適用于5G的射頻OTA測試技術研究

2019-04-17 來源:《信息通信技術與政策》 我要評論(0) 字號:

摘要:在5G之前的基站射頻指標測試大多采用傳導測試的方法,但在5G時代由于Massive MIMO技術的應用,使得傳導測試的復雜程度大幅度上升,而且傳導測試完全表征基站射頻性能。本文介紹了5G 關鍵技術對射頻指標測試的影響,然后通過對3GPP標準的解讀,分析傳統測試在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5G 基站射頻指標的測試方案及其改進方案。

關鍵詞:Massive MIMO;射頻指標;OTA;5G空口

1、引言

無線通信設備的發射和接收性能決定著其在通信網中的表現。在設備研發和生產階段對設備進行性能測試顯得尤為重要。從2G、3G時代,到LTE及今后的5G,無線設備性能測試會變得越來越重要。大規模天線陣列技術的使用使得5G時代射頻性能測試會有別于傳統測試方法。從4G開始,各手機終端廠商開始逐漸重視空口OTA(Over-the-Air)測試,不僅因為國內外形成了終端輻射性能測試標注,也因為OTA測試更能反映設備在實際應用中的表現。OTA測試技術也從僅為了通過終端認證過渡被廣泛應用到研發和生產的各個環節。

5G無線通信技術使用的MassiveMIMO技術,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構上分離,根據3GPPTS38.141 標準,基站還是可以通過傳導測試,但是空口測試也被提到標準之中。在毫米波頻段射頻與天線已經不能分開,射頻指標測試只能在空口進行。在5G之前,所有基站對射頻指標的測試都使用傳導方式,終端僅僅對TRP(全向輻射功率)和TIS(全向輻射靈敏度)進行OTA測試,對其他射頻指標的測試還沒有大量的論證。本文將結合5G無線通信的特點,研究適合于5G的射頻指標OTA測試方法。

2、5G新技術對射頻測試的要求

2.1 傳導測試與空口OTA測試

在射頻測試中,分為傳導測試與空口(OTA)測試。傳導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,會在吸波暗室中進行。基站射頻的傳導測試在4G 及以前被廣泛使用,不僅因為其簡單易行且成本較低,更因為基站在生產加工時,射頻模塊與天線分別生產再組裝到一起,由不同的廠家合作而成。射頻模塊生產廠家使用頻譜儀、信號源等儀表將關于通信收發器件與功率放大器相關的指標測試完成,而天線部分由天線生產廠家在微波暗室中將方向圖、增益等指標測試完成。但是在5G無線傳輸中,MassiveMIMO的使用使得基站天線與射頻收發模塊集成在一起才更能發揮出波束賦形、MIMO等通信算法的功能。基站的OTA測試目前主要針對發射功率、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,但是波束賦形的功能需要射頻模塊的協同才能工作,毫米波的5G 基站天線已經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行。3GPP 已經明確低頻和高頻的射頻一致性測試,如EVM、ACLR、OBUE等指標的測試,都將采用OTA方式。經過各廠家的討論,遠場、近場、緊縮場都可作為測試場地。

2.2 Massive MIMO與波束賦形

在5G無線技術中,MassiveMIMO是較以往通信系統區別最大的技術。4GLTE 時代使用的MIMO稱之為2D-MIMO,以8 天線為例,實際信號在做覆蓋時,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射出去;而MassiveMIMO,是信號水平維度空間基礎上引入垂直維度的空域進行利用,所以MassiveMIMO稱之為3D-MIMO。相比傳統天線,MassiveMIMO具有以下諸多優勢:

(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十個移動終端提供服務。
(3)提供了更多可能的到達路徑,提升了信號的可靠性。
(4)提升小區峰值吞吐率。
(5)提升小區平均吞吐率。
(6)降低了對周邊基站的干擾。
(7)提升小區邊緣用戶平均吞吐率。

從數學原理上來講,當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行區分,大幅降低干擾。雖然理論上看,天線數越多越好,系統容量也會成倍提升,但是要考慮系統實現的代價等多方面因素,因此現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,一個射頻端口至少對應2 個天線,射頻端口至少為64T ×64R 的MassiveMIMO矩陣,手機終端至少4×4 MIMO。在傳統傳導射頻測試時,基站與測試儀表至少要連接64 個射頻通道進行測試,終端至少4 通道,這給射頻測試帶來更多的復雜度。

2.3 5G新技術對射頻測試的要求

目前,國內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,國內采購的大部分系統其測試頻段均在6GHz以下,且軟件配置中沒有射頻指標OTA測試選項。大部分已部署的多探頭測試系統實驗室對有源MassiveMIMO基站測試時獲取相位信息也沒有相應的解決。如果使用遠場測試系統直接進行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,其系統造價成本非常昂貴,國內更是少之又少。

5G無線技術中,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)如何準確評價波束指向的準確性、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,相較于傳統的單頻點方向圖測試,寬帶方向圖測試的效率需要解決。
(4)原來傳統的射頻指標(例如ACLR、EVM 等)均與方向圖有關,只能通過OTA測試。

3、3GPP標準對5G基站測試的要求

傳導與空口測試在3GPPTS 38.141 中均做出了規定,但是目前還缺少統一的測試方法和大量的測試案例,所以標準中對傳導和空口測試均可做測試標準。

3.1 輻射發射測試項

本文對3GPPTS 38.141 中的輻射發射測試項做了統計,具體參見表1。

表1、各輻射發射測試項及其評價方法

輻射發射測試項包含了所有的傳導測試項目,大部分的測試項目與傳導測試重疊。

3.2 輻射接收測試項

本文對3GPPTS 38.141 中的輻射接收測試項做了統計,具體參見表2。

表2、各輻射接收測試項及其評價方法

4、針對5G的緊縮場測試系統

緊縮場是一種近距離實現電磁波相位準直的場地,將球面波在近距離轉換為平面波。原來多用于軍事領域,用于對雷達天線、雷達射頻仿真和目標散射特性測量和研究。隨著移動通信技術的進步,為了滿足遠場測量條件,本課題將緊縮場測量技術引入民用無線通信測量。緊縮場技術在民用移動通信領域的應用與原有的緊縮場測量場地特點不同,在傳統軍用緊縮場中,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,因此系統在設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的測量需求。

傳統緊縮場天線測量系統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行TRP、TIS 等指標測量時效率不高。在緊縮場系統中引入多探頭方案可以有效提高系統測試效率,使整個系統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附近。如圖1 所示,偏焦后的探頭可以在緊縮場原有靜區附近形成與原靜區有一定夾角的平面波,從而實現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的測量效率,但是饋源偏焦后,天線口面的相位不再嚴格保持恒定,或者從饋源偏焦的位置經反射面到達天線口面的總光程與y 不完全保持直線關系,因而會增加某些誤差。

圖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,多探頭布置于反射面焦點位置附近,傳統單探頭方案智能提供一個通道,根據對偏焦的分析,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,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方案主要依賴靜區位置的偶極子天線校準。

在緊縮場環境中,待測天線處于遠場環境中,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生器發射5G調制信號,通過寬解調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臺的要求較高,要求多自由度轉臺能夠快速精準地實現待測天線角度調整。

為了實現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,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?范圍內配置饋源的數量可以超過100 個。探頭數量越多,測量效率就越高,相應的對各個探頭的校準要求就越高。

緊縮場是在5G天線測量中唯一能夠在近距離直接實現遠場測量的場地,由于5G(基站)天線的射頻端口不開放,傳統采用以矢量網絡分析儀為核心的測量S 參數獲取方向圖的方法不再適用。如果天線電尺寸很小,遠場距離很容易滿足,則傳統的球面近場掃描、準遠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,滿足遠場距離的長度較長,測試成本高昂。傳統的天線測量方式有多種,每種方法都有各自最為適用的環境,5G天線測量與傳統天線測量方法有相似點但是又有很多獨特之處。本文以覆蓋0.8m測試區域,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 發布的5G頻段范圍為例,表3 對各主要天線測量手段進行了分析。

表3、不同環境下天線測量方法參數對比

準遠場測量在TRP/EIRP、TIS/EIS、EVM等典型射頻指標的測量上與其他遠場測量相比并沒有明顯劣勢,這些射頻指標對于是否滿足遠場條件相對不敏感,但是對于天線方向圖的測量則需要滿足遠場條件,以0.8m口徑的24.75~27.5GHz 天線為例,滿足遠場條件需要測試距離超過100m。在不滿足遠場條件時,測量得到的天線方向圖與真實值差距較大。從圖2 中可以看出,方向圖隨著距離的增加而變化,直至達到遠場才能保持穩定。

圖2、0.8m口徑等幅同相陣列天線方向圖

5、結束語

本文介紹了5G通信的關鍵技術MassiveMIMO,并分析了射頻測試傳導與空口測試的區別,列出了3GPP 標準對5G基站空口測試的指標要求。最后,本文介紹了緊縮場測試系統,并分析了適合5G射頻OTA測試的多饋源緊縮場測試系統。

參考文獻

[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).
[3] 中國信息產業網. 東莞移動全面推進4G 網絡5G 化[J/OL]. (2017- 11- 01) [2018- 11- 1]. http://www.cnii.com.cn/wireless/2017-11/01/content_2007389.htm.

作者:

任宇鑫 中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師
郭宇航 中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師
陳祎祎 電信科學技術研究院碩士研究生

來源:《信息通信技術與政策》2018年11月第11期

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