5G移動通信測試關鍵技術與儀器發展研究

摘要：5G移動網絡建設難度大、場景應用復雜性高，測試服務內容與測試能力要求高，現有的測試技術與測試儀表設備存在諸多應用不足與發展限制。為了適配5G移動通信測試需要，本文詳細分析當前5G移動通信測試面臨的技術瓶頸，探討測試相關儀器設備及關鍵技術的發展趨勢，以滿足5G移動通信中大規模天線系統、多通道、高帶寬的測試要求。

關鍵詞：5G移動通信；測試技術；測試儀器；發展趨勢

一、引言

第五代移動通信技術（5G）具有高速率、低延時、大連接等特點，可實現人、機、物互聯通信，滿足移動數據業務流量爆炸式增長與移動業務體驗極致的要求，助力經濟社會向數字化、網絡化、智能化方向轉型升級。5G移動網絡建設難度大、場景應用復雜性高，測試服務需求相較于早期的3G與4G移動通信網絡更為強烈、測試設備也更加復雜多樣，如基站模擬器、Massive MIMO信道模擬器、射頻一致性測試系統、空中接口監測儀、PXI平臺等，其測試理論方法、測試項、測試環節、測試條件、測試能力均不同，各有優點與應用限

制[1]。本文研究分析5G移動通信測試當前面臨的技術瓶頸，探討測試相關儀器設備的發展趨勢，可助推電子信息、計算機、通信等相關領域聚焦技術研究突破口，適配5G移動通信測試需要，加速5G移動通信產業鏈的產業化進程。

二、5G移動通信測試關鍵技術瓶頸

5G移動通信測試技術的技術瓶頸主要體現在以下三個方面：

（一）測試理論與方法難以適配更新迭代的測試需要

5G移動通信基站采用前段天線一體化設計，早期傳導測試理論與方法難以適配基站測試中信號覆蓋檢測、數據傳輸速率檢測、信號質量檢測等的測試要求，MIMO測試技術采用多發射與接收天線，可更好地應用在大規模天線系統基站測試中[2]。5G移動通信終端在天線數增加、網絡傳輸模型維度變化、終端異形且多樣等發展態勢下會快速更新，終端測試的理論與方法迭代存在滯后性。

（二）基礎元器件制約通信測試儀器發展

5G移動通信測試涉及大量的基礎元器件，如模數轉換器、可編程器件芯片、毫米波器部件等，通信頻率與通信速率向更高層次轉變對上述基礎元器件的功能與性能要求更高，如測試頻段在毫米波與可見光等頻率上的通信跳變使得回旋管、自由電子激光等毫米波器件需進一步升級。

（三）儀表架構設計難度增加

在復雜多樣的應用場景與極致流暢的移動業務體驗要求下，5G移動通信終端天線數不斷增加、通信網絡通道數不斷增加、終端基帶處理能力不斷提高，進一步增加了5G移動通信測試儀表架構的設計難度[3]。一方面，通信測試儀表不僅需具有通信功能，還需具備通用測試特性；另一方面，對通信測試儀表的性能指標要求較高，需經過整機、單機、器件等多級性能校驗，以保證通信測試儀的測試性能。

三、5G移動通信測試儀器發展方向

通信測試是5G移動通信產業發展、產業鏈完善的關鍵環節，當前測試理論與方法更新迭代滯后、基礎元器件制約因素多、儀表架構設計開發難度大，基站、終端、外場、認證、實驗室等環節測試儀器需緊扣5G移動通信測試要求，精準定位發展目標與方向，推動5G移動通信測試儀器產業良性發展。

（一）5G移動通信基站設備終端模擬器

基站設備測試是5G移動通信測試的重要環節，當前常用的測試終端模擬器包括商用型、路測儀、專用型，其測試能力各不相同。商用型設備測試終端僅能通過測試發現通信基站設備存在問題，無法明晰何種問題以及問題發生部位與原因；相較于商用型設備測試終端，路測儀局部問題的發現與分析方面表現出色，能夠輔助分析通信問題的發生原因，并準確定位問題發生的部位，但無法模擬多個通信終端的環境，對基站的性能測試只能局限于單終端層面；專用終端模擬器具備良好的問題發現與分析能力，日志保存情況良好，可模擬多個通信終端并測試基站多終端接入能力，支持載波聚合測試，但在5G多場景應用、大規模MIMO等技術需求下測試能力不足、系統級原型驗證不夠[4]。下階段5G移動通信基站設備測試應著力研發專用終端模擬器，實現高層與物理層協議模擬，提升多載波聚合與無線關鍵技術的支持力度，滿足5G移動網絡多場景技術需求。

（二）5G移動通信信號模擬與分析儀

5G移動通信信號模擬與分析可幫助測試人員了解通信信號的頻譜特性、功率分布等信息，助力通信系統優化設計，有效解決通信信號干擾與失真問題，提高數據傳輸質量。例如，在5G移動通信設備進行測試時，可利用通信信號模擬與分析儀對設備元器件進行單元測試，對元器件集成的半成品以及裝配整機進行集成測試，在通信設備中集成通信信號模擬與分析模塊，可以提高通信設備的自主裝備能力與功能性能自檢水平[5]。移動通信測試產業相關廠商應著力研發通信矢量信號模擬與分析儀器，高度集成信號模擬與信號自動處理分析功能模塊，以高測量帶寬與優異的測量性能提高5G移動通信測試效能。

（三）5G信道模擬器

無線信道模型是信號處理、調制解調等環節的基礎，其立足現代通信學、微波與天線學、隨機過程等基礎學科與理論，利用數學技術對信道行為特征進行表達，模擬與描述信號從發射天線至接收天線之間的傳播路徑與信號強度變化。不同于有線信道的線路傳輸方式，5G移動無線通信無實體式信號傳播載體，信號傳播路徑存在較大的隨機性，影響信號傳播質量。尤其在大規模MIMO天線系統中，若干通信終端天線數與通信網絡通道數增加了信號處理、編碼解碼、調制解調、信號傳輸的復雜性。例如，5G移動通信基站利用大規模天線技術與高帶寬技術提高通信速率，實現無線通信高速率、低延時目標，天線數量達上百根，帶寬達數百兆，原先的MIMO信道模型無法適配帶寬與天線數的變化，模型在信道環境與傳輸變化情況模擬方面精度不高，難以科學驗證5G移動通信產品的實際性能。此外，5G移動通信測試需對大量的基站元器件、終端設備等進行測試，測試內容復雜、測試項與測試指標眾多，需要可調、可控、可重復的信道模擬器仿真模擬信道傳播環境與條件，論證信號傳播路徑與強度變化情況，但當前采用的信道模擬器在參數自定義設計、信道傳播條件模擬復現等方面存在較多不足，無法適配復雜信道環境模擬的需要。因此，如何模擬實際的信號傳播的信道環境，科學、合理、客觀地評估5G移動通信的性能狀況，有效控制信號傳輸的動態隨機性，是下階段5G移動通信研究的重要課題。相關生產廠商應加強大規模天線信道理論模型研究，大力研發大規模天線信道模擬器進行模擬仿真，有力支撐5G移動通信基帶與終端系統的高效開發與部署，為大規模天線技術及相關產品的功能性能檢驗論證提供貼合實際傳輸環境的模擬信道，以精準的測試結果提高5G移動通信設備產品測試精度。

四、5G移動通信測試儀器的關鍵技術發展趨勢

（一）高頻率大帶寬測試技術

5G移動通信的通信頻率和通信速率的增加、天線規模擴大、帶寬增大等對通信測試儀器的測試能力提出了更高的要求，如在超寬帶測試要求下，通信測試儀器應具備500MHz、1GHz和2GHz分析帶寬的能力。國外測試儀器的帶寬分析能力最高可達67GHz，在擴頻裝置、噪聲抵消技術等的加持下，測試儀器的帶寬分析能力可提升至110GHz，且10kHz頻偏處的相位噪聲可控制在88dBc以內，提高了測試儀器對鄰近通道干擾情況的測試能力，可以較好地滿足高頻率大帶寬的5G移動通信測試要求。但是當前國內通信測試儀器的帶寬分析能力大多難以達到上述要求，國內測試儀器的帶寬分析能力在200MHz以下，相關廠商應加大高頻率大帶寬測試技術的研究力度，以超寬帶對測試儀器的帶寬分析能力作為研發目標，以總測量不確定度、穩定度、相位噪聲變化控制等為核心指標，切實提高5G移動通信的測試能力。

（二）OTA測試技術

早期傳導測試方法支持的設備測試天線數較少，設備通道數也較少。在高通信速率與通信頻率的發展趨勢下，大規模天線技術的應用愈發廣泛，5G移動通信基站與終端設備的通道數大幅度增加，天線單元之間的距離變小，傳導測試方法的應用受限。OTA測試技術是一種在4G移動通信測試中廣泛應用的空口測試技術，其不采用傳導測試方法中依托傳導線連接進行測試，而是依托設備的信號傳輸接口以及電磁波的空氣傳輸等對設備的空口性能進行測試，科學評估信號的輻射性能，是當前5G移動通信多天線設備測試的重要技術與方法。大規模天線技術是5G移動通信應用中的重要技術，對大規模天線陣列的測試主要包括天線基本性能測試與天線系統性能測試，前者是對天線的噪聲、增益、功率、零值深度等基本性能參數進行量化測試，后者是對大規模天線陣列系統的峰值速率、波瓣等性能參數進行量化測試。在天線基本性能測試方面，所采用的測試儀器為基于諧波混頻的擴頻裝置、矢量網絡分析儀，通過在天線附近以及一定距離處分別進行不同類型的測試，得到天線的功率、噪聲、增益等性能指標參數。在天線系統性能測試方面，需先利用模擬器對終端、基站、信道等進行仿真模擬，對天線設備發出的信號在信道模擬環境下經傳輸接口、空氣傳輸進行信號分析與性能測試，此過程涉及矢量信號分析儀、矢量網絡分析儀、5G終端模擬器等儀表設備。接著，通過多天線設備端口的平面環繞和轉臺的單軸旋轉，實現信號發射機、接收機、賦形波束性能的精準測試。聯發科技（MediaTek）已選擇了該公司集成的5G NR終端設備測試解決方案，用于在OTA（Over-The-Air）實驗室中驗證配備MIMO以及大規模MIMO天線技術的5G終端設備的射頻（RF）性能。下階段OTA測試技術應聚焦非暗室微波多天線測試場景，提高5G移動通信測試的環境適應性，降低5G移動通信測試的成本。

（三）多通道測試技術

Massive MIMO技術充分利用空間多樣性改善大規模天線系統的容量、能源效率以及頻譜效率，提高通信速率與通信頻率，是當前5G移動通信中的核心技術。但是Massive MIMO技術使得信道數量增加、頻段通信跳變，增加了測試復雜性與測試成本。例如，多通道（128通道、1024通道等）的測試對測試儀表設備的數量與精密度要求較高，相關成本大幅度增加；多通道測試時需耗費大量的時間用于通道一致性校準與修正，導致多通道測試效率低下。因此，科學平衡通道數、基帶處理與多通道測試的成本與時效是重要研究方向，低成本、高時效的多通道測試技術成為當前5G移動通信測試的研究熱點。此外，高頻波段傳輸時容易出現較高的信號損耗，需利用天線陣列作為傳輸工具，將高頻波段進行波束賦形的指向性處理，這對天線陣列的波束賦形功能提出了較高的要求。例如，在3.5GHz的波段中，天線陣列的波束賦形功能應使得指向性信號在特定方向上形成傾角，實現對高層建筑或大范圍場景的良好信號覆蓋，此為多通道測試技術的重要研究方向之一。

（四）PXI平臺測試技術

物聯網環境下各類傳感器設備、電子監控設備等精密電子儀器設備不斷涌現，設備高度集成各類現代技術與復雜的功能模塊，其自動化與智能化水平不斷提高，對5G移動通信測試儀器與技術的更新迭代時效性以及經濟性提出了更高的要求。PXI平臺是一個開放、靈活的測試軟件平臺，依托PXI平臺自定義研發5G移動通信設備原型，嵌入開發各類測試方法與功能模塊，提高5G移動通信基站、終端等設備測試的靈活性與經濟性。例如，NI公司依托PXI平臺對毫米波、Massive MIMO、5G新型波形研究、非正交多址接入和密集組網等技術進行測試與驗證。

五、結束語

5G移動通信測試體系完善，測試對象貫穿基站、終端、外場、認證、實驗室等移動網絡產業鏈全生命周期各個環節，衍生出了較為成熟的測試技術框架與測試產品體系。但是當前測試理論與方法更新迭代滯后、基礎元器件制約因素多、儀表架構設計開發難度大，相關儀表設備研發廠商與測試方法研究人員應立足通信頻率和通信速率的增加、天線規模擴大、帶寬增大等發展趨勢，對終端模擬器、信號分析儀、信道模擬器等進行更新升級，聚焦高頻率大帶寬測試、OTA測試、PXI平臺等技術的難點與堵點深入研究、奮力突破，助力5G移動通信測試相關產業加快發展。

作者單位：林婷 梁學 江蘇省產品質量監督檢驗研究院/國家信息網絡產品質量檢驗檢測中心

參考文獻

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