辛奕,陳東,劉君榮,李靜
(工業(yè)和信息化部電子第五研究所,廣東 廣州 511370)
移動(dòng)通信自20世紀(jì)80年代誕生以來(lái),經(jīng)過(guò)30多年爆發(fā)式的增長(zhǎng),已成為連接人類社會(huì)的基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò),將會(huì)促進(jìn)各個(gè)產(chǎn)業(yè)的高度融合和發(fā)展。在5G技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下,制造和研發(fā)5G相關(guān)產(chǎn)品引入了大量新技術(shù)、新工藝,基礎(chǔ)設(shè)施更新迭代,企業(yè)對(duì)5G通信測(cè)試儀器的校準(zhǔn)服務(wù)的需求遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的2G、3G和4G技術(shù),由于5G通信技術(shù)使用全新頻段、超寬帶技術(shù)和大規(guī)模天線陣列,5G通信測(cè)試儀器采用新頻段、新標(biāo)準(zhǔn)和新協(xié)議,而目前5G通信儀器缺少相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范,容易出現(xiàn)問(wèn)題,故對(duì)5G終端、5G承載網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀器和5G大規(guī)模陣列天線的校準(zhǔn)測(cè)試提出了新的挑戰(zhàn)。
本文將從5G終端、5G承載網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀器和5G大規(guī)模陣列天線的校準(zhǔn)參數(shù)、現(xiàn)狀和面臨的問(wèn)題幾個(gè)方面來(lái)探討5G通信儀器的校準(zhǔn)測(cè)試技術(shù)。
近些年,5G通信技術(shù)快速發(fā)展,國(guó)際間的技術(shù)合作和競(jìng)爭(zhēng)也愈演愈烈,5G通信技術(shù)水平的高低一定程度上反映了國(guó)家未來(lái)的發(fā)展動(dòng)能和潛力。國(guó)內(nèi)通信技術(shù)的發(fā)展歷程如圖1所示。1G時(shí)代采用模擬信號(hào)傳輸,通信的安全性差、易受干擾,各個(gè)國(guó)家采用的1G通信標(biāo)準(zhǔn)不一致。進(jìn)入2G時(shí)代,實(shí)現(xiàn)了模擬到數(shù)字調(diào)制的跨越,手機(jī)具備了上網(wǎng)功能,傳輸速率達(dá)10~15 kb/s。2009年1月,工信部為中國(guó)移動(dòng)、電信和聯(lián)通發(fā)放3G牌照,中國(guó)進(jìn)入3G時(shí)代,信息的傳輸速率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。2013年12月,工信部向三大運(yùn)營(yíng)商發(fā)放TDLTE牌照,2015年2月,電信、聯(lián)通獲發(fā)FDDLTE牌照,中國(guó)開(kāi)啟了4G時(shí)代,4G對(duì)3G速率進(jìn)一步提升,可以快速地傳輸高質(zhì)量的圖像、音頻和視頻等。2015年10月,國(guó)際電聯(lián)批準(zhǔn)了推進(jìn)5G研究進(jìn)程的決議,5G列入國(guó)家“十三五”規(guī)劃,得到了國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家科技重大專項(xiàng)的支持,2018年已經(jīng)完成關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、技術(shù)方案驗(yàn)證和系統(tǒng)驗(yàn)證3個(gè)階段的技術(shù)研發(fā)試驗(yàn),2019年啟動(dòng)了5G增強(qiáng)及毫米波技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)、終端測(cè)試和互操作測(cè)試,2019年開(kāi)始預(yù)商用網(wǎng)建,2020年正式商用。在國(guó)際上,5G已成為各國(guó)信息技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn),中國(guó)IMT-2020(5G)推進(jìn)組、歐盟5GPPP、日本5GMF、韓國(guó)5G論壇和美洲5G Americas等組織先后成立,推進(jìn)各國(guó)和地區(qū)的5G需求、技術(shù)和頻譜研究工作,各國(guó)和地區(qū)的5G相關(guān)組織相繼成立,推動(dòng)了5G產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。同時(shí),中歐展開(kāi)5G項(xiàng)目合作,IEEE也開(kāi)始發(fā)力5G研究[1-2]。
圖1 我國(guó)通信技術(shù)的發(fā)展歷程
5G時(shí)代,海量鏈接、超大帶寬、超低時(shí)延,其速率較4G有全方位的提升,下行峰值的速率可達(dá)20 Gb/s,上行峰值的速率可能超過(guò)10 Gbps。5G超低時(shí)延為車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制和智能電網(wǎng)等垂直行業(yè)提供了更安全、可靠的網(wǎng)絡(luò)連接。同時(shí),其可使得自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等應(yīng)用場(chǎng)景走向現(xiàn)實(shí),5G網(wǎng)絡(luò)每平方公里百萬(wàn)級(jí)的連接數(shù)使萬(wàn)物互聯(lián)成為可能[3]。
隨著2019年6月5G商用牌照的發(fā)放和5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的大范圍鋪開(kāi),5G正在加速向我們的生活走來(lái)。截至到2019年7月,全國(guó)各省市發(fā)布5G相關(guān)政策文件35個(gè),加速5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、交通和醫(yī)療等多個(gè)行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用,5G時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面,5G產(chǎn)業(yè)鏈上游設(shè)備廠商著手開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)5G設(shè)備,運(yùn)營(yíng)商密集建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò),先行終端廠商接踵發(fā)布5G手機(jī)。截至2019年7月,全國(guó)范圍已建成5G基站3.8萬(wàn)個(gè)。標(biāo)準(zhǔn)方面,2018年6月5G第一個(gè)版本標(biāo)準(zhǔn)完成了增強(qiáng)移動(dòng)帶寬場(chǎng)景,2020年5G第二版本標(biāo)準(zhǔn)將完成低時(shí)延高可靠場(chǎng)景。我國(guó)廠商在5G標(biāo)準(zhǔn)制定中,做出了重要的貢獻(xiàn)[1]。
通信測(cè)試儀器作為通信產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),從1G通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期開(kāi)始,伴隨著通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成熟,全面覆蓋了基站測(cè)試、終端測(cè)試、外場(chǎng)測(cè)試、認(rèn)證/預(yù)認(rèn)證測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試等移動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈中產(chǎn)品的全生命周期,形成完善的通信測(cè)試技術(shù)體系和產(chǎn)品體系[3]。
5G測(cè)試儀器主要分為5G終端/基站測(cè)試儀器、外場(chǎng)環(huán)境模擬與監(jiān)測(cè)儀器、器件/部件測(cè)試儀器和5G承載網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀器,如圖2所示。其中,終端/基站測(cè)試儀器主要有Sub 6G和毫米波終端/基站測(cè)試儀、大規(guī)模矩陣天線測(cè)試儀、終端模擬器與基站射頻一致性測(cè)試儀等;外場(chǎng)環(huán)境模擬和監(jiān)測(cè)主要有5G空口監(jiān)測(cè)儀、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測(cè)試儀器等;器件/部件測(cè)試儀主要有矢量信號(hào)源、信號(hào)分析儀和無(wú)線綜測(cè)儀等,需包含5G協(xié)議選項(xiàng);承載網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀主要有協(xié)議測(cè)試儀、網(wǎng)絡(luò)性能分析儀等。
圖2 5G通信的主要測(cè)試儀器
5G通信設(shè)備具有高頻段、大帶寬和低時(shí)延的新特性,使得其對(duì)器件的設(shè)計(jì)、工藝和測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)提出了新需求,例如:器件在設(shè)計(jì)方面,要求帶寬超過(guò)800 M;在制造方面,制造工藝將使用7 nm工藝以滿足5G高速率和低功耗的需求;在測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)方面,5G通信波段,Sub-6 GHz FR1頻段的頻率范圍為450 MHz~6 GHz,毫米波FR2頻段的范圍為24.25~71 GHz,帶寬范圍為100~800 MHz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4G時(shí)代20 MHz的帶寬;使用毫米波頻段后,為提升頻譜效率和傳輸性能,實(shí)現(xiàn)多載波聚合,天線尺寸也變?yōu)楹撩准?jí),通信基站采用大規(guī)模陣列天線;同時(shí),5G采用5G NR制式和eCPRI協(xié)議,主干網(wǎng)的傳輸速率由40 Gbps提升至100 Gbps,無(wú)線協(xié)議的傳輸速率由600 Mbps~10 Gbps,提升至10~25 Gbps?;?G測(cè)試設(shè)備發(fā)生的上述變化,研究建立用于終端測(cè)試設(shè)備(矢量信號(hào)源、分析儀)、大規(guī)模陣列天線和承載網(wǎng)絡(luò)測(cè)試設(shè)備(100G、OTN、eCPRI)測(cè)試的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置,研究編寫相關(guān)計(jì)量檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范,完善現(xiàn)有的通信計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系,已迫在眉睫。
5G終端測(cè)試儀器主要有:矢量信號(hào)源、信號(hào)分析儀、無(wú)線綜合測(cè)試儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等,校準(zhǔn)主要分為發(fā)射機(jī)參數(shù)測(cè)試、接收機(jī)參數(shù)測(cè)試,如表1所示。發(fā)射機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)主要有頻率準(zhǔn)確度、輸出電平、頻譜純度、單邊帶相位噪聲、調(diào)制信號(hào)調(diào)制質(zhì)量、占用帶寬、頻譜發(fā)射模板、鄰道泄漏功率比和EVM均衡器頻譜平坦度等。接收機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)主要有參考靈敏度電平、最大輸入電平、鄰道選擇性、阻塞特性、調(diào)制質(zhì)量參數(shù)分析和射頻輸入端口電壓駐波比等。
表1 5G終端測(cè)試儀器校準(zhǔn)參數(shù)
對(duì)于矢量信號(hào)源、無(wú)線綜合測(cè)試儀器發(fā)射機(jī)部分等,該類儀器的通用校準(zhǔn)參數(shù)如輸出頻率、輸出功率、頻譜特性和調(diào)制質(zhì)量,校準(zhǔn)方法與4G終端測(cè)試儀器相同,采用頻率計(jì)、功率計(jì)、頻譜分析儀和綜合測(cè)試儀等設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn);而對(duì)于5G NR矢量調(diào)制參數(shù),目前暫未有公開(kāi)發(fā)布的校準(zhǔn)規(guī)范,可采用標(biāo)準(zhǔn)矢量信號(hào)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn),并采用寬帶校準(zhǔn)技術(shù)對(duì)矢量分析儀的幅相特性進(jìn)行校準(zhǔn),保障寬帶調(diào)制信號(hào)的校準(zhǔn)。對(duì)于矢量信號(hào)分析儀、無(wú)線綜合測(cè)試儀接收部分等,該類測(cè)試儀器的通用校準(zhǔn)參數(shù)如輸入頻率、輸入功率和頻率特性,校準(zhǔn)方法與4G測(cè)試儀器相同,采用矢量信號(hào)源、頻率計(jì)和測(cè)量接收機(jī)等設(shè)備對(duì)頻率和功率等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn);而對(duì)于5G NR解調(diào)參數(shù),目前暫未有公開(kāi)發(fā)布的校準(zhǔn)方法,可研制標(biāo)準(zhǔn)矢量信號(hào)發(fā)生器,采用預(yù)失真技術(shù)產(chǎn)生高質(zhì)量的5G NR調(diào)制信號(hào),用標(biāo)準(zhǔn)矢量信號(hào)分析儀比對(duì)的方式對(duì)調(diào)制參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。綜上,將5G終端測(cè)試儀器的頻率、功率參數(shù)溯源至頻率計(jì)和測(cè)量接收機(jī),5G NR矢量調(diào)制/解調(diào)參數(shù)溯源至標(biāo)準(zhǔn)矢量分析儀,最終溯源至國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。
5G終端測(cè)試儀器中,在頻率和帶寬大提升的同時(shí),采用了新的5G NR標(biāo)準(zhǔn),SUB-6G和毫米波段的5G NR調(diào)制功能均發(fā)生了變化。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)基于窄脈沖的超寬帶技術(shù)研究較多,而基于帶通載波調(diào)制方式的超寬帶技術(shù)研究較少,只有解決超寬帶信號(hào)分析儀的帶內(nèi)幅相特性參數(shù)校準(zhǔn),才能保障超寬帶內(nèi)的幅度平坦度和相位平坦度,現(xiàn)在校準(zhǔn)方法只是參照矢量信號(hào)分析儀的校準(zhǔn)規(guī)范,但超寬帶的調(diào)制性能參數(shù)并沒(méi)有得到校準(zhǔn),現(xiàn)有校準(zhǔn)方法的主要技術(shù)依據(jù)為JJF 1277-2011《無(wú)線局域網(wǎng)測(cè)試儀校準(zhǔn)規(guī)范》、JJF 1443-2014 LTE《數(shù)字移動(dòng)通信綜合測(cè)試儀校準(zhǔn)規(guī)范》、JJF 1396-2013《頻譜分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》和JJF 1174-2007《數(shù)字信號(hào)發(fā)生器校準(zhǔn)規(guī)范》等,針對(duì)5G終端測(cè)試儀器的校準(zhǔn),需要5GNR校準(zhǔn)規(guī)范,需要完善超寬帶的調(diào)制性參數(shù)校準(zhǔn)方法。
在5G之前,基站天線對(duì)射頻指標(biāo)的測(cè)試是使用傳導(dǎo)方式,終端天線僅有全向輻射功率(TRP)和全向輻射靈敏度(TIS)采用OTA測(cè)試。5G采用大規(guī)模天線陣列,具有以下特點(diǎn)。
a)天線與射頻通道高度集成
在5G毫米波大規(guī)模陣列中,為了減小傳輸與連接損耗,方便數(shù)目眾多的天線單元與射頻通道集成,將采用天線單元與射頻通道直接相連的方式。
b)天線與射頻通道數(shù)目眾多
5G毫米波基站采用大規(guī)模MIMO形式,常見(jiàn)的天線與射頻通道數(shù)有64、128和256等。
c)系統(tǒng)帶寬大
5G毫米波系統(tǒng)帶寬寬,通道帶寬將達(dá)到400 MHz,甚至更大。
d)射頻前端體積減小
毫米波波長(zhǎng)短,5G毫米波大規(guī)模MIMO陣列相較于低頻段同等規(guī)模陣列其體積大幅地減小。
e)采用波束成形技術(shù)
毫米波空間傳輸損耗大,采用波束成形技術(shù)可提高天線的增益,從而增加等效發(fā)射功率與接收信噪比。另一方面,多波束技術(shù)的引入可以提高系統(tǒng)容量,提升系統(tǒng)的性能。
對(duì)于5G大規(guī)模天線陣列射頻測(cè)試,既需要傳導(dǎo)測(cè)試(天線基本性能,即天線無(wú)源參數(shù))又需要空口OTA測(cè)試(天線系統(tǒng)性能,即天線有源參數(shù))。傳導(dǎo)測(cè)試是利用射頻線纜直接將儀表和被測(cè)物連接到一起,避免空間輻射的干擾信號(hào)對(duì)測(cè)試的影響。OTA測(cè)試是通過(guò)天線直接輻射出來(lái),由測(cè)量天線接收,然后再將信號(hào)傳入測(cè)試儀表的方法,為了避免空間干擾信號(hào)和多徑,需在吸波暗室中進(jìn)行。5G天線主要校準(zhǔn)參數(shù)如表2所示,無(wú)源參數(shù)測(cè)試參數(shù)主要有功率、駐波比、天線方向圖、波束寬度和增益等,校準(zhǔn)方法與4G測(cè)試儀器相同,采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀加擴(kuò)頻裝置,實(shí)現(xiàn)100 GHz的頻譜覆蓋,測(cè)試類型包括平面、柱面和球面測(cè)試。天線有源測(cè)試參數(shù)主要有波瓣、TPR和TIS,由于波束賦形的功能需要在射頻模塊的協(xié)同下才能工作,毫米波的5G基站天線只能通過(guò)空口進(jìn)行測(cè)試,3GPP已經(jīng)明確低頻和高頻的一致性測(cè)試,如EVM、ACLR和OBUE等都將采用OTA方式[5-6]。
表2 5G大規(guī)模天線陣列測(cè)試參數(shù)
5G大規(guī)模天線陣列有著天線單元和射頻通道數(shù)眾多、天線單元與射頻通道高度集成的特點(diǎn),其5G有源天線參數(shù)和4G時(shí)代的校準(zhǔn)測(cè)試方法不同,傳導(dǎo)測(cè)試即無(wú)源參數(shù)的校準(zhǔn)方法同4G時(shí)代相同,主要技術(shù)依據(jù):GJB/J 5410-2005《電磁兼容測(cè)量天線的天線系數(shù)校準(zhǔn)規(guī)范》、ANSI C63.5-2017《電磁兼容性-電磁干擾(EMI)控制中輻射測(cè)量天線的校準(zhǔn)(9 kHz~40 GHz)》和JJF 1706-2018《9 kHz~30MHz鞭狀天線校準(zhǔn)規(guī)范》等。對(duì)于有源參數(shù)的校準(zhǔn),目前已提出幾種方法,如旋轉(zhuǎn)矢量法、利用天線單元間互耦和有獨(dú)立校準(zhǔn)通道系統(tǒng)[7],現(xiàn)急需在頻道通道數(shù)、基帶處理、測(cè)試時(shí)間和成本之間找到一個(gè)合理的平衡點(diǎn),提出一種低成本、高時(shí)效的5G大規(guī)模天線陣列校準(zhǔn)測(cè)試裝置。
5G承載網(wǎng)絡(luò)測(cè)試設(shè)備有光模塊、網(wǎng)絡(luò)性能分析儀、光傳輸綜合分析儀(OTN)和協(xié)議分析儀(CPRI/eCPRI)等。校準(zhǔn)分為基礎(chǔ)參數(shù)、光傳輸參數(shù)和光網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測(cè)試?;A(chǔ)光通信參數(shù)主要有光功率、光波長(zhǎng)、光回?fù)p和光偏振等,校準(zhǔn)方法同4G承載網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀器相同,采用光功率計(jì)、光源、光譜分析儀和光回?fù)p儀等設(shè)備進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的校準(zhǔn)測(cè)試;光傳輸參數(shù)有信號(hào)輸出波形、反射衰減和靈敏度等電接口參數(shù)和信號(hào)平均發(fā)送光功率、抖動(dòng)、眼圖、光譜特性、接收靈敏度和抖動(dòng)特性等光接口參數(shù),采用光傳輸分析儀、眼圖儀、誤碼儀和飛秒激光源等設(shè)備進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的校準(zhǔn)測(cè)試,對(duì)于抖動(dòng)參數(shù),目前暫無(wú)校準(zhǔn)規(guī)范,可研制高精度抖動(dòng)源產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)抖動(dòng)的光信號(hào);光網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有時(shí)延、丟包率和CPRI/eCPRI協(xié)議等,目前暫無(wú)校準(zhǔn)規(guī)范,可采用網(wǎng)絡(luò)損傷儀、幀頭觸發(fā)器等設(shè)備進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的校準(zhǔn)測(cè)試。
表3 光通信測(cè)試儀表校準(zhǔn)參數(shù)
5G光通信采用了eCPRI協(xié)議和新技術(shù),主干網(wǎng)傳輸速率由40 Gbps提升至100 Gbps,無(wú)線協(xié)議傳輸速率由600 Mbps~10 Gbps,提升至10~25 Gbps,5G的傳播速度快、信息流量大、運(yùn)作效率高,現(xiàn)有的校準(zhǔn)方法主要參照J(rèn)JF 1237-2017 SDH/PDH《傳輸分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》、JJG 813-2013《光纖光功率計(jì)》、JJG 963-201《通信用光波長(zhǎng)計(jì)檢定規(guī)程》、JJG 1035-2008《通信用光譜分析儀檢定規(guī)程》、JJG 958-2000《光傳輸用穩(wěn)定光源檢定規(guī)程》、JJF 1325-2011 《通信用光回波損耗儀校準(zhǔn)規(guī)范》和JJF(電子) 30905-2007《光纖及光器件偏振特性校準(zhǔn)規(guī)范》等,目前暫無(wú)針對(duì)OTN和eCPRI公布校準(zhǔn)規(guī)范,可采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸分析儀和協(xié)議分析儀發(fā)生不同類型的告警信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。如何對(duì)抖動(dòng)、噪聲和時(shí)延等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn),是5G光通信計(jì)量校準(zhǔn)的新課題,國(guó)內(nèi)需要OTN和CPRI/eCPRI的校準(zhǔn)規(guī)范。
矢量信號(hào)發(fā)生器、矢量分析儀、無(wú)線綜合測(cè)試儀和CPRI/eCPRI等5G通信主要測(cè)試儀器,其量值準(zhǔn)確是5G技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)和保障。5G做為當(dāng)今世界大國(guó)爭(zhēng)奪的戰(zhàn)略制高點(diǎn),與美、韓和日同為第一梯隊(duì)的中國(guó),一直加緊5G商用步伐,隨著5G商用的不斷深入,測(cè)試儀器采用更高的頻率、新標(biāo)準(zhǔn)5G NR、新協(xié)議eCPRI和毫米波面臨的大帶寬的校準(zhǔn)問(wèn)題尚未得到有效的解決;若不解決,將會(huì)成為行業(yè)發(fā)展的短板。一方面,需要計(jì)量校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)提出新的校準(zhǔn)方法并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn);另一方面,企業(yè)也應(yīng)該發(fā)揮行業(yè)帶頭作用,積極尋求合作,與高校/研究機(jī)構(gòu)/計(jì)量院等各方一道,推動(dòng)方法落地,以保障測(cè)試儀器的量值準(zhǔn)確,支撐5G產(chǎn)品質(zhì)量,加速5G產(chǎn)業(yè)化。