張治中 毛亞麗 朱 磊

（重慶郵電大學通信網(wǎng)測試工程研究中心，重慶，400065）

引 言

第五代移動通信系統(tǒng)（The 5th generation mobilecommunication system,5G）將開啟萬物互聯(lián)的時代，其技術主要應用于3個典型的場景，分別是增強移動寬帶(Enhanced mobile broadband,eMBB)、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)(Massive machine-type communications,mMTC)以及低時延高可靠通信(Ultra-reliable and low-latency communications,URLLC)[1]。到目前為止，韓國、美國、瑞士、英國和西班牙已開通了5G服務。

韓國和美國作為最早開通5G商用服務的國家[2]，在實測過程中都出現(xiàn)了基站覆蓋不足、網(wǎng)絡服務質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。據(jù)調(diào)查，韓國5G室內(nèi)外實測傳輸速率差距較大，室外傳輸速度約為430Mb/s，而室內(nèi)僅為193Mb/s。并且，在測試過程中存在連接頻繁中斷，地下信號弱等問題。根據(jù)美國運營商Verizon的5G服務實測結果顯示，在沒有阻擋的室外環(huán)境下5G毫米波基站的覆蓋范圍在100～150m之間，但由于5G毫米波信號穿過障礙物后損耗嚴重，從而無法完成室內(nèi)覆蓋。所以，為了保障5G商用后的性能，必須在商用前做好全方位測試與有效評估。

在通信產(chǎn)業(yè)鏈中，通信網(wǎng)絡的規(guī)劃、建設和運營都離不開測試這一重要環(huán)節(jié)。測試可為移動通信系統(tǒng)的關鍵技術研究及產(chǎn)品研發(fā)與維護提供支撐。5G通信的測試主要包括：關鍵技術、5G網(wǎng)絡架構、5G新空口技術（New radio，NR）、5G設備和應用測量。其中，5G相比于長期演進（Long term evolution，LTE)技術在空口部分引入了毫米波、Massive MIMO和新多址接入等多種技術[3]。傳統(tǒng)空口測試技術無法對5G新技術的有效性進行驗證，因此急需發(fā)展全新的測試技術。此外，5G測試還面臨著終端智能化與應用場景多樣化帶來的新挑戰(zhàn)[4]。

中國在5G商用前期建設中穩(wěn)中求進，按照計劃進行5G全產(chǎn)業(yè)鏈的整體協(xié)同工作。2016年IMT-2020（5G）推進組開啟5G技術研發(fā)試驗；2017年全國首批5G試驗網(wǎng)建設和外場測試分別在廣州、上海、蘇州和寧波4座城市進行[5]；2018年3大運營商在上海、蘇州和杭州等城市開展5G試點；2019年6月提前發(fā)放5G商用牌照，促進5G形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，5G商用提上日程。

1 國內(nèi)5G測試進展

1.1 5G關鍵技術及測試進展

為了適應未來移動網(wǎng)絡通信需求，5G引入了大規(guī)模天線、新型多址接入、新型多載波、高頻段通信、超密集組網(wǎng)和新型編碼六大關鍵技術[6-7]。

大規(guī)模天線：由于5G的使用頻段高，傳輸速度快，因此會面臨波長短，信號傳輸衰減嚴重，穿透性弱的問題，從而影響信號的接收。根據(jù)理想條件下的弗里斯傳輸公式

式中：R為發(fā)送端與接收端的距離，Pr為接收功率，Ps為發(fā)射功率，Gs為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，λ為波長。在5G使用高頻頻段進行通信時，能夠通過增大發(fā)送功率、縮短發(fā)送端與接收端的距離與增大接收天線與發(fā)射天線增益等方式保證接收信號。綜合考慮實施的可行性與成本等方面，改善接收與發(fā)射天線增益是最佳方案。大規(guī)模天線技術通過在基站側配置多根天線，并在水平和垂直方向?qū)μ炀€進行動態(tài)調(diào)整，從而達到提升無線通信系統(tǒng)的容量、擴大覆蓋范圍、提高波束控制能力的效果[8-12]。然后通過空間復用技術，提升頻譜效率。

新型多址接入：傳統(tǒng)的正交多址技術為了服務不同的用戶，通過切割資源的方式進行傳輸，但在面對5G的用戶密度大、頻譜效率高等要求時，傳統(tǒng)正交多址接入方案難以滿足要求。新型多址接入技術不再進行分割，而是采用疊加傳輸?shù)姆绞?，在資源上復用更多的用戶[13]，傳統(tǒng)的時分多址（Time division multiple access,TDMA）和頻分多址（Frequency division multiple access,FDMA），與非正交多址接入（Non-orthogonal multiple access,NOMA）的對比如圖1所示。新型多址技術在接收端利用接收算法（如連續(xù)干擾抵消（Successive interference cancelation,SIC）算法）進行了信息的分離，可以提高系統(tǒng)的接入容量和頻譜效率。通過免調(diào)度傳輸，新型多址技術還能達到簡化信令流程和縮短空口傳輸時延的效果[14-16]。

圖1 正交多址與非正交多址對比Fig.1 Orthogonal multiple access and non-orthogonal multiple access comparison

新型多載波：子帶濾波的正交頻分復用（Filtered-orthogonal frequency division multiplexing，F(xiàn)-OFDM）、濾波器組多載波（Filter bank multi-carrier，F(xiàn)BMC）、通用濾波器多載波（Universal filtered multi-carrier，UFMC）作為新型多載波技術[15]，可以降低子帶或子載波的帶外泄露，降低保護帶開銷。文獻[17-21]中有3種載波技術的相關介紹，F(xiàn)-OFDM將一個完整的頻帶劃分為多個子帶，根據(jù)業(yè)務進行波形參數(shù)的設置，對子帶的濾波處理，適用于LTE與5G；濾波器組多載波（Filter bank multi-carrier，F(xiàn)BMC）技術對通信網(wǎng)絡的內(nèi)部子載波進行單獨濾波，其中各子載波之間不必正交，通過設計系統(tǒng)內(nèi)濾波器能夠消除碼間串擾；UFMC對連續(xù)子載波進行過濾，處理5G信號更加靈活。

高頻段通信：2G到LTE普遍使用的是3GHz以下的頻段，該頻段具有覆蓋范圍廣、受干擾較小且傳播衰耗較小等優(yōu)點。由于低頻開發(fā)時間較早，剩余的頻段資源達不到5G的需求。因此5G采用以sub 6GHz作為主要頻段結合高頻段的方式，構成了5G的工作頻段[22-27]。5G采用的波束賦形技術，能夠提高頻譜利用效率。文獻[28]中假設n個對稱振子作為陣元構成離散元直線陣，其方向函數(shù)如式（2）所示，Ai代表天線元電流的幅度，φi代表其相位，d1i代表每個陣元相對于第1個陣元的中心距離。從方向函數(shù)中可以看出通過控制天線陣列的相位和幅度可以實現(xiàn)對特定方向的信號進行疊加，有

超密集組網(wǎng)：在無線網(wǎng)絡中通過增加小區(qū)數(shù)和信道數(shù)，可以獲得更高的頻率復用效率，從而在局部熱點區(qū)域?qū)崿F(xiàn)百倍量級的系統(tǒng)容量提升[29-30]。5G超密集組網(wǎng)可以分為“宏+微”及“微+微”兩種方式。在“宏+微”部署方式中，宏基站負責大面積廣域覆蓋，微基站負責容量。在“微+微”部署方式中，微基站組成的密集網(wǎng)絡形成一個虛擬宏小區(qū)，完成類似于“宏+微”模式下宏基站的功能[31-33]。

新型編碼：信道編碼通過在發(fā)送端對原數(shù)據(jù)添加冗余信息，在接收端檢測并糾正傳輸中產(chǎn)生的差錯的方式，消除傳輸過程的干擾，過程如圖2所示。低密度校驗碼（LDPC碼）和極化碼（Polar碼）作為5G新型編碼技術，分別用于數(shù)據(jù)信道和控制信道。LDPC碼是一種前向糾錯碼，其校驗矩陣中的非零元素很少，使得譯碼復雜度與最小碼距僅隨碼長的增加而線性地增加。同時，LDPC碼是通過其校驗矩陣H進行迭代譯碼的。

圖2 信道編碼解碼過程Fig.2 Channel coding and decoding process

Polar碼是理論上可以達到香農(nóng)極限的編碼，根據(jù)信道極化理論，當碼長N不斷增大時，能產(chǎn)生容量趨于1的無誤碼信道。同時，Polar碼使用復雜度較低的SC譯碼算法，消除了錯誤平層現(xiàn)象，并且相關研究[34-35]針對SC算法的吞吐量等問題也提出了優(yōu)化算法。

針對5G關鍵技術，推進組做了以下測試內(nèi)容，如表1所示。5G推進組于2016年在MTNet實驗室與懷柔和順義外場針對5G單點關鍵技術進行了驗證測試[36]。測試結果如表2所示。

表1 5G關鍵技術測試內(nèi)容Tab.1 Test contents of 5G key technologies

通過對關鍵技術的測試結果進行分析，可以得到以下結論：

（1）關鍵技術測試開展促進了研發(fā)與標準生成。5G關鍵技術是支撐5G實現(xiàn)的基石，大規(guī)模天線、新型多址技術、高頻通信等關鍵技術為5G的低時延、高可靠性能指標的實現(xiàn)提供了解決途徑。通過“測試先行”的思想，推動了5G全球標準的研究與生成，確保中國在5G標準體系中具有舉足輕重的地位，實現(xiàn)真正意義上的“5G引領”。

表2 5G關鍵技術測試結果Tab.2 Key technology test results

（2）5G關鍵技術性能初步驗證成功。推進組對5G的關鍵技術測試的結果顯示，7家參與測試單位的成果實現(xiàn)了對5G的8項關鍵技術的驗證。關鍵技術的成功驗證為5G網(wǎng)絡架構下新技術的可行性提供了有效的證明，也為5G多樣化場景的實現(xiàn)提供了有效支撐。

1.2 5G核心網(wǎng)測試進展

非獨立組網(wǎng)(Non-standalone,NSA)和獨立組網(wǎng)(Standalone,SA)是5G網(wǎng)絡部署的兩種方式[37]，如圖3所示。

從長遠來看，SA才是5G通信的主流方向，但考慮到前期投入與5G商用速度，許多運營商會先進行NSA規(guī)模部署再逐漸向SA演進，為此需要演進LTE中使用的演進分組核心網(wǎng)（Evolved packet core，EPC）的功能。SA作為5G網(wǎng)絡最終的發(fā)展方向，其核心網(wǎng)架構基于網(wǎng)絡功能虛擬化（Network function virtualization，NFV）和軟件定義網(wǎng)絡（Soft defined network，SDN）等技術[38]，能有效提升網(wǎng)絡靈活性，降低部署成本，提供給用戶數(shù)據(jù)連接和數(shù)據(jù)業(yè)務服務。

針對核心網(wǎng)測試，5G推進組邀請運營商、設備商和芯片商等共同參與，通過在MTNet實驗室搭建的室內(nèi)測試環(huán)境，完成了NSA/SA核心網(wǎng)功能測試[39]。此外，三大運營商通過聯(lián)合華為、中興等設備商，構建5G核心網(wǎng)室外測試環(huán)境，進行了端到端的技術和業(yè)務測試。NSA/SA核心網(wǎng)測試結果如表3、表4所示。

圖3 NSA/SA架構Fig.3 NSA/SA architecture

表3 NSA核心網(wǎng)測試Tab.3 NSA core network test

表4 SA核心網(wǎng)測試Tab.4 SA core network test

1.3 5G接入網(wǎng)技術測試進展

接入網(wǎng)由一些部署成蜂窩狀的基站構成。由于5G所處頻段較高，相較4G基站，其覆蓋范圍變小。因此5G基站部署的密度將會增大，形成以宏基站覆蓋為主，小基站輔助完成深度覆蓋和容量吸收的模式。華為、中興和愛立信等系統(tǒng)設備廠商們研發(fā)了基于3.5/4.9GHz基站以及面向新獲批的2.6GHz頻率的基站，基站天線配置如表5所示。

推進組在MTNet實驗室內(nèi)完成5G基站功能測試，并利用傳導測試方法對3.5GHz/4.9GHz基站進行了射頻測試。同時還通過空口輻射（Over the air，OTA）測試在信通院的暗室中對3.5GHz頻段的基站性能指標進行測量。NSA/SA接入網(wǎng)測試結果如表6，7所示。從5G組網(wǎng)的測試的結果不難看出：

表5 基站天線配置情況Tab.5 Base station antenna configuration

表6 NSA接入網(wǎng)測試（頻率：3.5GHz/4.9GHz/2.6GHz）Tab.6 NSA access network tests（Frequency：3.5GHz/4.9GHz/2.6GHz）

表7 SA接入網(wǎng)測試（頻率3.5GHz）Tab.7 SA access network tests（Frequency：3.5GHz）

（1）5G系統(tǒng)組網(wǎng)測試基本完成，助力運營商部署網(wǎng)絡。推進組在內(nèi)外場進行了5G基站與核心網(wǎng)設備驗證，已基本具備了支持兩種組網(wǎng)模式的能力。其中，2.6GHz頻段的基站功能測試通過對中國移動的網(wǎng)絡部署起到推進作用。

（2）OTA測試方法在5G NR測試中重要性突顯。在此次基站測試中，OTA測試方法不僅使用于射頻性能的驗證，還是驗證有源天線涉及外場射頻性能測試的首要技術。這主要歸因于在設備集成度逐漸升高的情況下，使用OTA測試方法能最有效地反應在真實環(huán)境下的使用情況，且可行性高。

2 5G NR的OTA測試技術及在基站天線測試的應用

相較于LTE，5G在空口技術方面發(fā)生了重大的變化，其中Massive MIMO技術的運用使得無線網(wǎng)絡設備更為復雜。針對天線尺寸小、集成天線不提供射頻測試接口且難以拆分等問題采用基于OTA技術的一體化測試方法，實現(xiàn)對基站天線及射頻的測試[40]。

2.1 5G OTA測試方法分類

5G OTA測試場主要分為3種：遠場、近場和緊縮場。對測試場的選擇不同，將在指標測試、場地要求和路徑損耗等方面有不同的表現(xiàn)，表8從測量指標到建設難度多個維度對3種場地進行對比。

表8 測試方案對比表Tab.8 Test scheme comparison table

(1)遠場測試：通過對遠場的測試環(huán)境的設置能夠達到接近于真實的傳播環(huán)境，因此，測試結果最接近實地測試結果。同時，遠場還具備多用戶測試的能力，并且是小區(qū)覆蓋和溫度測試的最佳選擇。但存在的缺點是，遠場測試距離與頻率呈正比，由此，帶來場地占地面積較大、造價最高和路徑損耗較高的問題。

(2)近場測試：近場測試擁有測量距離小、抗干擾能力強、測量精度高和保密性高等優(yōu)點。但是，近場的測量設備精度高，導致了設備造價很高。同時，近場是根據(jù)信號的幅度和相位變換到遠場，變換后不可避免會出現(xiàn)誤差。因此，對于非全向的指標也要采集全向的數(shù)據(jù)信息，這將導致測量效率降低。

(3)緊縮場測試：緊縮場運用反射面，將饋源產(chǎn)生的球面波轉換成平面波，減小了測試場的大小，降低了路徑損耗。緊縮場測試對等效全向輻射功率、有效全向靈敏度、誤差向量幅度和鄰道泄漏等射頻輻射指標的測試和遠場測試效果最接近。但是緊縮場的反射面成本高，安裝與維護的要求也比較高。此外，緊縮場無法進行多用戶測試。

在對遠場、近場和緊縮場分析后，可以看出這3種場地無法覆蓋所有的5G測試項。因此，在測試場的選擇中，可以根據(jù)測試需求、成本和可行性等方面的綜合考量，靈活選用單場測試或組合場測試的方法。

2.2 Massive MIMO的測試方案

為了體現(xiàn)天線整體的輻射性能，需要在指定的微波暗室中通過有源測試方法，對接收靈敏度以及總輻射功率指標進行測量。MIMO天線的性能測試方法主要有混響室(Reverberation chamber，RC)、輻射兩步法(Radiated two-stage，RTS)、多探頭消聲室(多探頭消音室（Multi-probe anechoic chamber，MPAC）方法)OTA方法[41]，3種測試方法對比如表9所示。

表9 天線有源測試方法Tab.9 Antenna active test method

采用MPAC法的天線測試系統(tǒng)如圖4所示，該測試系統(tǒng)由多探頭全波暗室、信道模擬器和綜測儀等組成。為了保證測試在無反射且無回波的環(huán)境中進行，通常在暗室的內(nèi)部安裝吸收反射信號的吸波材料。測量時，將被測設備放置于暗室中的轉臺上，綜合測試儀的產(chǎn)生信號進入信道仿真器進行衰落，信號通過圍繞被測設備的圓周上的雙極化天線（即多探頭）傳播到待測設備，從而進行吞吐量的測量。

圖4 MIMO天線測試系統(tǒng)Fig.4 MIMO antenna test system

理論上通過MPAC方法能夠?qū)崿F(xiàn)5G天線系統(tǒng)的OTA測試，而且該方法具有完全可控的再現(xiàn)信道模型的優(yōu)點[42]。若在5G測試時使用3D模型，則需要通過在整個球面布置多個探頭以模擬各信號方向，這將增加探頭與信道仿真器數(shù)量，使測試系統(tǒng)復雜，成本高。因此，可以使用簡化扇區(qū)化方法，或者通過全環(huán)法多簇與單簇測試的折中方法。

3 未來5G測試將面臨的挑戰(zhàn)

推進組在2018年第4季度已經(jīng)完成了5G技術研發(fā)試驗，基本完成了基站功能測試，已達到預商用要求，并規(guī)劃在2019年開啟商用終端和芯片研發(fā)試驗。在進入下一階段5G測試時，仍面臨著挑戰(zhàn)。

（1）5G高頻毫米波技術測試的挑戰(zhàn)：毫米波作為5G實現(xiàn)高吞吐、低時延要求的關鍵技術，推動其技術研究及產(chǎn)品研發(fā)試驗尤為重要[43]。26GHz和39GHz頻段被認為是最有可能成為我國使用的毫米波頻段。高頻信號的傳輸損耗較高，進行外場測試較難，因此將給測試帶來新的挑戰(zhàn)。

（2）5G測試向智能化發(fā)展的挑戰(zhàn)：未來5G網(wǎng)絡將具備智能化和自動化的能力，能夠按需、靈活地支撐各種行業(yè)應用和業(yè)務場景，提升網(wǎng)絡性能和效率[44]。同時，在5G運維階段的測試也需要向智能化發(fā)展，例如在規(guī)劃優(yōu)化、告警處理和異常檢測等方面提升智能化水平，以及在運維工程師和備件管理之類的一線運維服務中引入智能化，將在提升運維效率的同時達到降低運維成本的效果。

（3）5G網(wǎng)絡測試技術與產(chǎn)品的挑戰(zhàn)：長期以來，網(wǎng)絡測試關鍵技術主要被國外的是德科技(Keysigh)、思博倫(Spirent)、羅德與施瓦茨公司(R&S)主導，中國企業(yè)仍然需要從西方國家進口部分高端儀器設備，在支付高昂的采購和維護費用，還面臨部分技術與服務無法實時更新的問題。因此，為了打破國外企業(yè)壟斷，也為了確保國家網(wǎng)絡安全，發(fā)展自主網(wǎng)絡測試技術非常重要。

4 結束語

為了更好地進入5G時代，國內(nèi)正進行相關測試實驗。運營、制造企業(yè)和科研單位等機構在推進組牽頭的5G技術研發(fā)試驗階段以及三大運營商的試驗網(wǎng)中進行了測試。測試結果表明，目前中國5G產(chǎn)品日漸成熟，已基本達到商用水平，具有商用部署的條件。

采用了Massive MIMO天線技術的5G基站，不僅在架構上發(fā)生了變化，也在測試的指標與方法上發(fā)生了改變。傳統(tǒng)傳導測試無法滿足所有測試指標的需求。鑒于此，OTA測試方法成為不二之選，通過選擇合適的測試場地及OTA測量方案可以有效測量天線的性能指標。

同時，毫米波及芯片測試階段中，OTA測試方法依舊不可或缺。在測試完成后的5G商用時期，通信設備商和運營商對運營階段的測試測量技術和產(chǎn)品需求將迅速增長。測量儀表行業(yè)近幾年迅速向多功能、自動化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，根據(jù)需求構建定制化智能解決方案成為應用熱點。因此研發(fā)自主創(chuàng)新的5G網(wǎng)絡測試儀表刻不容緩。