5G基站架構與測試方案研究

張瑞艷+邵哲

【摘 要】5G網絡作為一套完整的移動網絡，需要比4G提供更高的容量，為了滿足多場景的需求，需要多種站型匹配不同需求，同樣，為了適應新的站型，也需要引入新的測量方案，因此首先對5G低頻段和毫米波基站架構進行了分析論證，研究分析新的測試指標和測試方案，并從可行性、優缺點、難度等方面對測試方案進行對比。

【關鍵詞】5G 基站架構 OTA

中圖分類號：TN929 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2017）19-0076-08

Research on 5G Base Station Architecture and Test Scheme

ZHANG Ruiyan， SHAO Zhe

[Abstract] As the complete mobile networks， 5G networks are required to provide more capacity than 4G. In order to meet the needs of multiple scenarios， different site types are required to accommodate different requirements. Similarly， new measurement schemes are required to adapt to the new site types. Firstly， the low frequency and high frequency base station architectures were addressed. Then， several 5G base station test schemes were put forward. Finally， these schemes were comparatively analyzed from aspects of feasibility， advantages， disadvantages and difficulty.

[Key words]5G base station architecture OTA

1 引言

隨著5G商用步伐的推進，針對5G基站架構的研究越來越重要，與站型匹配的測試指標、測試方案的研究也受到了產業界的廣泛關注。5G的基站架構在通道數量、天線連接方式、拉遠接口等方面和4G基站都有著很大的不同。架構的改變對傳統的射頻測試方案帶來了很多挑戰，傳統的測試方案正在逐步向OTA測試方案轉變，因此本文接下來將對5G基站架構與測試方案進行研究。

2 基站架構

5G和其他代移動通信不同，其業務類型更加多樣化，主要有增強移動寬帶場景（eMBB）、低時延高可靠場景（uRLLC）和低功耗大連接場景（mMTC）三大場景。覆蓋范圍也將更廣泛，主要有宏覆蓋場景、高樓覆蓋場景、低空覆蓋場景、室內覆蓋場景和熱點覆蓋場景。5G的頻段也不僅集中在低射頻頻段，會擴展到毫米波頻段。

2.1 低頻基站架構

目前，工業和信息化部已經公開征求對第五代移動通信系統使用3 300 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz頻段的意見，其中3 400 MHz—3 600 MHz早已被認可為5G試驗頻譜。2017年6月5日，3 300 MHz—3 400 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz被列入作為5G頻譜計劃，4 400 MHz—4 500 MHz也被考慮應用。目前的試驗產品頻段集中在3 400 MHz—3 600 MHz。

（1）宏基站架構

MU-MIMO技術是6 GHz以下頻點提高頻譜效率的最關鍵技術，5G宏站通過引入多發射通道多接收通道，在水平和垂直兩個維度動態調整信號方向，形成信號能量更集中、方向更精準的波束，支持更多用戶在同一RB資源上并行傳輸（上/下行MU-MIMO）。理論上，在信道條件需要的情況下，通道數越多，可以支持傳輸的流數越多。設備實現需要考慮設備的可生產性、成本等因素，通道數不能任意增加。在實際場景中，信道條件也是受限的，支持的最大流數也是有限的。所以設備的通道數和通道的排列方式需要綜合考慮需求、性能、信道條件、可生產性，成本等因素。

5G宏站架構有以下三個關鍵的問題需要重點研究：

1）通道數與陣子數。通道數的變化對設備的成本影響較大，所以設備的通道數選擇需要更多地考慮網絡需求和成本。目前主要考慮64通道、32通道和16通道產品。64通道產品可以提供更大的容量和頻譜效率，32通道和16通道會降低頻譜效率、降低成本。根據網絡的容量需求，選配不同類型的產品，以實現在滿足需求的前提下降低設備成本。考慮到5G現有的試驗頻段在3 400 MHz—3 600 MHz，為了保證和4G網絡同覆蓋，設備的陣子數不能低于128陣子（8×8×2排列），目前有128和192（8×12×2）兩種主流的陣子數。同樣考慮到天面的迎風面積，天面的尺寸不宜過大。在通道數和陣子數進行組合選擇時，需要綜合考慮覆蓋性能和覆蓋范圍。

2）CPRI接口eCPRI接口。隨著通道數的增加，帶寬增大，CPRI接口速率也會倍增，具體如表1所示。

當接口速率攀升到40 G以上時，若采用目前應用廣泛的10 G光模塊，光模塊的數量過大，給結構設計和施工帶來很大的不便，當光線資源受限時，更是無法接受。所以，BBU和RRU之間的光接口數量必須保持有限量。降低接口速率和提升光模塊數量都是解決這一問題的辦法。

eCPRI接口是多通道產品降低接口速率的有效方式。eCPRI接口通過部分物理層功能上移到RRU實現接口速率降低，同時也引入一些棘手的問題，如增加拉遠單元重量、功耗和迎風面積，影響物理層部分的升級能力等。對于重量、功耗和迎風面積本已吃緊的拉遠單元來說，進一步增加了拉遠單元的壓力，如果有新的散熱技術出現，可以有效地緩解這些壓力，eCPRI接口將是一種不錯的解決方案。endprint

采用25 G光模塊和100 G光模塊代替10 G光模塊是降低接口數量的另一種方式，這一方案直接有效地解決了這一問題，并未引起產品接口劃分變化和其他的問題。這種方式的問題在于光模塊本身，光模塊的成熟度和價格影響了此方案的認可度。隨著開發進程的推進以及技術的進步和產業的應用，高速光模塊成熟并價格大幅下滑后，這一方式應該會被更多的設備商接受。

3）CU/DU的分離。5G標準化無線側引入CU（Centre Unit）/DU（Distributed Unit）分離架構，將基站的高層協議處理（PDCP/RRC）分離出來成為獨立的邏輯單元集中處理，底層處理（MAC/PHY）仍保留在站點分布式處理。引入該架構有利于實現多連接、高低頻協作功能，簡化切換流程，同時便于未來網絡平臺開放，但實際部署也面臨網元接口增加導致的運維復雜化、CU集中單元的部署位置與業務時延要求的折中等挑戰。目前標準化正在進一步研究中，后續可根據網絡實際需求選擇不同的部署策略。

（2）室內基站架構

對于室內站，無法像宏站那樣采用大量通道數，通道數應該不大于4通道。有可能采用以下三種架構，三種架構的選擇需要考慮部署的難易度和成本差異。室內站架構如圖1所示：

2.2 高頻基站架構

目前工業和信息化部已經公開征集在毫米波頻段規劃第五代國際移動通信系統使用頻率的意見，其中頻點有24.75 GHz—27.5 GHz和37 GHz—42.5 GHz。毫米波設備目前多數廠家處于原型樣機階段，頻點的選擇也集中在這兩個頻段，目前主流的架構有兩種：Hybird架構和透鏡架構。

（1）Hybird基站架構

Hybird架構的本質是在數字域和模擬域共同完成賦形。如圖2所示，整個基站可以由4 panel構成，可以單panel獨立工作，也可以4 panel聯合工作。每panel對應少量的數字通道2、4、8和大量的模擬通道。數字通道數量有限，模擬通道遠大于模擬通道數量，模擬賦形針對全頻帶進行，無法區分不同的RB、廣播與業務、同一RB的不同流。當panel獨立工作時，賦形功能主要由模擬部分部分完成。當多panel聯合賦形，賦形功能由數字和模擬域共同完成，可支持多波束，賦形能力由數字通道數和panel的數量和排列方式決定。

對于Hybird架構，主要不足有以下三點：

1）通道周期校準難以實現：因為模擬通道數量很可能過百，且分屬于不同的panel，難以設計一套和低頻一樣的內校準網絡。在無法周期校準的情況下，對器件的長期穩定性提出了很高的要求，如果器件的長期穩定性無法保證，會導致賦形不精確、信號質量下降。

2）賦形精度有限：射頻通道數和陣子數之間的設計問題：實現相同的EIRP，射頻通道數和天線陣子數的選擇需要慎重。方案一，采用高功率化合物功率放大器，可以采用相對少的天線陣子，功放壓力大，3 dB波束寬度有10°左右，比較寬，對賦形精確度的容忍度比較高，但是功率放大器的長期一致性比較差。方案二，使用芯片級功放，最大輸出功率有限，器件的功率放大器的長期一致性比較好，但需要更多的陣子數，實現更高的天線增益，3 dB波束寬度只有3°左右，對賦形精確度的要求很高。

3）LO的設計復雜，因為模擬通道數量過多，給本振的設計和分發帶來很多困擾，采用多個本振源，會對多panel的聯合賦形效果帶來影響。采用單本振源，本振的分發網絡會很龐大，易于引入干擾。

（2）透鏡基站架構

透鏡架構的本質是利用透鏡的匯聚作用獲得天線增益，利用饋源的位置不同，實現波束的指向不同。透鏡架構的模擬通道數可以和數字通道數相同，通過1分多的開關選通饋源。透鏡架構賦形無需鏈路校準，只需要正確估計用戶的位置，對應地打開饋源即可，這一特征對器件的長穩特征無特殊要求。透鏡架構模擬通道數少，通道間可以共本振源。透鏡架構示意圖如圖3所示。

透鏡架構可以解決很多Hybird架構難以解決的問題，但是此架構也有自身的不足：

1）模擬通道數少，功率放大器后面需要加入饋源開關，為了獲得相同的EIRP，對功放的輸出功率要求高于Hybird架構。

2）目前透鏡的加工工藝并不是很成熟，體積大、價格貴。

3）透鏡架構即使在信道環境允許的條件下，也難以實現單用戶多流，可實現單用戶兩流。

2.3 小結

目前3.5 G產品的架構比較明朗，實現難度小，更多的是具體架構基于應用場景性價比的選擇；高頻段設備在產品架構實現上還有很多難題需要解決，需要不斷地深入研究和技術突破。

3 5G基站測試方案

3.1 OTA指標的研究

隨著收發通道數量的需求增多，低頻段基站、一體化基站形態會逐漸成為主流。高頻段基站、RRU和天線會呈現高度集成的形態，射頻指標將不再局限于傳統的傳導指標，OTA（Over The Air，空中下載）指標成為5G基站性能指標的演進方向。OTA指標不同于傳導指標，所有的傳導指標都是基于設備的單一射頻通道定義的，OTA指標是基于設備的整體指標定義的。

（1）EIRP

基站產生的輻射發射功率采用EIRP（有效全向輻射功率）作為OTA輻射指標，用于考察設備的波束最大能量輻射能力。EIRP可由設備廠家進行宣稱，在宣稱EIRP的支持值的同時也需要宣稱波束的位置和波束帶寬。

為了對基站每個波束進行EIRP一致性測試，設備廠家需要宣稱參考波束峰值方向和4個最大控制方向的5個EIRP值。如圖4所示，參考波束峰值方向和4個最大波束峰值方向共有5個測試點，可用于EIRP的一致性測試。

測試方式有以下兩種方式：

方式一：直接在廠家宣稱的方向上進行測試，機械安裝上的誤差和波束賦形的誤差都會帶來測試誤差（如圖4所示，黑色點代表宣稱位置，彩色點代表實際位置）。endprint

方式二：在廠家宣稱的方向及其一定角度內進行多點測試，找到最大值，認定為EIRP，這種做法可以消除機械安裝帶來的誤差，同時也消除了賦形方向不準帶來的誤差，而賦形方向的準確性本身是設備應該具備的能力，不應該被消除。

（2）ACLR

OTA ACLR指標和傳導ALCR指標定義相同，都是定義主信道輸出功率和鄰道無用信號的比，相對于主信道的輸出功率，鄰道的總輻射功率對于相鄰系統的吞吐量有更大的影響。對于OTA ACLR指標需要考慮空間的總輻射功率情況，其定義方式如下：

其中，EIRPe是鄰道信號的EIRP；p1和p2代表兩個不同的極化。

OTA ALCR的指標測試需要兼顧測試柵格和測試時間綜合考慮，目前對于5G NR OTA ALCR的測試方法3GPP正在討論中，對于MIMO產品，波束賦形后絕大部分能量都會集中在某一方向上，如果能夠獲得集中絕大部分能量的方向角度，且鄰道的能量在相同的方向角度范圍內也集中了絕大部分能量，便可以將ACLR的考察范圍確定在一定的方向角度范圍內，這也是減少測試時間的一種方案。

（3）EVM

OTA EVM的指標是由廠家宣稱EVM方向范圍，基站需要在OTA EVM的宣稱范圍內滿足EVM的性能指標。對于OTA EVM的一致性測試，需要保證在最大控制方向和EVM范圍中心都滿足EVM的性能測試。OTA EVM的一致性測試范圍如圖5所示。

盡管3GPP定義的EVM的測試點和EIRP基本一致，是某一方向的點指標，對于EVM來說，本文認為有必要關注EVM范圍中心和宣稱最大控制方向的波束3B帶寬內的指標，以保證用戶不在波束發現方向時，仍能獲得符合指標的信號質量。

（4）EIS

OTA的靈敏度指標采用有效全向靈敏度（EIS）進行定義，用于考察設備的極限接收能力。EIS是基于宣稱的一個或多個宣稱OTA靈敏度方向（OSDD）范圍，如果基站沒有OSDD目標重定向功能，其OSDD的宣稱范圍可如圖6所示：

如果系統具有目標重定向功能，可宣稱更多范圍的OSDD靈敏度范圍。如圖7所示，有五個方向的到達角范圍。

所以，EIS指標和EIRP指標相比，EIS是宣稱方向的宣稱范圍內的指標，而EIRP僅是宣稱方向的指標。EIS的測量是非常耗時的，在每個測試點都需要通過迭代測量獲得EIS的值。

（5）OTA參考靈敏度

目前的OTA參考靈敏度指標正在3GPP的eAAS中進行討論，用于考察設備的抗阻塞接收能力，其定義的OTA靈敏度是基于和非AAS設備同樣的到達角范圍，OTA參考靈敏度（EISmin）的推動公式目前有如下結論：

其中，LRX是設備內部連接帶來的損耗；D0是和AAS站型具備相同覆蓋能力的非AAS基站的天線增益；Doff-peak是指標余量。

按照以上定義推導，EISmin基本等效于1個發射通道的OTA指標，這一點和NR OTA指標定義設備整體的射頻指標不一致，目前此內容尚在討論階段，修改D0的定義，重新定義為D0是和AAS站型具備相同覆蓋能力的非AAS基站的天線的增益與多通道聯合接收增益的和，以實現EISmin代表整個系統的性能。

（6）天線方向性

目前的天線方向性并未寫入3GPP，原因主要是3GPP從未定義過天線指標，天線指標和網絡建設直接相關，難以定義。但是對于一套完成的AAU設備而言，不定義天線的方向性指標，設備的輻射能力、組網能力的指標將無從考察。因此，會繼續研究天線的方向性指標的制定，并推動標準化組織采納。

（7）小結

如上所述，5G基站的OTA指標更多是基于EIRP、TRP或EIS進行定義，再延續傳導指標定義方式的同時，引入方向性維度，將原有的單通道指標轉變成設備整體指標。OTA指標目前尚未完成全部測試例的討論，指標也會變化和增加。

3.2 測試方法的選擇

在傳導指標向OTA指標演進的過程中，對于6 GHz以下，傳導指標和OTA的指標將同時存在。實際上無需用兩種測量方式同時考察設備的性能，需根據設備指標特點以及操作的便利性進行選擇。本文主要針對表2中的8個指標進行選擇分析。

天線指標作為設備的必測指標，必須采用OTA測試，對于部分OTA指標，可以隨著天線方向性指標一起獲得，如ACLR、EIRP，同時也可以進行EVM測試，但是EVM測試會影響測試效率。雜散指標需要進行傳導測試。對于上行，EIS sensitivity比靈敏度更能體現設備的接收性能，優先選擇OTA測試。對于ACS和阻塞指標，目前OTA測試環境不具備，需要選擇傳導測試方案。

（1）OTA測試方法分析

目前主要存在三種OTA測試方案：近場測試方案、遠場測試方案和遠近場結合測試方案。

1）近場測試方案分析

近場測試方案是目前比較流行的無源天線測試方案。為了匹配有源設備測試，近場測試方案做了很多的研究、改造和試驗工作。近場測試方案分為多探頭測試方案和單探頭測試方案，無論是哪種測試方案，都面臨著無法測試所有OTA測試例的問題。主要問題是近場測試方案需要進行遠近場變換的過程，變換是基于幅度和相位進行的，而非有用信號和有用信號擁有不同的幅度和相位，變換后無法精確地保留確切的信息。即使通過技術可以解決這一問題，對于非全向的指標，如EIRP、EVM、EIS等定點或部分范圍指標，基于變換需要，仍需要采集全向的數據信息，這一點將大大降低測量效率。

近場EIS的測試項需要測試系統和待測設備間進行數據通信，此通信接口的開放和標準化工作，也是近場測試方案研究和驗證的一大障礙。

2）遠場測試方案分析

遠場測試方案是最直截了當的方案，測試系統和待測設備間除了狀態類通信外，不需要數據類通信。相比近場，遠場對于場地尺寸要求比較大。目前有很多遠場已建，所以場地的尺寸并不影響遠場方法的應用。遠場與近場不同，結果數據是直接獲得的，不需要進行變換，可以靈活地根據不同測試項的角度需求，定制設置角度，節省時間。比如天線方向性指標，需要測試全向指標，對于EIRP、EVM、EIS等定點指標，僅測試部分點的指標即可，不需要進行全向測試，可以大大地節省測試時間。endprint

遠場還需要進一步提高全方向測試項的測試效率，加強轉臺的靈活度，采用多維度可旋轉、平移轉臺，提高測試的轉速，合理優化轉臺的旋轉方式等方式都可以提高效率。如圖8所示。

3）近遠場組合測試方案分析

近遠場組合測試方案是指同一場地支持遠場和近場兩種測試系統，部分測試項在遠場測試，部分測試項在近場測試，兩種測試系統共享同一安裝轉臺，無需二次拆卸、安裝和調制設備。這一方案既擁有近場在部分全方向測試項高效的優點，又擁有部分測試項在遠場測試直截了當的特點，在兼具了兩個場地優點的同時，又避免了設備在兩個場地之間拆卸、安裝和調試的麻煩。這一方案的不足是對于場地的要求比遠場還要稍大一些，兩種方案在一個場地之間的屏蔽需要謹慎的處理，轉臺需要特別的設計以適用兩個場地，甚至需要增加導軌，成本比較高。

（2）小結

對于上面介紹三種方案和已經實施的遠場+近場的測試方案，從可行性、優缺點、難度等方面進行比較分析，如表3所示。

對于毫米波，隨著設備的口徑變小，即使是遠場，對于遠場的尺寸要求也變小了很多，遠場方案的優勢會更加明顯。

4 結論

本文在分析5G低頻基站架構及高頻基站架構的基礎上，提出了幾種5G基站測試方案，并從可行性、優缺點、難度等方面對幾種方案進行比較分析。和4G基站相比，5G的基站架構、測試指標和測試方法都有巨大的變化，很多問題已經明確化，如室外宏站采用多通道站架構、測試向OTA方向演進等。但仍有一些問題需要繼續研究、推動，需要進行大量的分析、驗證工作，并且需要運營商、設備商、暗室廠商、測量方案解決商和儀表商的共同努力。

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