5G系统关键技术与其射频性能测试分析,本文是性能测试类毕业论文提纲范文跟性能测试和5G系统关键技术和射频有关论文范文集.
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摘 要：5G是面向2020 年以后的新一代移动通信系统,它是实现对现有移动通信技术的一个融合,通过技术的演进和创新,满足移动业务流量剧增的需求,解决4G移动网络面临的问题和挑战,从而构造一个高速的传输速率、高容量、低时延、高可靠性、优质的用户体验的网络社会.本文分析了支撑5G移动通信且备受关注的两大关键传输技术,即先进的频率利用技术以及大规模MIMO技术.并对基于这两大技术的引入给5G测试带来的挑战以及5G终端射频性能测试方法进行了分析和研究.
关键词：5G；毫米波通信技术；大规模MIMO技术；射频性能测试；OTA测试
1 引言
随着移动通信和互联网技术的发展,人类已进入了高速发展的信息化社会.为了应对未来爆炸式的移动数据流量的增长、海量的设备连接以及多样化业务和应用,第五代移动通信（5G）系统应运而生.近几年在世界范围内,已经涌现了多个组织对5G开展积极的研究工作,其中国际电信联盟（ITU）作为通信领域最权威的国际标准化组织之一,从2012 年开始组织开展5G标准化前期研究,持续推动全球5G 共识形成.中国IMT-2020 5G推进组于2013 年2 月成立,它的成立也标志着我国从此拉开了5G标准化与产业化推进的帷幕.
2 5G概述及其应用场景
2.1 5G移动通信的介绍
当前移动互联网和物联网可以说是5G移动通信发展的主要驱动力,同时也为5G提供了广阔的应用前景.5G将是面向2020 年及未来,移动互联网将推动人类社会信息交互方式的进一步升级,为用户提供AR、VR、超高清视频、移动云等更加身临其境的极致业务体验.5G将是移动通信技术面向ICT 和物联网领域的大革新,在汽车行业、健康行业、农业、交通、电力能源、智能制造乃至金融与安全领域发挥重大作用.5G的系统设计主要目标将是满足不同的移动业务需求,将更广泛的社会和产业需求映射到信息系统的建设与网络指标的制定中,因此5G技术将在技术指标、技术选型以及频谱划分等方面体现出多样性.
由中国IMT-2020 5G推进组提出且被ITU 接受的5G技术指标纬度,与以往关注数据速率指标不同的是5G的技术指标趋于多样化,5G性能需求如下：
●用户体验速率：0.1～1Gbit/s.
●连接数密度：一百万连接/km2.
●端到端时延：ms级.
●流量密度：数十Tbit/s/km2.
●移动性：500km/h以上.
●峰值速率：数十Gbit/s.
其中,用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的3 个性能指标.同时,5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率,相比4G,频谱效率提升5～15 倍,能效和成本效率提升百倍以上.
2.2 5G NR标准化进程
如图1 所示,5G整个网络标准分几个阶段完成：第一阶段启动R15 为5G标准,R15 重点满足增强移动宽带（eMBB）和低时延高可靠（URLLC）应用需求,该阶段又分为两个子阶段：第一个子阶段5G NR（NewRadio）非独立组网特性已于2017 年12 月完成,于2018年3 月冻结；第二个子阶段5G NR 独立组网标准于2018 年6 月完成,于9 月冻结.第二阶段启动R16 为5G 标准,计划于2019 年12 月完成,于2020 年3 月冻结,全面满足eMBB、URLLC、大连接低功耗场景mMTC等各种场景的需求.可以说,本阶段完成满足ITU（国际电信联盟）全部要求的完整的5G标准.
事实上,在R15 启动之前,3GPP 就在进行5G 相关标准研究工作,包括5G系统框架和关键技术研究,该阶段的成果被称为R14 版本,于2017 年3 月完成,于6 月冻结,R14 阶段主要开展5G系统框架和关键技术研究.
根据工作程序,3GPP 总体规范可分为3 个阶段：业务需求定义阶段、总体技术实现方案阶段、实现该业务在各接口定义的具体协议规范阶段.R14、R15、R16规范的各个Stage完成时间汇总如表1 所示.
2.3 5G 应用场景介绍
3GPP 定义了5G 的三大业务场景,（EnhancedMobile BroadBand,eMBB）增强型移动宽带、（MassiveMachine Type Communications,mMTC）大规模机器类通信、（Ultra-Reliable andLowLatency Communications,uRLLC）超高可靠与低延迟的通信.其无线相关的性能指标要求因场景而不同,其含义和指标要求也受场景和网络部署等因素的影响.
●eMBB 场景：在任何情况下用户都能获取100Mbit/s 以上的体验速率,热点区域为用户提供1Gbit/s的用户体验速率和10Gbit/s以上的峰值速率,满足10Tbit/s/km2 以上的流量密度需求.主要应用方向：能够实现Gbit/s 移动宽带数据接入,三维立体视频、超高清晰度视频、云工作、云娱乐、增强现实等.
●mMTC 场景：针对环境监测、智能农业等以传感器和数据采集为目标的应用场景,该应用具有小数据包、低功耗、低成本、海量连接等特点,要求支持106 个/km2 以上的连接数密度.主要应用方向：物联网、智能家庭、智慧城市、智能楼宇、智能放牧、种植、物流追踪等.
●uRLLC 场景：面向车联网、工业控制等物联网的特殊应用需求,为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证.主要应用方向：无人驾驶、远程医疗、工业自动化、紧急任务应用等.
3 5G若干关键传输技术
为了满足上述介绍5G技术关键能力指标,提升相关业务的支撑能力,5G在无线传输技术方面也有了新的突破,引入了能进一步挖掘频谱效率以及功率效率提升潜力的关键技术.目前,在众多5G相关技术中,毫米波通信技术以及MassiveMIMO备受关注.
3.1 先进的频率利用技术
频谱是移动通信中十分宝贵的资源.当前国际上2G、3G、4G移动通信系统普遍采用3GHz 以下中低频谱.第一,中低频段相对于高频段可传输更远的距离；第二,中低频的器件具有更低的成本和更高的成熟度.但目前移动通信中低频频谱的资源非常稀缺,为了满足不断发展的移动业务需求和不断增长的用户数据速率需求,一方面需要探索增强中低频频谱利用效率的有效途径,另一方面需要进一步开拓更高频段（3GHz以上）的频谱资源.
5G移动通信采用先进的频率利用技术是充分利用各种频谱资源来提高系统容量及传输速率,可有效缓解网络对频谱资源的需求.另外,5G要面向移动互联网、物联网等多样化应用场景,一方面,需要高频段连续大带宽频谱,满足5G业务速率要求；另一方面,需要满足用户时时在线的需求,保证用户的高速移动性,还必须借助低频段提供良好的网络覆盖.因此,5G时代势必需要采用低、中、高频段相结合的频谱使用方式.通常,会将2GHz 以及2GHz 以下的频段划为5G的低频部分,2～6GHz 划为5G 的中频部分,而将6～100GHz 划为5G的高频部分,不同的频谱区间对应着不同的空口特性,不同频段将适配不同的无线技术.
在3GPP5G标准R15 版本中,定义了两大FR（频率范围）（见表2）.
目前,5G 高频段应用热点,有毫米波通信技术.高频毫米波通信是指以毫米波作为传输信息的载体而进行的通信.通常毫米波频段是30～300GHz,相应波长1～10mm,广义的毫米波包含20～30GHz.毫米波,目前一般用于点对点的大功率系统,如卫星系统、微波系统等.高频毫米波应用于5G移动通信有着显著的优点,比如极宽的带宽,在大气中传播的总带宽可达到135GHz,为微波以下各波段带宽之和的5 倍；天线和设备可实现小型化高增益；安全保密性好,传输质量高,由于频段高毫米波通信基本上没有什么干扰源,电磁频谱极为干净,因此毫米波信道非常稳定可靠,其误码率可长时间保持在10～12 量级,可与光缆的传输质量相媲美.但是,毫米波通信也面临一些挑战,例如路径损耗大,受空气和雨水等影响较大,不适合远程通信；穿透和绕射能力差.另外,高低频段通信系统的统一、高频器件设计等问题也有待进一步研究.
3.2 大规模MIMO传输技术
从WCDMAHSPA+标准就开始用到2×2MIMO技
术,传统的MIMO技术是利用发射端的多个天线各自独立发送信号,同时在接收端用多个天线接收并恢复信号.MIMO通过发送和接收多个空间流,信道容量随着天线数量的增大而线性增大,从而成倍提高无线通信容量,在不增加宽带和天线发送功率的情况下,频谱利用率也可成倍提高.目前,移动通信系统中,收发端配置天线数量有限,而大规模天线系统是在收发两端配置多根天线,特别是在基站侧部署远多于小区终端数量的天线阵列,实现在水平和垂直维度的灵活的波束控制.MassiveMIMO能够提供更窄、更精确的指向性波束,提升SNR/SINR 增益,增强小区边缘覆盖性能,并且可以利用空分复用技术,在相同的时频资源上,同时服务更多用户,提升频谱效率和系统容量.相比于传统的MIMO技术,大规模天线具有很多优势：
（1）热噪声及非相干干扰的影响有效降低.
（2）空间分辨率显著提升.
（3）可实现多波束的智能赋形,其定向和波束赋形能力更强,使得系统容量、频谱、效率和能量效率大幅度提升.
但目前大规模天线传输技术也存在一定的局限性：导频污染已经成为了性能的瓶颈、当前大规模天线的信道模型还不成熟、大规模天线收发机的复杂度高等,这些问题需要不断深入研究和改善.
目前,基于华为、中兴、大唐大规模天线阵列的试验样机的性能测试结果,通过将天线端口数增加至64～128 个,相比于LTE-A,可实现3～4 倍的频谱效率提升,结合新型多址、先进编码等关键技术,可满足ITU频谱效率指标3～5 倍提升需求.面向商用的低成本大规模天线系统将是后续重要的研究方向.
4 5G设备射频性能测试
4.1 5G测试面临的挑战
上节已分析了大规模MIMO和毫米波通信技术是5G系统的标志性技术,也是实现5G系统性能目标的关键.在毫米波传播的情况下,高频容易受到空气、雨水、湿度吸收和障碍物的影响,信号能量也衰减严重.因此,毫米波只能传输短距离,并需要视线（LoS）传播.为了补偿非视距（LoS）环境中有限的传输距离和操作,智能波束赋形和波束追踪技术将被整合到5G传输中.波束赋形好比是一种交通信号系统,可识别并为用户提供最有效的数据传输路径,能减少对传输过程中的干扰.波束赋形是帮助大规模MIMO 阵列更有效利用附近频谱的有效技术.同时,大规模MIMO和毫米波通信技术的应用也对5G测试提出了巨大的挑战.
（1）毫米波器件最重要的测试之一就是传播损耗.在28GHz 时,损耗比LTE 频率高大约40dB,还要重点考虑每3dB 的损耗就将总功率降低一半的问题.
（2）为了保证5G系统能获得预期的空间复用增益,还需要对天线阵列的波束赋形能力进行测试和校准,这将需要负责的测试环境和设备,测试周期和成本也可能大幅度增加.另外,测试必须在主动波束形成环境中对设备和天线进行静态测试,还必须知道需要多少点才能获得准确的测量结果,导致测试效率并不高,成本太高.
（3）5G移动设备设计使传播损耗问题变得更加复杂.为了测试集成在电路板上或外壳内的天线,采用了新空口（OTA）测量,包括功率和灵敏度.OTA测试意味着要应对不同的挑战,包括可重复性、可配置性以及可覆盖范围.在毫米波设计上进行OTA测试还会带来巨大的成本投入.
（4）由于毫米波在大气中衰减严重,无法被使用于传统的无线通信场景进行测试.所以,目前针对毫米波技术的测试面临很大的挑战.毫米波信道测量,需要使用毫米波信道,就首先需要了解这些信道的特点并对其有合理的建模.
4.2 5G 设备OTA射频性能测试分析
5G设备射频一致性测试是其投入市场商用必不可少的一个环节,由于毫米波通信以及大规模MIMO技术的引入,进而要求有相控阵,会在这个基础上加载波束赋形技术,那么新的测试对象会是一个波束或者阵列,有明确的方向性；另外,天线都集成在电路板上或外壳内,这就导致了5G设备射频性能的测试方式不再是采用传统的传导性测试,而必须改为无线新空口OTA的方式进行.
目前,3GPPRAN4 讨论了国际首个5G终端测试标准TR38.810,5G设备采用OTA空口的方式进行测试,主要的测试方案有远场测试法、近场测试法、紧缩场测试法.这3 种测试方法各有其优缺点,并且适用的终端测试范围也不同.
根据天线测量距离的远近,天线的测量有远场测试和近场测试之分（见图2）.
远场测试法,指的是被测设备和接收天线之间的距离要大于等于2D2/λ的情况下,直接测量被测天线的远场数据.其中,D代表被测设备的最大尺寸,λ代表对应测试频率的波长.远场测试的优点在于,几乎可覆盖所有的测试项目.缺点在于测试高频或者大尺寸的设备时,对暗室的尺寸要求很高,并且测试距离的增加,也会使测试路径的衰减变大,一方面需要建造大尺寸的暗室,另一方面还需要在测试系统中增加一些对应的放大器,来改善测试路径的衰减,增加测试的动态范围.这使得测试系统成本会非常高.
近场测试法,利用高精度扫描架在近场范围内对被测设备的幅度和相位进行测量,然后通过远近场变换算法,得到待测天线远场辐射特性,以达到远场测试的目的.它的优点是所需的测试距离较小,因此受到外界环境的干扰也小,精度和保密性较高,最重要的是不受天气影响可进行全天候的测试.近场测试不足之处,其测量设备由于其精密度要求高,造成设备的造价也高,耗时较长,这也是近场测试技术发展和实际应用中的小阻碍.
紧缩场测试法,它是属于室内远场的一种,即在接收天线和被测设备之间增加了反射板,信源发出的信号会经过一个或者两个反射面,反射面有一定的曲率,测试信号经过反射面后形成平面波,从而满足远场条件.紧缩场测试利用反射面天线模拟了远场测试方案,且紧缩场测试中的发射、接收天线与被测目标之间的距离远小于远场测试所需的距离,所以紧缩场所需的测试空间小于远场测试方案.其优点在于可以节省暗室的尺寸和空间,同时还降低了对毫米波放大器的要求.其缺点在于：
（1）对于部分测试例无法支持.
（2）对于反射板的制作工艺要求较高,特别是对大尺寸和低频设备,反射板的尺寸会要求比较大,这在一定程度上也会增加测试系统的成本,难于普遍应用.
以上介绍了5G设备OTA测试的方案,每种方案各有优缺点,具体参见表3.
目前,在3GPP 中广泛讨论紧缩场的测试方案,在低频段的天线测试方法中,紧缩场已开始商用.因此,未来5G设备测试中,紧缩场测试也是重要的候选方案之一.近场测试方法还有很多问题有待解决,目前在3GPP 关于近场测试的讨论还比较少,未来5G毫米波测试领域优先级别会相对低.
5 结束语
未来5G时代将面临海量的设备连接及应用,给测试行业带来更广阔的市场前景.另外,5G作为新一代移动通信系统,其目标是为了满足不同的移动业务需求,将更广泛的社会和产业需求映射到信息系统的建设当中,因此5G技术将在技术指标、技术选型等方面体现出多样性,这也给5G的基站、终端等设备的测试技术提出了全新的要求和挑战.测试技术越来越复杂,其投入成本也会不断剧增,后续围绕5G设备的测试也会衍生新的商业模式,促进5G产业界的各大厂商及研究机构深度合作,加强对5G测试的投入,共同推进5G产业链的商业化发展.
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