1. 背景
毫米波技术已在 5G 通信系统中应用，例如毫米波基站采用 Massive
MIMO 技术来获得高 增益，以补偿高频引起的信号衰减；毫米波终端采用具有波束合成功能的毫米波模组，实现 空间角度上的覆盖。随着 5G 的大规模商业化，全球移动通信业界已开始筹划 6G 移动通信关 键技术的研究。其中，太赫兹技术、超大规模
天线阵列、空天地一体化的卫星通信、全频谱 通信、人工智能等技术都有可能成为实现 6G 通信的关键技术。毫米波因其丰富的频谱资源， 必将在 6G 通信中继续扮演重要角色。 伴随着通信频率的升高，测试技术较以前也发生了翻天覆地的变化。通常测量 2G、3G、 4G 系统，射频与天线有各自独立的指标体系和测量方法，可以分开测试、独立评估。射频指 标一般采用传导测试方法，通过线缆将被测射频组件的端口与仪器直接相连，测量精度主要 取决于仪器的性能；测量天线时，将天线的射频端口与仪器（例如矢量网络分析仪）相连， 进行驻波测量和暗室环境下的天线方向图的测量。在毫米波频段，天线单元与射频单元之间 的毫米波信号传输易受传输线长度、转接匹配等因素的影响，为了性能考虑，毫米波设备的 射频与天线将一体化设计制造，这就导致了天线和射频之间没有可以剥离的测试端口，连基 本的线缆连接都无法实现，天线和射频单元无法分开测试。这对测试原理与方法的提出了极 大的挑战。对此业界已经达成共识，空口（Over-The-Air，OTA）测试将成为 5G 毫米波系统 的主要测试形态，而测试对象将是一体化的毫米波多波束阵，而不是独立的射频和天线组件。 在此条件下，需要建立新的测试指标体系和评估方法。同时可以预见，OTA 测试技术也将会 是 6G 通信设备的主要测试手段。 在毫米波测试进展方面，经过国内外相关标准推进组、运营商、设备商与高校近几年的 努力，毫米波设备的相关测试方法已逐渐明晰，相关测试指标也已逐步达成共识。2020 年 7 月定稿的
3GPP R16 在 R15 的基础上，补充了毫米波基站、终端的测试方法和相关指标，对 于终端多天线性能的测试也形成了技术报告，为毫米波设备的测试认证提供了参考依据。虽 然毫米波设备的测试框架已逐渐明朗，但是仍有不少技术指标与测试方法还在研究讨论中， 尚未形成最终的技术规范， 3GPP R17 正对毫米波测试技术进行进一步的讨论。相较于 FR1 频段设备的测试，毫米波频段设备的测试由于其测试的复杂性，整体上仍然推进较为缓慢。
1.1 5G 毫米波测试现状与标准进展
• 毫米波信道测量
信道测量能够帮助我们提取真实的信道参数，为后续的 5G 信道建模和标准化提供重要的 参考。信道测量是一种自定义收发的无线测量，测量对象不是通信设备，而是通信设备工作 的无线环境。从 4G 到 5G 的信道测量不同之处主要体现在带宽、频段等方面，对测量仪器有 较高的要求。传统的移动通信频段都是在 6GHz 以下，在这个频段积累了大量的信道模型研 究结果。但是对于毫米波频段的信道传播特性研究相对较少，因此对毫米波频段的信道进行 评估和探测是 5G 技术研究的关键，尤其是在大带宽情况下，对信道测量的方法提出了更新 的要求。 信道测量分频域法和时域法两种，其中频域方法的优点是使用毫米波网络分析仪单表就 可以测量各种频段完整的信道响应特性，不受信道带宽的限制。但是也存在着只能测试时不 变多径信道，以及外场测试受限于收发同台仪表等缺点；时域信道测量是信道冲击响应直接 测量的方法，通常使用伪随机序列作为信道探测的信号，在接收端用已知的序列做相关，得 到信道冲击响应。这种测量方法需要系统硬件能够产生和分析超宽带的探测信号，业界已具 备单表 2GHz 带宽的信号产生和 8GHz 带宽的信号分析能力，可以让提取的信道多径时延有 着较佳的时延分辨率。
• 毫米波MIMO信道模拟
MIMO信道模拟器使得研发人员能够在实验室内模拟各种典型的无线信道环境，灵活地 控制和改变信道参数，尽早定位性能问题，大大降低了测试成本，显著提高了测试效率。目 前，
是德科技和思博伦公司的信道模拟器，可支持 Massive MIMO 和百兆带宽的测试需求， 但工作频率不超过 6GHz，不能直接满足 5G 毫米波的测试需求，需要加入额外的毫米波扩展 件。在国家科技重大专项（03 专项）支持下，国内创远仪器联合东南大学、信通院等单位， 研制了支持 FR1 和 FR2 频段的 5G 大规模 MIMO 信道模拟器。
• 5G 毫米波设备的射频指标测试
射频指标测试对象包括基站设备、终端设备以及
芯片、相关模块。其主要针对的是设备 诸如辐射功率、调制信号质量等相关指标的测试。随着 5G 商用进程的加快，针对 FR1 频段 的射频性能测试，各推进组织、运营商已组织相关各方进行了充分的讨论，已趋于共识。3GPP TS 38.101-1, TS 38.521-1 分别给出了 FR1 频段的终端射频指标定义与相关指标一致性测试的 标准。相比较而言，针对 5G 毫米波频段的测试方法研究仍在火热进行中，经过行业内相关 高校、研究机构、企业等的研究与推动，在各自的方向上取得了一定进展，相关测试指标与 方法也逐渐清晰。3GPP TS 38.101-2，TS 38.521-2 分别给出了 FR2 频段终端射频指标定义与 相关射频指标一致性测试的标准；TS 38.141-2 列出了毫米波基站射频辐射指标一致性测试的 规范和步骤；TR 38.810 研究了如何利用 OTA 的方法对 FR2 频段终端进行射频指标测试。在 国内，工信部、中国通信标准化协会、信通院、运营商等也正在推进 5G 毫米波技术及测量 方法的标准化进程。
• 5G 毫米波设备的多天线性能测试
5G 毫米波终端仍将采用多天线技术。多天线性能的测试反映了设备系统性能在不同信道 环境下的表现。相较于射频测试，多天线性能测试对仪器和场地的需求更加复杂，测试的评 判标准和方法较难形成统一，因此其标准化工作相对较为滞后。在 3GPP 的 R16 版本中创建 了相关的研究报告——TR 38.827，其毫米波频段的部分指标限值仍在 R17 版本中研究。不过 可以看出，采用多探头方法进行毫米波频段设备多天线性能测试可能将成为主流路线。同时， 原来终端和基站设备采用的上下行性能独立测试将逐渐演变到基站—终端共同测试，即所谓 的“端到端”测试。
2. 5G/6G 毫米波测试系统
5G/6G 毫米波测试基于 OTA 的测试形态，测试系统主要包括微波毫米波暗室、测试仪器、 相关配件以及主控单元。
2.1微波毫米波暗室测试环境
微波毫米波暗室是一个空间结构，它可以是一个建筑空间，也可以是一个箱体。如图 1 所示，暗室的内部表面布满吸波材料，可以有效吸收被测频段的电磁波。暗室内部通常包含转台、天线探头等。
天线的辐射根据辐射区远近可以分为感应场区(菲涅尔区)、近场区和远场区(夫琅禾费 区)，如图 2 所示。
2.2 5G 毫米波测试仪器
3GPP 5G NR 毫米波频段（FR2）包括 24.25GHz~52.6GHz，工作带宽 400MHz，三载波聚 合带宽将达到 3×400 MHz=1200 MHz。5G 毫米波测试仪器的工作频率及测量带宽必须满足以 上要求。移动通信常用的测量仪器包括矢量信号源、矢量信号分析仪、矢量网络分析仪、终 端
综测仪（完善）、基站综测仪、终端模拟器、信道模拟器（完善）等。
（1） 信号源与信号分析仪
在 5G 毫米波设备的研发测试、射频一致性测试等各个环节，信号源和信号分析仪都是必 不可少的基础测量仪器。对其最高频率要求不低于 52.6 GHz，带宽不低于 1.2 GHz。目前业界信号源和分析仪单表最大能力已支持 2 GHz 带宽的信号产生和分析，同时频谱仪单机频率 更可达 90 GHz，满足 3GPP TS 38.141 规范中杂散测量最高频率覆盖载频二次谐波频率的测试 要求。另外，对于研发工程师来说，短时偶发杂散的问题定位总是尤为麻烦，随着毫米波大带 宽引入移动通信，迫切需要能与之带宽相匹配的实时频谱分析仪。目前业界最大实时能力已 达 800 MHz，截获概率 0.46us，很大程度上提升工程师在处理该类问题上的定位效率。
（2） 矢量网络分析仪 矢量网络分析仪是一个连续波扫描信号的自发自收测试系统，具有自校准功能，测量精 度高。矢网广泛应用于利用连续波信号进行测量的场景，从微波网络的角度，它是利用连续 波测量网络 S 参数的仪器。在 5G OTA 测试中，可用来进行方向图测试、EIRP 和 TRP 测试。
（3） 终端综测仪 终端综测仪是 5G 芯片和终端研发、生产过程中的重要测量仪器。终端综测仪是一个收发 一体的仪器，依据 3GPP TS 38.521-1 和 3GPP TS 38.521-2 测试标准模拟基站发送 PBCH、
PDCCH、
PDSCH 下行信号；对上行
PRACH、
PUCCH、
PUSCH 信号进行时域、频域、调制 域等多域分析；通过信令方式调整终端测试状态，完成标准要求的测量配置。目前，外置毫 米波变频模块是毫米波终端综测仪的主流解决方案，满足频率覆盖 24.24GHz~31.8GHz 和 37GHz~43.52GHz、分析带宽 800MHz/1200MHz 的要求。
（4）终端模拟器 终端模拟器是 5G 基站研发、生产过程中必不可少的测试仪器。终端模拟器能够模拟终端 侧物理层、高层协议，对基站进行协议符合性、功能、性能测试，对基站研发、生产过程进 行问题 分析、定位 。终端模拟器 能够支持毫 米波频段、 400MHz/800MHz 大带宽 、 60kHz/120kHz/240kHz 子载波间隔、多天线、多用户模拟，支持 DC 和 CA 两种协同方式。
（5）基站综测仪 基站综测仪是收发一体化仪表，可以发射上行信号，解调下行信号，支持 3GPP TS 38.141 规定的全部测试例，满足 NR FR2 频段的频率和信号子载波间隔要求，是 5G 基站研发、生产 过程中的重要测试仪器。基站综测仪通过馈线与天线连接，实现对基站设备发射信号的 EVM、 ACLR、OBW、POWER 以及基站接收灵敏度、阻塞特性和互调特性等功能测量，满足毫米 波基站设备的测试要求。
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已绑定手机
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发表于 2022-4-14 13:45
