5G毫米波OTA測試技術

凌云志，張煜，許虎，陳婷

專題：移動通信（5G）測試

5G毫米波OTA測試技術

凌云志1,2，張煜1，許虎1，陳婷3

（1. 中電科儀器儀表（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233010； 2. 電子信息測試技術安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 233010； 3. 北方信息控制研究院集團有限公司，江蘇 南京 211106）

毫米波（mmWave）是5G通信關鍵技術之一，5G將在網絡容量、數據速率和時延等方面帶來革命性的改進。5G測試從以往傳導式測試向空口測試變革。分析了5G毫米波大帶寬OTA測試將遇到的挑戰及困難，并提出了多種OTA測試關鍵技術，深入探討5G毫米波大帶寬OTA測試平臺構建，完成了對多種設備在毫米波OTA下的整機射頻性能測試。

5G；OTA測試；大帶寬測試

1 引言

移動通信自20世紀80年代誕生以來，經過三十多年的爆發式增長，已成為連接人類社會的基礎信息網絡。5G毫米波多天線傳輸測試技術是5G提升性能的關鍵，5G典型場景中的連續廣域覆蓋場景、熱點高容量場景、高速移動場景所要求的高速率、大帶寬、高移動的特性均依賴于5G毫米波多天線傳輸測試技術的實現。鑒于當前通信技術進入成熟期，從時域、頻域、碼域所能獲得的技術紅利已進入技術瓶頸期，空域是進一步改善通信能力的必要手段，多路分集、復用、多流多天線、多小區波束成形等多天線技術都有效地提升通信傳輸速率。所以，5G毫米波多天線傳輸測試技術是當前5G和未來移動通信設備（開發、生產、應用）實施中必不可少的重要組成部分，是開發、生產進程的源頭[1]。5G毫米波多天線傳輸測試技術攻關的難點在于5G毫米波測試、大帶寬處理、多天線測試等，從未來需求角度看，為滿足新型蜂窩通信設備不斷發展的需求，對5G毫米波基站和終端的測試方法進行研究，同時結合連續廣域覆蓋場景和熱點高容量場景的高速率大帶寬的測試需求，同時考慮支持500 km/h以上的高速移動場景，將對提高5G系統的性能和質量具有重要意義。

FR2頻段5G通信中的基站和終端均采用了大規模天線技術，提高天線的定向性增益，同時為了保證足夠的區域覆蓋，要求天線波束具有在方位面和俯仰面2D（二維）空間波束成形的能力。因此，對FR2頻段5G基站和終端的性能測試只能采用空口（over-the-air，OTA）測試方案[2-3]。

當前主要的OTA測試系統包括：混響室（reverberation chamber，RC）法[4]、輻射兩階段（radiated two-stage，RTS）法[5]和多探頭吸波暗室（multi-probe anechoic chamber，MPAC）法[6]。根據CTIA[7]和3GPP標準，主流的OTA測試方案是MPAC法。多探頭吸波暗室OTA測試系統示意圖如圖1所示。圖1（a）通過信道模擬器連接在不同暗室的毫米波基站和終端，分別對基站和終端進行測試；圖1（b）是在圖1（a）的基礎上進行演進，用基站模擬器代替實際的基站，可以對終端進行測試；圖1（c）是用終端模擬器代替實際的終端，對基站進行測試。

該測試系統可以進行天線和射頻整機的統一測試，性能更接近真實情況，能夠支持寬帶、多頻點、復雜、多樣真實環境的模擬和實驗，測試系統主要由基站模擬器、信道模擬器和微波暗室組成。基站模擬器模擬FR2頻段5G通信基站網絡，輸出信號進入信道模擬器；信道模擬器的功能是模擬實際通信場景的真實信道環境，使測試系統可以準確地測試和評估通信質量，是OTA測試系統中的核心測試設備，信道模擬器的性能直接和測試系統的測試準確度相關；經過信道模擬器處理后的信號輸出映射到微波暗室的各測試探頭上，各探頭發射信號在被測設備所在的測試區域得到不同空間信息、延遲特性、極化方向等特征的多徑信號，模擬出無線空間信道以及預期干擾[8]。

圖1 多探頭暗室OTA測試系統示意圖

2 毫米波OTA測試技術

毫米波OTA系統具備多通道、大帶寬、FR2毫米波頻段覆蓋、5G通信協議等特性，系統核心包括寬帶微波毫米波收發單元、3D信道建模單元、時變動態信道估計、暗室探頭優化算法等，關鍵技術挑戰包括以下幾個方面。

2.1 寬帶微波毫米波收發單元設計

寬帶微波毫米波收發單元包括基站模擬器、信道模擬器以及OTA測試系統中必要的外接射頻電路設計，涉及的主要器件包括振蕩器、功率放大器、變頻器、濾波器、低噪聲放大器等。由于毫米波頻段的頻率高、帶寬大、波長短，這對各種射頻器件的設計、加工和調試都提出更高的要求。因此，開發5G毫米波OTA測試系統時，需要針對FR2頻段的相關毫米波射頻模塊和測試系統所處硬件平臺進行設計，解決FR2頻段5G通信的頻率覆蓋和大帶寬設計（1 GHz以上的連續帶寬）問題，還要兼顧FR1頻段5G通信的OTA測試需求等問題。

2.2 3D信道建模

毫米波頻段信號傳輸的損耗較大。為了抵消傳輸路徑損耗，FR2頻段5G通信基站和終端中的天線均采用大規模陣列天線提高方向性增益；同時為確保足夠的空間區域覆蓋和足夠強度的信號連接，二者采用的陣列天線具有相控在水平和俯仰方向進行二維波束成形和波束掃描的能力；另外，天線具有多個波束，滿足系統多流傳輸的通信需求。另一方面，毫米波通信的信道更加復雜，傳輸路徑中的建筑物或其他遮擋物的形狀、體積和材質都會嚴重影響通信系統的通信質量。因此，為了真實模擬實際通信信道環境，需要通過先進的建模技術建立3D信道模型。

2.3 時變動態信道估計

因為FR2頻段5G通信基站和終端的天線定向性好、波束窄，所以如果二者的波束固定（即靜態信道模型），那么即使終端在同一個地點與基站建立通信連接，當終端空間角度發生變化時（如手機橫放/豎放）也會有很大的斷開概率；另外單個窄波束的空間覆蓋小，當終端快速運動時，如果二者的波束固定或慢速掃描，也會導致通信連接的中斷。因此，建立的信道模型必須考慮當終端狀態改變和高速移動時的通信場景。這些通信場景下，無線終端在多種信道場景中連續切換，此時觀察到的無線信道是在不同靜態通信場景之間的平滑過渡。OTA測試系統不僅能夠對離散快照內的信道特性進行較為準確的模擬，更重要的是要設法真實還原信道快照之間的連續演進，而這一點對于多天線波束成形、軟切換和信道估計等技術的評估十分關鍵。OTA測試系統應該具備能夠建立時變、動態的信道模型，滿足應用場景的實際需求。

2.4 暗室探頭優化算法

基于多探頭吸波暗室的OTA測試方法通過基站模擬器、信道模擬器和多個測試探頭在微波暗室中創建的無線通信環境，具有準確性、可配置性和可重復性的優點，是OTA測試系統中最常用的測試方法。但是，這種方案的一個主要挑戰是系統成本，探頭數量越多，測試系統復雜度越大，系統造價成本越高[9]。因此，在毫米波頻段下，OTA測試系統建設的一個最大挑戰是在滿足測試精度的前提下，最大限度地減少測試系統中暗室內的測試探頭數目，降低系統的建設成本。

3 毫米波OTA測試系統建設方案

依托現有研究技術，采用系統模塊化、硬件平臺集成化、軟件平臺分層處理等先進設計方法，研發多通道、大帶寬FR2頻段5G通信OTA測試系統。根據不同應用需求，OTA測試系統建設方案包括基站/終端測試、基站測試和終端測試3個系統。

該測試系統主要由基站模擬器、信道模擬器和多探頭吸波暗室組成，整個系統中基站產生的信號傳輸到信道模擬器，并由信道模擬器完成分組處理和通道配置后，映射分配到多探頭吸波暗室的各個測試探頭，測試探頭發送經過處理的信號還原信道環境，并對待測設備性能進行測試。

MPAC 毫米波終端OTA測試系統架構如圖2所示。在多探頭吸波暗室的基礎上，通過對多徑信號（基站模擬器產生）進行分組處理，復用信道模擬分組單元的輸出端口，在保留多徑信號的角度信息的同時，解決了信道模擬分組單元輸出端口個數有限的問題，降低了測試系統的成本。另外通過對分組后的多徑信號進行動態的探針天線資源分配，復現了真實的無線多徑信道傳播環境，從而可以得到待測設備在OTA測試系統中測試出的整機射頻性能。

圖2 MPAC 毫米波終端OTA測試系統架構

3.1 毫米波射頻收發設計

作為終端/基站模擬器的硬件平臺，要在單臺儀表上支持面向6 GHz以上高頻段，工作頻率支持6～76 GHz中與5G相關的波段（包括24.25～30 GHz、37～43.5 GHz、66~76 GHz頻段等），支持5G毫米波射頻發射和5G毫米波射頻接收，如圖3和圖4所示，難點包括毫米波超寬帶高純頻率合成、毫米波混頻波導微帶轉換設計等。

在毫米波超帶寬高純頻率合成設計上，采用超低噪聲晶體振蕩器技術作為近載波噪聲基準，以寬帶低噪聲YTO作為基本的微波振蕩單元，以高純本振取樣變頻合成方式作為微波高純頻率合成的基本方案，利用寬帶鎖相環路產生高純高頻信號作為微波信號取樣變頻的本振，然后再利用寬帶鎖相環路將微波信號鎖定在高分辨率參考信號上，從而實現高性能的微波頻率合成，然后再通過多次分段倍頻方式實現高端頻率覆蓋，分頻方式實現低端的射頻頻率覆蓋。

在毫米波混頻波導微帶設計上，毫米波混頻器混頻二極管安裝于平面電路上，必須將毫米波信號從波導傳輸模式轉換為平面傳輸模式，饋入二極管。平面電路－波導過渡作為連接平面電路與波導系統的重要形式，具有體積小、結構簡單、頻帶寬、損耗小等優點。在探針過渡設計當中，探針的輸入阻抗是探針寬度、長度、波導終端短路距離以及頻率的函數，可選擇一定的探針寬度、長度和波導終端短路距離，使其成為相對穩定的結構，這種結構在較寬的頻率范圍內，探針輸入阻抗變化很小。由于探針過渡具有容性電抗，因此還應串聯一段高阻抗線，用來抵消其電容效應，然后通過四分之一波長阻抗變換器實現與50 Ω標準微帶線的阻抗匹配，從而完成波導到微帶的過渡。探針距波導終端短路面的長度取λ/4，以保證探針在波導內處于最大電壓，即電場最強的波腹位置，以達到盡量高的耦合效率。由于射頻輸入信號頻率高，探針轉換結構中各尺寸處于較小的量值，裝配引起的位置偏移變化很可能導致轉換效率大大降低，因此將在微帶片上設計多個對位點，分別對應轉換結構中腔體上相應位置，裝配時對各點進行對位，從而降低裝配誤差導致的轉換效率的損失。

在毫米波傳輸阻抗匹配設計上，目前常用的混頻二極管等效電路在毫米波頻段準確度較差，如果直接用來計算二極管的輸入阻抗值，將增大因阻抗失配引起的本振功率的損失。而在毫米波頻段，對功率的需求越大意味著難度和成本越高。因此需要在使用的本振頻率、功率范圍內對二極管等效電路進行修正，得到準確的二極管的輸入阻抗值進行匹配電路設計，從而降低由阻抗匹配引起的本振功率損失。

圖3 5G毫米波射頻發射設計方案

圖4 5G毫米波射頻接收設計方案

3.2 信道建模設計方案

FR2頻段5G通信基站和終端均采用大規模陣列天線技術，支持水平和俯仰方向波束成形和快速掃描、多流傳輸，所以進行OTA測試時必然需要進行3D動態信道的建模。建設3D球面多探頭吸波暗室，根據暗室所設計的探頭數目和位置，優化信道仿真算法，有效建立模擬真實通信應用環境的通信信道模型。

信道測量參數軟件架構如圖5所示，由數據導入、數據存儲、數據挖掘、分布式計算、電波傳播模型修正計算、數據導出六大子模塊構成。無線信道模型建模軟件運行在計算機上，采用分布式存儲和計算架構。基于大量測試數據、無線環境數據、地理信息數據、氣候信息數據等，利用大數據挖掘算法開展對無線信道模型中的計算參數統計或修正，實現無線電波傳播模型優化。

3.3 時變動態信道仿真技術

對無線信道的時變、動態特性進行連續建模和仿真，通過對無線信道中散射體簇數量以及簇空時特性的動態演進進行真實還原，將現有的幾何統計信道模型與射線跟蹤等確定性信道模型相結合，可以在較低的復雜度下實現實際環境中的動態信道再現。

5G通信網絡結構和信道傳播特性是5G通信系統設計中的最基本因素，細致地了解信道傳播環境對成功開發和研究一個通信系統或收發裝置非常必要。尤其是對于無線通信系統，收發端之間的用戶信道特性是其所能提供的業務可行性和質量的決定性因素，必須全面了解和模擬實際信道特性才能設計出高質量的收發裝置。為了研究這些信道特性的影響，需要在一定傳播特性下進行實驗。由于條件所限，不可能在設備研制的全過程都進行現場實驗，尤其是5G毫米波信道，采用一個有良好近似效果的信道模擬器是一個較好的而且通用的解決方案。本方案根據信道測量采集的IQ數據提取瞬時信道參數，以統計的方式描述時變信道的平均特性，形成信道建模參數，并進行圖形化展示，以方便用戶進行統計分析，如圖6所示。

圖5 5G信道測量參數軟件架構設計方案

5G設備輸入數據經過MIMO天線陣列單鏈路傳輸到信道中，按照3GPP協議的規定參數，通過大尺度衰落（主要包括路徑損耗和陰影衰落）、小尺度衰落（主要包括簇時延、多普勒頻移和多徑效應）到達移動臺，最終得到滿足設定場景的信道模型。多天線陣列多徑傳輸的輸入數據傳輸經過信道，最終疊加得到輸出數據，如圖7所示。

圖6 5G時變動態信道仿真設計方案

圖7 5G時變動態信道模擬實現流程設計方案

3.4 暗室探頭優化算法

因為探頭數目多少和OTA測試系統的成本直接相關，所以需要在信道模擬器研發過程中，對多探頭吸波暗室中各探頭的位置和功率權重進行優化，以最少的探頭數量準確模擬出真實的信道環境。擬對比研究基于粒子群算法、遺傳算法和multi-shot算法，進行OTA探頭進行選擇，并選取在復雜度和性能方面最優的算法作為核心算法。另外，以目標信道的空間相關性和實際信道的空間相關性的均方誤差作為評價因子，在探頭位置確定以后，利用凸優化算法對探頭功率權重進行優化。

4 毫米波OTA測試系統測試驗證

暗室信道探測系統軟件支持通用矢量信號解調分析、支持信號短時記、支持通用矢量信號解調分析、支持信號短時記錄和回放、支持系統同步和系統鏈路校準，包含功率補償、帶內平坦度修正、通道間幅相一致性修正，支持探測信號產生和波束控制、支持接收信號采集和實時運算、支持信號傳輸和存儲、支持提供相關軟件測試環境。為了滿足信道探測系統軟件主要性能指標及軟件設計約束情況，軟件總體實現框圖如圖8所示。

依據MPAC 毫米波終端OTA測試系統架構，結合FR2頻段、3D信道建模和時變動態信道仿真技術以及暗室探頭優化算法，完成了對5G終端模擬器在OTA測試系統中測試得到的整機射頻性能，進行了NSA和SA兩種模式下的5G設備OTA信令鏈接測試，信令測試流程如圖9和圖10所示，物理層性能如圖11和圖12所示。

圖8 暗室信道探測系統軟件功能實現框圖

圖9 毫米波暗室OTA測試設備5G NSA連接信令流程

圖10 毫米波暗室OTA測試設備5G SA連接信令流程

圖11 毫米波暗室OTA測試設備5G NSA物理層參數

圖12 毫米波暗室OTA測試設備5G SA物理層參數

5 結束語

本文主要對5G毫米波測試技術進行研究，首先對5G毫米波測試系統采用OTA的必要性進行分析和說明，緊接著對國內外OTA測試方法進行概述并對毫米波OTA測試方法研究趨勢進行展望，然后對5G毫米波OTA測試技術的挑戰進行歸納和說明，最后依據現有科學技術水平提出應對各項挑戰的解決方案搭建5G毫米波OTA測試系統，完成毫米波終端在OTA環境下的射頻性能測試。

[1] 劉祖深, 張煜. LTE-Advanced空口監測與分析關鍵技術研究[J].電子測量與儀器學報, 2017, 12(31): 10-18.

LIU Z S, ZHANG Y. Research on the key technologies of LTE-Advanced Uu monitoring and analyzing[J]. Journal of Electronic Measurement and instrumentation，2017，12(31): 10-18.

[2] 張瑞艷, 邵哲, 曹景陽. 大規模陣列天線基站的OTA測試方法研究[J]. 移動通信, 2017, 41(5): 91-96.

ZHANG R Y, SHAO Z, CAO J Y. Research on OTA testing method of large scale array antenna base station[J]. Mobile Communication, 2017, 41(5): 91-96.

[3] 詹文浩, 戴國華. 毫米波終端技術及測試方案縫隙[J]. 移動通信, 2017, 41(17): 12-15.

ZHAN W H, DAI G H. Millimeter wave terminal technology and test scheme gap[J]. Mobile Communication, 2017, 41(17): 12-15.

[4] CHEN X. Throughput modeling and measurement in an isotropic-scattering reverberation chamber [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2014, 62(4): 2130-2139.

[5] YU W, QI Y, LIU K, et al. Radiated two-stage method for LTE MIMO user equipment performance evaluation[J]. IEEE transactions on Electromagnetic Compatibility, 2014, 56(6): 1691-1696.

[6] KAUSAR R, CHEN Y. Adaptive time domain scheduling algorithm for OFDMA based LTE-Advanced networks[C]// Proceedings of IEEE International Conference on Wireless & Mobile Computing. Piscataway: IEEE Press, 2011: 476-482.

[7] CTIA. Test plan for 2×2 downlink MIMO and transmit diversity over-the-air performance[EB]. 2017.

[8] FAN W, PEDERSEN G F, KYOSTI P, et al. Recent advances on OTA testing for 5G antenna systems in multi-probe anechoic chamber setups[C]//Proceedings of 2017 Sixth Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP). Piscataway: IEEE Press, 2017: 1-3.

[9] JING Y M, RUMNEY H K, WEN Z. Analysis of applicability of radiated two-stage test method to 5G radiated performance measurement[C]//Proceeding of 12th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2018). [S.l.:s.n.], 2018.

5G mmWave OTA test technologies

LING Yunzhi1,2, ZHANG Yu1, XU Hu1, CHEN Ting3

1. China Electronics Technology Instruments (Anhui) Co., Ltd, Bengbu 233010, China 2. Anhui Key Laboratory of Electronic Measurement Technology, Bengbu 233010, China 3.Northern Information Control Research Institute Group Co.,Ltd, Nanjing 211106, China

Millimeter wave (mmWave) is one of the key technologies of 5G communication, 5G communication will bring revolutionary improvements in network capacity, data rate, and delay. 5G testing has changed from the previous conduction type to OTA testing. The challenges and difficulties encountered in 5G mmWave large bandwidth OTA testing wereanalyzed, and a variety of OTA test key technologies was put forward,finally the construction of 5G mmWave OTA test platform for a large bandwidth was discussed, the radio performance testing of various devices under millimeter wave OTA was completed.

5G, OTA testing, large bandwidth testing

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021042

2020?11?05；

2021?02?11

凌云志（1976?），男，中電科儀器儀表（安徽）有限公司研究員，電子信息測試技術安徽省重點實驗室移動通信測試方向帶頭人，主要研究方向為通信測試技術與儀器。

張煜（1980?），男，中電科儀器儀表（安徽）有限公司研究員，主要研究方向為移動通信測試技術。

許虎（1985?），男，中電科儀器儀表（安徽）有限公司高級工程師，主要研究方向為移動通信測試技術。

陳婷（1986?），女，北方信息控制研究院集團有限公司高級工程師，主要研究方向為測控技術與儀器。