5G無線通信終端空中接口性能測試分析

李登國

（玉樹州無線電監測站，青海 玉樹 815000）

0 引 言

通信系統包含有線通信和無線通信兩大類。有線通信的載體是有形的線纜，而無線通信的載體是無形的電磁波。有線通信和無線通信有著各自的協議規范，定義了移動終端和基站之間的通信規則。信息化時代移，動通信技術已發展到第五代，也就是人們常說的5G。5G將采用全新的組網架構模式，如圖1所示，提供了兩種架構圖[1]。在全新的架構下，移動終端和基站之間的通信協議需要重新制定。因此，5G無線通信終端空中接口性能的測試也是開發者和企業一直研究探討的話題。

圖1 5G組網架構圖

1 空中接口的定義與架構

空中接口（Over-The-Air，OTA）是一個定義化概念，是相對于有線通信中的線路接口來說的，沒有實體。在有線通信系統中，線路接口對物理尺寸、電信號以及光信號的規范進行定義。在無線通信系統中，空中接口則對終端設備和基站之間的電磁波連接技術規范進行定義。空中接口存在的意義是使無線通信和有線通信一樣標準且可靠。

空中接口是移動通信的關鍵模塊，指的是用戶終端接入無線網絡的接口。空中接口是基站和移動電話之間的無線傳輸規范，定義每個無線信道的使用頻率、帶寬、接入時機、編碼方法以及越區切換。在GSM/UMTS中，各種形式的UTRA標準便是空中接口，也就是一種接入模式Access Modes。空中接口的架構是維持通信系統穩定運行的核心，主要包含天線配置、信號調制以及數據傳輸等技術。空中接口的分層主要包括物理層、數據鏈路層和網絡層，且更多傾向于物理層。物理層是無線通信系統的基礎，也是其中最重要的一層，而控制接口的標準也主要集中在物理層。數據鏈路層則同時處于用戶平面和控制平面，在用戶平面負責數據傳輸和加密，在控制平面負責無線承載信令的傳輸、加密和完整性保護。網絡層則主要是控制無線傳輸資源，負責整個移動通信系統的空中接口資源的規劃和調度，以確保系統的覆蓋、容量和QoS。

2 空中接口測試標準的發展

國外的空中接口測試標準主要由標準組織來完成指定，如第三代合作伙伴計劃（3GPP）和美國無線通信和互聯網協會（CTIA）[2]。美國無線通信和互聯網協會是最早制定關于空中接口測試標準的組織之一，制定的《Test Plan for Mobile Station Over the Air Performance》和《Test Plan for 2×2 Downlink MIMO and Transmit Diversity Over the Air Performance》都是強制性的空中接口測試標準。前者主要針對單輸入單輸出（SISO）系統，后者則主要針對多輸入多輸出（MIMO）系統。

國內的空中接口測試標準是由中國通信標準化協會Over-The-Air（OTA） Test for the Fifth Generation Wireless Communication（CCSA）負責完成制定的。CCSA制定相應的無線測試標準對無線資源的使用和無線設備的性能指標進行調控，保障電磁環境和通信的安全性。國內的空中接口測試的標準還有多個研究院和企業單位參與完成，主要包括工業和信息化部電信研究院、華為技術有限公司、中興通訊股份有限公司、中國移動通信集團公司以及深圳市通用測試系統有限公司（GTS）等。

3 5G無線通信終端空中接口性能測試方式

3.1 SISO測試

SISO是Single Input Single Output的縮寫，即單輸入單輸出，是傳統的單天線系統。這個系統的顯著特點是發射天線和接收天線均為一根，模式如圖2所示。

圖2 SISO模式示意圖

OTA是Over The Air的縮寫，中文名稱為空中下載技術。OTA是一種通過移動通信的空中接口實現對終端設備進行遠程管理的技術。目前的SISO測試指的是SISO OTA，包含總輻射功率測試和總接收靈敏度測試兩部分。無線行業的認證標準要求所有的入網無線設備必須通過總輻射功率測試和總接收靈敏度測試。然而，這兩種測試的環境要求很高，導致實際工作中設備測試與認證的周期很長，加大了企業的人力成本和設備成本。標準測試方式和備用測試方式均可以得出結果，而備用測試方式更快速高效，卻無法保證測試結果的準確性。因此，研發人員創造出了一些新型測試方式來同時滿足快速性和準確性的要求，如快速OTA測試方法、收發同頻的測試方法等，均可有效縮短測試時間并保證精度。這些方法已經開始在移動通信行業使用，未來也會在5G領域普及。

3.2 MIMO測試

MIMO是Multiple Input Multiple Output的縮寫，即多輸入多輸出。這個系統采用多重天線進行同步傳送數據，并使用多重天線進行數據接收，模式如圖3所示。

圖3 MIMO模式示意圖

在數據傳輸過程中，為了避免不同信號間的干擾，它們的傳播路徑各不相同，導致到達接收天線的時間存在差異，需要利用DSP重新計算接收數據來得到正確的數據流。MIMO技術在4G中已經得到了廣泛應用，也將在5G中被應用于無線終端和基站。MIMO測試是對無線終端的射頻特性進行測量，在特定條件檢測并判斷設備的通信速率。特定條件指的是不同環境下的通信數據模型。這些數據模型包含了很多無線設備使用情況的模擬，因此可以真實反映無線設備MIMO的使用情況。在標準MIMO測試文件中明確指出將吞吐量作為判斷的關鍵。受國際認可的測試方法主要有混響暗室法、多探頭法和輻射兩步法[3]。混響暗室法是使用不具備吸波材料的屏蔽箱測試設備，系統簡單，成本低，但是受限大，無法測量很多特定場景。多探頭法則是利用多種環繞式天線和信道模擬器測試設備，方法簡單有效，但成本高，工作難度大。輻射兩步法是把被測設備的天線方向圖和傳播信道模型融合，用模擬器將融合信號進行計算并傳輸到接收機。這種方法測試結果與多探頭法接近，且成本較低。對比上述3種方法，輻射兩步法的應用性價比最高，且能分開測試天線性能和接收機輻射靈敏度。

3.3 容量測試

無線通信系統構成復雜，包含很多組成部分，且數據吞吐量龐大，需要對其進行容量測試。容量測試是整個空中接口性能測試最重要的部分，因為它直接決定了通信設備可實際應用的場景。需求確認后，開始對設備進行相關的性能測試和容量測試。測試的目的是保障網絡的最大效率，獲取最大的比特傳輸量信息。隨著區域內用戶數量和傳輸數據容量的不斷增加，需要不停優化通信系統的穩定性和功能，還需要使用專業設備實時監測并合理調節容量。

4 5G空中接口測試面臨的挑戰

5G相比較于4G，有著更高的頻率和更高的帶寬。因此，它的發射及接收天線數量成倍增加，波束賦形工作模式更加復雜。5G無線通信中，空中接口測試面臨的挑戰主要有以下幾個方面[4]。

（1）更大的微波暗室。為了滿足5G無線產品的遠場測試，微波暗室的大小要達到幾十米甚至上百米。這樣的測試環境造價高，且實現困難。

（2）更大的路徑損耗。5G的高頻特性勢必會帶來更大的路徑損耗。在5G的工作頻率下，幾十米的測試距離引起的路徑損耗會給空中接口的測試帶來極大挑戰。

（3）更復雜的測試系統。因為5G基站的天線陣列是由成百上千個單元天線組成的，空中接口測試要對每一個天線都進行精確的3D方向測試，所以測試系統的復雜度會呈幾何倍增加。

（4）更長的測試時間。5G應用中，天線大多是波束賦形工況，而其具體的工作模式不可枚舉。要想完整評估所有條件下的工作情況，需要耗費的測試時間會非常長。

5 結 論

5G已經獲得了商業許可，各大通信運營商積極建設5G通信系統，5G相關的接口協議與測試規范也在同步確立并投入使用。無線通信作為5G中的重要部分，必將在未來各大領域大放異彩，而終端空中接口性能測試則是其開拓前路的可靠保證。