5G射频室内测试的关键技术
0 引言
从20世纪80年代第一代（1G）移动通信开始到今天的4G，移动通信及其衍生技术极大地改变了人类的物质和精神生活。从话音通信到数据通信，特别是移动互联网和物联网的快速发展，预计2010年到2020年，全球移动数据流量增长将超过200倍，我国将超过300倍，移动通信技术自然也会出现新的演进。目前，5G已经成为全球的研发焦点，国际电信联盟（ITU）、第三代国际计划（3GPP）和电子电气工程师协会（IEEE）都已牵头开展了相关技术和标准的研究和制订，我国也相应成立了IMT-2020（5G）推进组[1-5]。
IMT-2020推进组将5G应用分为四大场景，即移动互联网的连续广域覆盖场景和热点高容量场景、移动物联网的低时延高可靠场景和低功耗大连接场景，相应的峰值网速指标达到10～20 Gb/s，时延在1 ms，工作频段也提高到6 GHz以下（目前选定3.5 GHz）的低频段和高达毫米波（6～100 GHz）的高频段[1-6]。
5G不仅仅是一次技术上的升级，也是一个催生新应用新技术的广阔平台。虽然工作在较4G移动通信更高的频段，同样的相对带宽意味着更大的绝对带宽，但由于移动通信工作在自然物理环境中不可避免的多径效应导致的衰落，使得既定的高网速很难达到，需要采取多种新技术来提高带宽，其中大规模多输入输出（Massive MIMO）技术是其中的关键技术。Massive MIMO对低无源互调（PIM）、低互耦、通道幅相一致性好的大规模相控阵天线的阵列、单元及其馈电电路、功率放大器等射频技术提出了新的挑战[3，5，7-9]。
从Massive MIMO天线阵列的设计研发、生产调配到系统性能认证等各个环节，都需要有射频测试技术来保证。从测试的指标来看，5G的射频测试的指标包括元器件级的传统分立射频有源/无源指标(如无源互调)和有源无源集成的空口(OTA)测试(如有效辐射功率(EIRP))，以及反映系统级性能的指标(如吞吐量)。从测试的场地来看，可以分为室外测试和室内测试[10-14]。
室内测试是在电磁暗室内利用电磁波幅相调控产生、测量以及数据的转换计算，模拟室外微波远区场的特性或真实复杂工作场景的测试方法。室内测试方法相比于室外测试方法，成本小，测量不确定度更低，适合从设计研发、生产调试到符合认证等各个阶段的应用[15]。
本文介绍和分析了5G射频测试的室内微波远区场模拟方法、室内真实工作场景模拟方法和无源互调测试方法，并重点分析了其中阵列天线法平面波模拟器、5G信道模型等关键技术。
1 室内微波远区场模拟方法
当前适用于5G移动通信基站测量的方法主要包括室内准远场、紧缩场场、球面近场和平面波模拟器等几种，如图1所示。其中，室内准远场在测量距离足够远时，一般认为对天线方向图的测量不确定度最小，主要缺点在于需要完全满足远场条件对应的暗室尺寸大，建设成本高，如广东通宇通讯建设了70 m长大暗室。室内准远场如果不能完全满足远场条件，也会引起天线方向图副瓣及零深测量的精度，另外由于路径损耗大，部分射频指标测量受限。紧缩场能够在近距离满足远场条件，基站天线方向图的测量和射频指标的测量简单直观，当前主要受限于建设成本和使用维护的成本较高。球面近场测试效率高，适用于6 GHz以下频段的天线方向图测量，由于不直接满足远场条件，部分射频指标不能直接测量。
平面波模拟器是一种能够在一定区域内产生准平面波的装置，该准平面波的电场幅度、相位波动能够满足天线测试所需要的远场环境。典型平面波模拟器的构成如图1(d)所示，采用阵列天线的近场合成技术对一个二维平面阵列天线的各个单元进行调控，将电磁场聚焦到空间中一片很小的区域。进一步通过对阵列各单元天线的幅度和相位乃至位置进行加权和优化设计，使得空间中某一区域的场分布均匀波动甚小[16-19]。
平面波模拟器相比于其他测量方法的最大优势在于对暗室空间需求小，对于5G移动通信中的6 GHz以下频率测试暗室外尺寸约为3 m×3 m×4 m。待测天线处于平面波环境中，不需要进行变换，能够对很多射频指标进行直接测量。平面波模拟器能够测量的天线及射频指标主要包括：天线方向图、天线增益、天线效率、交叉极化、EIRP（等效全向辐射功率）、TRP（总辐射功率）、TIS（总全向灵敏度）、EIS（有效全向灵敏度）、EVM（误差向量幅度）、ACLR（邻道干扰）。平面波模拟器还能够支持更高层的系统测试，如吞吐率、误码率测试等。
平面波模拟器的具体配置方法如图2所示，一个Ne=Nx×Ny个天线单元的平面阵列，单元间距分别为dx和dy，在法向距离为d的一定区域产生准平面波。假设单元为理想点源，平面阵列在静区采样点(xm，ym，d)（共M个采样点）的电场表达式[20]为：
通过对目标函数E(xm，ym，z)的优化实现所需要的准平面波条件。
结合以上分析，本文仿真了一个20×20单元的平面波模拟器，单元间距为λ，在1.8 m远处形成的1 m×1 m静区内，幅度波动<1.0 dB，相位波动<10°，该平面波模拟器在3.5 GHz电场分布情况如图3所示。
2 室内真实工作场景模拟方法
Gbps量级的网速带宽是5G的特征之一。无线信道中不可避免的多径衰落效应造成的多径散布谱制约着实际带宽的实现[21]。MIMO技术通过空时编码技术，充分利用多径中各个子径的非相关性，可以大幅度提高系统实际带宽容量，这个测试获得的带宽称为吞吐量（Throughtput）。5G的Massive MIMO技术通过增加更多的基站端天线，除了可以大幅度提高实际带宽，还可以获得更好的波束赋形能力，提高网络容量并抑制小区内干扰。这一技术对于信道建模、预编码和导频设计等提出了更高的要求。
室内空口（OTA）测试是美国无线通信和互联网协会（CTIA）提出的系统性能测试方法，在MIMO等多天线系统OTA测试方法中，3GPP37.977文件中介绍了MIMO OTA吞吐量的定义，并给出了多探头暗室方法（MPAC）、混响室方法和两阶段（2-stage）方法等可选方案，如图4所示[22]。
Massive MIMO系统吞吐量的室内OTA测试的核心问题是如何在室内模拟5G移动通信的真实工作场景，复现真实场景中多径效应造成的电磁波信号在空间域、时间域、极化域和频率域上的特性[23]。
从这一角度出发去分析3个可选方案，如图4（b）所示，混响室方法是利用混响室的特点模拟幅度高斯分布、相位均匀分布的瑞利信道；图4（c）所示的两阶段法是，首先测得天线方向图，然后将计入了天线方向图影响的信道模拟器利用传导法接入被测设备。以上两种方法实际上都没有全面模拟电磁波相对于被测天线阵列的空间分布特性，从而无法考察不同基站-终端方向夹角下的系统性能差异，也无法考察Massive MIMO阵列的空间波束赋形能力[22-23]。
在图4（a）所示的多探头测试方法中，每一个双极化探头天线都连接两个对应不同极化信号的信道模拟器。信道模拟器是用来模拟经过真实工作场景中多径效应后的衰落信号，因此从探头天线上发出的信号是符合衰落信道模型的随机信号，从而较好地解决了真实工作环境信号的室内重建，更全面地考察了被测系统的吞吐量。
可以看到，信道模型无论是在Massive MIMO系统的设计，还是在MIMO系统级性能的室内测试中，都是最关键的技术之一。由于天线方向性的特点，终端的信道模型目前一般采用几何模型或称基于子径的扩展模型（SCME）。SCME模型将多径信号假设为从固定的若干条具有不同强度、时延、到达角的路径到达，由于带宽越宽越能辨析更多的路径，因此，路径的数目与工作的带宽成正比。SCME模型适用的场景是郊区宏小区环境、城市宏小区环境和城市微小区环境，不同环境假设的直达信号（LOS）信号不同。对于基站而言，由于安装位置和天线阵列的特点，多径信号的来波方向应该更加集聚[24-25]。
事实上，信道模型不仅取决于环境的几何因素，更与工作频率、收发天线的位置高度和方向图特性、环境的材料因素密切相关。3GPP、ITU定义的信道模型较为简单，无法体现系统、终端、芯片在真实场景下的性能。我国的新一代宽带无线移动通信网重大专项2018年度课题中专门设立了课题1-22“基于大数据的5G信道模拟与性能验证”，研究室内精确模拟室外传播环境的方法。综合利用海量的信道测量数据，引入数据挖掘和机器学习技术，构建涵盖多小区和多用户的无线传播环境，研发切换、峰值吞吐量、切换等关键技术的性能仿真和测试平台。
3 无源互调的测试
当无源器件中输入多个频率的信号时，由于器件的非线性在信号之间会产生互调干扰，从而对通信质量产生影响。未来5G移动通信中，大功率、多频带、高灵敏度已成为一种发展趋势，需要更加重视PIM的设计和干扰测试[26-35]。
无源互调表征有两种方法：一种是绝对功率电平表示法，用以dBm为单位的互调产物电平值来表示；一种是相对功率电平表示法，即用互调产物绝对功率电平与一个输入载波功率电平的差值来表示，单位为dBc。IEC62037建议实验端口处采用2×20 W（43 dBm）功率，这一标准已被业界广泛采用。比如基站天线互调要求一般为-107 dBm@2×43 dBm，等同于-150 dBc@2×43 dBm。
目前，国际上已经制定了无源互调失真测量标准IEC 62037，IEC 62037系列标准基于双载波测试方法，包括辐射式互调测试和传输式互调测试两种基本标准，主要针对于单端口器件（如天线）、多端口器件（如功分器）及双端口器件（如同轴接头、波导等）。辐射式测试原理图如图5所示，用于单端口器件的测量中，天线和负载等都可以采用这种测量方法。双端口器件使用如图6所示的传输式测试系统。由于互调信号电平较低，一般要求测试系统保持一定的稳定性。
以辐射式测试系统为例，测试系统由三部分组成(发射部分、被测部分、检测部分)，发射部分由大功率频综信号源、定向耦合器、功率计、频率合成器、Tx-Rx双工器组成。被测信号由大功率频综信号源产生，两个载波经频率合成器合成，合成后的信号经过Tx- Rx双工器到达被测件，检测部分由低PIM带通滤波器、低噪声放大器、频谱仪组成。对产生的PIM信号进行滤波、放大并显示。通常用辐射测量法对包含喇叭在内的辐射型被测件进行测量, 需要一个无PIM的吸波室。
该方法可以测量PIM水平在典型值(高于-110 dBm)的微波器件，而当PIM很微弱时(低于-110 dBm)，测试系统中信号源带来的杂散与互调强度接近甚至高于互调，经过带通滤波器很难滤除信号源杂散，导致检测到的PIM信号不准确。采用Massive MIMO技术的5G移动通信基站功率比43 dBm大大增加、终端工作频段扩展、接收机灵敏度不断提高，对无源互调测试系统准确性、灵活性、高效率和稳定性也提出了更高的要求。
4 结论
5G移动通信中天线和射频技术的发展将极大地推进天线、射频前端及系统级测量方法的进步。更加适用于5G移动通信测量的平面波模拟器等新技术将会获得广泛应用。针对整个通信系统特性测量的5G信道仿真技术、无源器件的互调仿真方法将会得到新的发展。
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