5G毫米波端到端性能測試技術研究

張翔 喬尚兵 王飛龍 魏貴明

【摘? 要】

面向5G毫米波大規模陣列天線基站，創新提出了端到端性能測試系統。從技術原理、硬件架構、系統校準這幾個維討論了如何完成毫米波基站的性能驗證。依據3GPP定義的信道模型，仿真了暗室靜區中的最關鍵指標角度功率譜相似度百分比，并且給出了指標建議。

【關鍵詞】5G;毫米波;空口測試;波束賦形

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.015? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0069-03

引用格式：張翔，喬尚兵，王飛龍，等. 5G毫米波端到端性能測試技術研究[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 69-71.

Research on 5G Millimeter Wave End-to-End Performance Testing Technologies

ZHANG Xiang， QIAO Shangbin， WANG Feilong， WEI Guiming

（China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China）

[Abstract]

A novel end-to-end performance testing system is proposed for 5G millimeter wave （mmWave） base station with massive antenna arrays in this paper. How to accomplish the performance test for mmWave base station is discussed in terms of technical principles， hardware architecture and system calibration. Based on the channel model defined in the 3GPP specification， the similarity percentage of the power angle spectrum is simulated as the most important key metric in the darkroom zone， and then the metric is suggested.

[Key words]5G; mmWave; OTA test; beamforming

0? ?引言

Sub 6 GHz基站性能測試多采用傳導方式，通過信道模擬器儀表模擬傳播過程中的路徑損耗、陰影衰落和快速衰落。以基站64發送通道，終端4通道為例，信道模擬器需支持64×4雙向互易信道模擬。毫米波頻段由于路損和穿透損耗大，對傳播環境更為敏感[1]，因此更需要對基站算法在衰落場景下的性能進行精細研究。但是由于毫米波傳導接口消失，性能測試將轉為OTA方式。

目前OTA吞吐量性能測試方法主要面向終端討論。Sub 6 GHz終端OTA測試規范主要可參照MIMO OTA（Over The Air，空口）規范1.1版本[2]，其主要思想是通過數學優化探頭功率（部分算法需優化相位），實現靜區中的空間相關性分布與信道模型中角度功率譜的傅里葉變換相同[3]。但是目前相關算法并不能用于毫米波基站性能測試，具體原因如下：

（1）角度功率譜與空間相關性雖為傅里葉變換關系，但是由于傅里葉變換非一一對應，因此，存在空間相關性相同，但角度功率譜差別很大的情況[4]，而毫米波波束賦形測試極為重要，若角度錯誤，則測試結果將明顯錯誤。

（2）因為終端一般位置較低，散射體豐富，信道模型定義的終端側角度擴展（一般取值30°～60°）遠遠大于基站側的角度擴展（2°～10°）[5]。傳統MIMO OTA暗室中在圓環中均勻分布的探頭方案（相鄰探頭間距22.5°）無法生成小于22.5°的角度擴展。

（3）終端采用全向天線，而基站采用扇區化天線，因此探頭應分布在基站覆蓋的扇形區域內。

（4）終端運動速度的模擬通過信道模擬器添加多普勒實現，但用戶位置并未真實改變，因此無法支持波束跟蹤和波束切換測試。

目前3GPP對毫米波終端的OTA測試方法討論，已經明確采用PSP（Power Angle Spectrum Similarity Percentage，角度功率譜相似度百分比）作為靜區優化準則，重點保證來波方向的準確性[6]。并且明確采用8個雙極化探頭完成信號接收與發射。但是目前面向終端的討論并不直接適用于基站測試，具體原因如下：

（1）目前討論的測試靜區較小，直徑只有10 cm，遠小于基站的陣面尺寸;

（2）終端運動速度的模擬通過信道模擬器添加多普勒實現，不支持波束跟蹤、波束切換測試;

（3）毫米波終端雖具備波束賦形能力，但波束寬度遠大于基站波束寬度，角度擴展遠大于基站側角度擴展;

（4）目前討論僅針對下行，無法支持雙向測試。

綜上，需要研發全新的面向毫米波基站的端到端性能測試系統。

1? ?系統介紹

1.1? 系統目標

提供全新的面向毫米波基站的端到端性能測試系統，包含除信道模擬器外的全套硬件設備及測試軟件。支持3GPP全部5G毫米波信道模型測試;支持大尺度建模和小尺度建模的同時模擬;支持視距與非視距場景建模;支持上下行雙向信道加載;支持射頻拉遠與多種加噪方式;支持波束跟蹤與波束切換測試。測試結果精確可重復，測試流程高度自動化，測試結果自動統計輸出。

1.2? 方案簡介

如圖1所示，基站端與終端均采用OTA的方式來完成毫米波端到端性能單用戶測試。在基站暗室中，配置方位軸和俯仰軸的二維轉臺可以準確調節5G基站的方位，固定于探頭墻之上的探頭可靈活適配各種信道模型。

以下行為例。雙極化接收下行信號后通過毫米波線纜將信號接入變頻功放箱，通過內部變頻器和多級低噪放設備，保證基站波束指向的鏈路信號滿足信道模擬器入口功率要求，同時信號載頻下降到Sub 6 GHz。信道模擬器加載單向信道衰落模型，經過低頻信道的模型后經過變頻功率箱變到目標頻率，同時保證最強鏈路的信號到達探頭功率滿足要求，終端暗箱中采用高增益雙極化探頭，保證終端的接收功率滿足好點要求。

以上行為例。終端上行信號通過高增益天線接收，經過變頻功放箱變為低頻信號，信號功率匹配信道模擬器的最佳輸入功率，經過信道模擬器添加信道模型后，通過變頻功放箱變為高頻信號，再通過中等增益探頭發射信號至毫米波基站。采用校準天線，通過調整變頻功放箱和信道模擬器的功率，完成上下行校準，保證TDD（Time Division Duplexing，時分雙工）信道模型的上下行互異性。

2? ? PSP仿真

2.1? PSP定義

由于不同的待測設備具有不同的波束選擇能力，因此空間相關性這種與具體設備無關的OTA環境驗證指標不再適用于mmWave（毫米波）MIMO OTA。鑒于此，在mmWave MIMO OTA中，將PSP作為衡量OTA環境的驗證指標。PSP與空間相關性的相似之處在于，其本質目的均是使得OTA系統實現的實際PAS（Power Angle Spread，功率角度擴展）與信道模型的目標PAS盡可能地接近，不同之處在于，PSP指標中加入了待測設備尺寸與波束分辨能力對于PAS的影響。顯然，PSP更適合用于mmWave MIMO OTA。以PSP為優化目標，將獲得具體的探頭位置和功率權重，實現適用于毫米波頻段的信號發射部分的信道建模。

PSP的計算方式為PSP=（1-TVD）×100%，其中PSP的TVD（Total Variation Distance，總偏移距離）又可表示為下式[7]：

TVD=? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，P^t（Ω）為在理想環境下，待測設備所觀測到的PAS分布，其與實際模型與待測設備分辨能力有關。而P^o（Ω）則為在暗室環境中，待測設備所觀測到的實際PAS分布。對于特定目標模型，通過優化暗室中探頭的位置與功率，可使得P^o（Ω）與P^t（Ω）盡可能地接近，進而得到最優的PSP。同樣優化方式下，探頭越多，PSP優化結果越好，但是通道數的增多，會大幅增加系統成本。不同探頭下的PSP仿真將在后續章節給出。

2.2? 仿真結果

如表1所示，視距模型對于探頭數量的要求較低，2個雙極化探頭即可具有90%以上的PSP。然而非視距模型對于探頭數量要求較高，而且隨著探頭數量的減少，PSP值迅速下降。這是因為LOS模型的功率分布較為集中，因此利用少量的探頭即可實現對應的功率分布，而非視距模型功率分布則較為分散，需要的探頭也就更多。

3? ? 結束語

首選分析了現有MIMO OTA測試系統的局限，總結了毫米波端到端性能測試的難點。提出了基于雙OTA暗室的毫米波性能測試系統，支持空間信道衰落雙向模擬，完成5G基站和終端芯片物理層關鍵技術的性能驗證。搭建仿真平臺，給出空間信道建模的最關鍵參數——PSP隨暗室探頭數的變換關系。結果表明，視距模型對暗室探頭數的要求遠遠低于非視距模型。該端到端性能測試系統對于5G基站和終端性能檢驗就有十分重要的作用。

參考文獻：

[1]? ? AGRAWAL S K， SHARMA K. 5G millimeter wave （mmWave） communications[C]//2016 3rd International Conference on Computing for Sustainable Global Development （INDIACom）. IEEE， 2016： 3630-3634.

[2]? ? ?CTIA. Test Plan for 2×2 Downlink MIMO and Transmit Diversity Over-the-Air Performance[Z]. 2016.

[3]? ?KY?STI P， J?MS? T， NUUTINEN J P. Channel modelling for multiprobe over-the-air MIMO testing[J]. International Journal of Antennas and Propagation， 2012：1-11.

[4]? ? ?FAN W， DE LISBONA X C B， SUN F. Emulating spatial characteristics of MIMO channels for OTA testing[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2013，61（8）： 4306-4314.

[5]? ?FAN W， LIORENTE I C， KY?STI P. Over-the-air Performance Evaluation of Massive MIMO Base Stations in Selectorized Multi-Probe Anechoic Chambers[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine， 2016（99）： 1.

[6]? ? 3GPP. 3GPP R4-1904160： WF on NR MIMO OTA CAICT， RAN4 #90bis[R]. 2019.

[7]? ?KY?STI P， HENTIL? L， FAN W. On radiated performance evaluation of massive MIMO devices in multiprobe anechoic chamber OTA setups[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2018，66（10）： 5485-5497.★

作者簡介

張翔（orcid.org/0000-0002-5632-8481）：博士畢業于北京郵電大學，現任中國信息通信研究院技術與標準研究所主任工程師，主持多項國家科技重大專項科研項目，主要研究方向為大規模天線技術，5G OTA測試方法，基站和終端的射頻與性能測試技術，已在國際期刊和會議上發表SCI、EI論文30余篇，申請發明專利20余項。

喬尚兵：碩士畢業于北京郵電大學，現任職于中國信息通信研究院技術與標準研究所，主要從事Sub 6 GHz和毫米波頻段基站及終端芯片MIMO OTA測試算法研究。

王飛龍：碩士畢業于北京郵電大學，現任職于中國信息通信研究院技術與標準研究所，研究方向為5G終端OTA性能與射頻測試算法及測試系統硬件設計。