间的隔离度和幅相特性的一致,通道校准复杂度加大。

2MIMO信道模拟系统

目前,Anite公司(已于2015年被Keysight收购)的高端信道仿真器Propsim F32具有32射频通道、40MHz带宽的平台能力,通过多台组合可支持64x8的MIMO信道模拟,但是该仪器目前只支持6GHz以下频段,且最大带宽仅为80MHz,无法应对5G测试高频段、大带宽的挑战;思博伦公司的Vertex信道模拟器可支持32射频通道和最高100MHz带宽的配置,能够满足MIMO波束赋形、MIMO OTA、Massive MIMO的测试需求,但工作频率最高为5.925GHz,仅能满足5G低频段的部分测试需求。2017年,国家科技重大专项(03专项)专门设立了课题,支持5G大规模天线信道模拟器的研发,目标是研制128通道、500MHz带宽并覆盖毫米波频段的信道模拟系统,全面满足5G信道模拟的测试需求。

射频模块及天线阵测试

大规模天线阵及射频前端是影响5G系统性能的关键部件,主要由DAC/ADC、T/R组件、频率合成模块、多波束天线阵构成。T/R组件包括滤波器(Filter)、混频器(Mixer)、功率放大器(PA)、低噪声功率放大器(LNA)等射频元件,每个元件有各自的一组性能指标和相应的测试方法,这一点跟目前传统的射频测试基本相同。图3展示了射频测试中常用的激励端源类仪器和接收端分析类仪器,并对各类仪表的功能加以说明。其中,矢量信号发生器和信号分析仪是通信领域中指标体系最为复杂、整体性能最为优异的测量仪器,具有广泛应用。5G射频测试中,它们的工作频段需要覆盖0~110GHz的范围,同时支持200MHz甚至数GHz的矢量信号带宽。频率覆盖方面,国外台式高端矢量信号源频率已超过40GHz,矢量信号分析仪工作频率已达80GHz以上,而矢量带宽指标直至近两年才有了新的突破。R&S公司2016年2月在巴塞罗那展出了全球首台频率40GHz且内调制带宽可达2GHz的矢量信号源产品SMW200A。在分析仪方面,R&S的FSW和Keysight的UXA单台仪器的最大信号分析带宽已达到或超过1GHz。实现数GHz带宽的信号发生与分析,主要技术难点包括射频通道均衡、高动态高采样率的模数转换、高速数字信号处理及数据传输等,而仪表对各类性能的要求又极为苛刻。

3:测试RF T/R组件的仪器

天线阵测试中,矢量网络分析仪是主要测量仪器之一。目前由于缺乏单台大规模多端口矢网产品,在大规模多端口天线测试中,通常用三种方案解决:一是单台多端口矢量网络分析仪分步测试,这种方案成本相对低廉,但是忽略了天线单元间的耦合特性,测试速度较慢。第二种方案将多台多端口矢网分析仪级联,例如用8台8端口矢网进行级联测试64单元的天线阵(图4),通过校准可以精确测试每个天线单元的实际驻波比参数,测试速度大幅提升。但是,当前多端口矢量网络分析仪的研发仍然存在一些技术难点,比如端口间的串扰会严重制约测试动态范围,多端口的校准时间也将影响测试效率。第三种方案是传统双端口矢网加开关矩阵切换测试,这是对以上两种方案的折中,成本相对较低,但是速度也较慢,且开关矩阵的使用也会引入测量误差。目前国内外少数仪表厂商正在研制真正的单台大规模多端口矢网,在通道间串扰、快速校准以及成本控制等方面需要有新的突破。

4:大规模天线阵测试

OTA(over the air)测试[19]是5G天线阵测试的另一个重要内容,主要基于两点原因:一是天线阵的全向辐射功率(EIRP)、等效全向灵敏度(EIS)等方向性指标必须通过OTA进行测试,这和4G MIMO OTA测试原理相同;二是5G高频段工作于微波甚至毫米波频段,天线与T/R将进行一体化的设计以降低损耗、提高匹配性,此时T/R组件的大多数指标无法进行有线的传导测试,而且射频电路的发射功率、灵敏度等诸多性能指标又与天线的特性相互影响,难以单独评估。东南大学毫米波国家重点实验室正联合国内外仪表企业,针对此类问题展开深入研究。

芯片、基站与终端测试

虽然5G相关技术及标准发展进程尚不明朗,但作为产业链中的重要组成部分,芯片、终端、设备厂商和运营商正在紧锣密鼓地开展5G原型产品的研发,推出具有竞争力的解决方案。据了解,现有的5G终端样机中,有的支持数千兆比特的高速传输,有的支持低至毫秒级的延时,而有些终端(特别是物联网终端)则支持长达10年的电池续航;高通、展讯、联发科等主流芯片厂商纷纷部署5G芯片研发,其中高通5G芯片已有原型产品。设备厂商已经推出128个通道的一体化基站,对于这类新形态基站测试技术的研究也已提上日程。终端多样化、场景复杂性和海量连接,给5G芯片、终端和基站测试带来了巨大的挑战[20],现有的4G/LTE测试仪表难以满足这些需求。

5G终端测试中,终端综测仪用来模拟基站的部分功能,测试终端在网络条件下的射频性能指标,或配合信号源、信号分析仪(含频谱仪)等传统测试仪表完成各类一致性测试,包括射频一致性、协议一致性、RRM一致性测试等。一方面,如何模拟海量终端对于终端模拟器的设计是个巨大的挑战;另一方面,5G终端形态多样,现有测试仪表也需具备更优的可扩充性和兼容性。此外,物联网的典型应用场景,如智能水表、智能停车等,终端工作方式特殊,需进行相应的低功耗测试来评估电池自放电情况和终端休眠机制,目前业界缺乏一种成熟的测试方法来量化终端的功耗指标。其它的测试系统,如NV-IoT测试系统、5G终端卡接口测试系统、信令监测仪等,都是5G终端测试不可或缺的组成部分。值得关注的是,5G终端测试趋于集成化,即以一套综合测试系统取代多套分立的系统,如图5所示。

55G终端综合测试系统

类似于终端测试,芯片厂商对于5G测试仪表的需求贯穿于芯片的研发、产品认证和批量生产阶段。具体来说,需要测试仪表能够模拟网络功能,验证和评估射频方案,完成芯片功能/性能认证以及最终的生产测试。为了便于操作,进一步的需求则包括了配套可支持测量项目配置和测量结果显示的软件、可与其它仪表集成搭建测试系统、支持远程控制等等。由于毫米波技术在芯片领域的广阔应用前景,芯片元件的尺寸趋于微型化。此外,物联网行业的终端芯片大多基于低功耗的要求,重新进行硬件设计,简化协议栈及通信套件,芯片研发周期成本大幅降低,因此传统芯片测试体系也面临模块的精简和灵活化配置问题,以降低测试成本,提高生产效率。

基站测试用于确定基站设备是否满足系统的通信质量指标、与其它设备的接口要求以及系统内和系统间的电磁兼容指标,从而确定系统能否正常运行。5G基站测试既需要矢量信号源、频谱分析仪、功率计等通用仪表,也需新型终端模拟器和信道模拟器来搭建大连接测试系统和覆盖测试系统,测试特定上下行业务模型下的负载容量极限和过载协调能力,评估不同信道条件下的系统性能。未来,这些测试仪表需要依据相应的5G测试规范,持续优化升级,满足5G性能需求,支持更加丰富的应用场景。另外,由于大规模天线阵列的引入,5G的基站天线通常集成有64个阵元甚至更多,这其中涉及到原型机设计、测试方法、测试指标、测试效率等多方面问题亟待解决。

网络规划与优化

国内外5G试验网络正在如火如荼的建设当中,网络的规模还将进一步扩大,需要大量测试测量仪器为模型校正、覆盖测试、干扰排查等工作提供支撑,网规、网优测试方案要能缩短测试时间、减少测试成本。

4G/LTE网规、网优测试中,扫频仪的应用价值得到了充分的体现。扫频仪与分析软件平台相结合,可以自动、高速扫描和解析2G/3G/4G空口信号,广泛应用于网络覆盖、干扰和邻区优化分析。在未来的5G网络建设中,扫频仪依然会承担重要角色,一方面可以与2G/3G/4G/5G信号发射机搭配,测试网络站址、天线布放位置及覆盖效果,指导5G网络部署和规划;另一方面可以和测试终端组成一个完整的路测系统,对空中接口信息进行完整的采集和测试。

当前,5G网络规划和优化将面临以下几个方面的严峻考验:第一、5G网络将采用与LTE完全不同的网络架构,5G的网络逻辑架构将由接入平面、控制平面、转发平面组成,通过网络切片(Slicing)技术,衍生出多种按需构建的组网架构[7];第二、需要配备多通道(如64、128通道)网络测试仪器,时延、信道平衡、接收灵敏度等技术问题需要妥善解决;第三、运营商目前大力开展的室内覆盖测试中,手持式便携测试仪表受到推崇,这要求网络测试仪表趋于芯片化和软件化;第四、4G网络中的云计算和大数据会在5G网规、网优中继续保持强势,从网络测试仪表的角度而言,需要搭建起具有更强数据回传能力和信号分析处理能力的平台,及时反馈网络覆盖状况,便于运营商在现场对网络进行调整。

随着业界对5G重视程度的不断加大,国际和国内厂商都在争夺5G的测试市场,LTE的网优测试产品已经较为成熟,而5G网规、网优的产品才刚刚起步。由于目前多以试验网为主,实际用户很少,通过传统的终端模块测试方式很难发现网络中存在的问题。5G最终测试标准尚未确定,也让各大网优测试厂商的解决方案并未有大的进展。5G网络技术仍处于积累阶段,还不够成熟,其相应的网规、网优测试仪表也有待市场的验证。

结束语

总体来说,在强大的市场需求驱动下,当前5G测试进展迅速,国内外顶尖仪表企业和高校等研究机构紧密合作,不断涌现出新的研究成果和产品,但是仍然存在一些基础性、先导性的问题亟待解决,包括新测试指标体系的确立、新测量原理的探索和新测量平台的开发。随着这些科学与技术问题的突破,无论对于5G产业的发展,还是对于通信测试仪表行业自身,都将带来极大的推动作用。

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