5G無(wú)線通信終端空中接口測(cè)試研究

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摘要：移動(dòng)通信系統(tǒng)中，空中接口的性能測(cè)試至關(guān)重要。只有測(cè)試指標(biāo)滿足量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)的產(chǎn)品才能投入使用。在5g商業(yè)化的道路上，空中接口的協(xié)議完善是一項(xiàng)重要工作。它將規(guī)定5G無(wú)線通信的具體標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置5G產(chǎn)品的準(zhǔn)入門檻。因此，從當(dāng)前熱議的5G領(lǐng)域出發(fā)，分析了5G無(wú)線通信終端空中接口性能測(cè)試的要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：5G；空中接口；通信終端

引言

通信系統(tǒng)包含有線通信和無(wú)線通信兩大類。有線通信的載體是有形的線纜，而無(wú)線通信的載體是無(wú)形的電磁波。有線通信和無(wú)線通信有著各自的協(xié)議規(guī)范，定義了移動(dòng)終端和基站之間的通信規(guī)則。信息化時(shí)代移，動(dòng)通信技術(shù)已發(fā)展到第五代，也就是人們常說(shuō)的5G。5G將采用全新的組網(wǎng)架構(gòu)模式，如圖1所示，提供了兩種架構(gòu)圖[1]。在全新的架構(gòu)下，移動(dòng)終端和基站之間的通信協(xié)議需要重新制定。因此，5G無(wú)線通信終端空中接口性能的測(cè)試也是開(kāi)發(fā)者和企業(yè)一直研究探討的話題。

1空中接口的定義與架構(gòu)

空中接口（Over-The-Air，OTA）是一個(gè)定義化概念，是相對(duì)于有線通信中的線路接口來(lái)說(shuō)的，沒(méi)有實(shí)體。在有線通信系統(tǒng)中，線路接口對(duì)物理尺寸、電信號(hào)以及光信號(hào)的規(guī)范進(jìn)行定義。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，空中接口則對(duì)終端設(shè)備和基站之間的電磁波連接技術(shù)規(guī)范進(jìn)行定義?？罩薪涌诖嬖诘囊饬x是使無(wú)線通信和有線通信一樣標(biāo)準(zhǔn)且可靠?？罩薪涌谑且苿?dòng)通信的關(guān)鍵模塊，指的是用戶終端接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接口?？罩薪涌谑腔竞鸵苿?dòng)電話之間的無(wú)線傳輸規(guī)范，定義每個(gè)無(wú)線信道的使用頻率、帶寬、接入時(shí)機(jī)、編碼方法以及越區(qū)切換。在GSM/UMTS中，各種形式的UTRA標(biāo)準(zhǔn)便是空中接口，也就是一種接入模式AccessModes?？罩薪涌诘募軜?gòu)是維持通信系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的核心，主要包含天線配置、信號(hào)調(diào)制以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)。空中接口的分層主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，且更多傾向于物理層。物理層是無(wú)線通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是其中最重要的一層，而控制接口的標(biāo)準(zhǔn)也主要集中在物理層。數(shù)據(jù)鏈路層則同時(shí)處于用戶平面和控制平面，在用戶平面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和加密，在控制平面負(fù)責(zé)無(wú)線承載信令的傳輸、加密和完整性保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)層則主要是控制無(wú)線傳輸資源，負(fù)責(zé)整個(gè)移動(dòng)通信系統(tǒng)的空中接口資源的規(guī)劃和調(diào)度，以確保系統(tǒng)的覆蓋、容量和QoS。

2空中接口測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

國(guó)外的空中接口測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要由標(biāo)準(zhǔn)組織來(lái)完成指定，如第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）和美國(guó)無(wú)線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)（CTIA）[2]。美國(guó)無(wú)線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)是最早制定關(guān)于空中接口測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的組織之一，制定的《TestPlanforMobileStationOvertheAirPerformance》和《TestPlanfor2×2DownlinkMIMOandTransmitDiversityOvertheAirPerformance》都是強(qiáng)制性的空中接口測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。前者主要針對(duì)單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)，后者則主要針對(duì)多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的空中接口測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是由中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)Over-The-Air（OTA）TestfortheFifthGenerationWirelessCommunication（CCSA）負(fù)責(zé)完成制定的。CCSA制定相應(yīng)的無(wú)線測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無(wú)線資源的使用和無(wú)線設(shè)備的性能指標(biāo)進(jìn)行調(diào)控，保障電磁環(huán)境和通信的安全性。國(guó)內(nèi)的空中接口測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)還有多個(gè)研究院和企業(yè)單位參與完成，主要包括工業(yè)和信息化部電信研究院、華為技術(shù)有限公司、中興通訊股份有限公司、中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司以及深圳市通用測(cè)試系統(tǒng)有限公司（GTS）等。

35G無(wú)線通信終端空中接口性能測(cè)試方式

3.1SISO測(cè)試

SISO是SingleInputSingleOutput的縮寫，即單輸入單輸出，是傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是發(fā)射天線和接收天線均為一根，模式如圖2所示。OTA是OverTheAir的縮寫，中文名稱為空中下載技術(shù)。OTA是一種通過(guò)移動(dòng)通信的空中接口實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理的技術(shù)。目前的SISO測(cè)試指的是SISOOTA，包含總輻射功率測(cè)試和總接收靈敏度測(cè)試兩部分。無(wú)線行業(yè)的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求所有的入網(wǎng)無(wú)線設(shè)備必須通過(guò)總輻射功率測(cè)試和總接收靈敏度測(cè)試。然而，這兩種測(cè)試的環(huán)境要求很高，導(dǎo)致實(shí)際工作中設(shè)備測(cè)試與認(rèn)證的周期很長(zhǎng)，加大了企業(yè)的人力成本和設(shè)備成本。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方式和備用測(cè)試方式均可以得出結(jié)果，而備用測(cè)試方式更快速高效，卻無(wú)法保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，研發(fā)人員創(chuàng)造出了一些新型測(cè)試方式來(lái)同時(shí)滿足快速性和準(zhǔn)確性的要求，如快速OTA測(cè)試方法、收發(fā)同頻的測(cè)試方法等，均可有效縮短測(cè)試時(shí)間并保證精度。這些方法已經(jīng)開(kāi)始在移動(dòng)通信行業(yè)使用，未來(lái)也會(huì)在5G領(lǐng)域普及。

3.2MIMO測(cè)試

MIMO是MultipleInputMultipleOutput的縮寫，即多輸入多輸出。這個(gè)系統(tǒng)采用多重天線進(jìn)行同步傳送數(shù)據(jù)，并使用多重天線進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，模式如圖3所示。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，為了避免不同信號(hào)間的干擾，它們的傳播路徑各不相同，導(dǎo)致到達(dá)接收天線的時(shí)間存在差異，需要利用DSP重新計(jì)算接收數(shù)據(jù)來(lái)得到正確的數(shù)據(jù)流。MIMO技術(shù)在4G中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，也將在5G中被應(yīng)用于無(wú)線終端和基站。MIMO測(cè)試是對(duì)無(wú)線終端的射頻特性進(jìn)行測(cè)量，在特定條件檢測(cè)并判斷設(shè)備的通信速率。特定條件指的是不同環(huán)境下的通信數(shù)據(jù)模型。這些數(shù)據(jù)模型包含了很多無(wú)線設(shè)備使用情況的模擬，因此可以真實(shí)反映無(wú)線設(shè)備MIMO的使用情況。在標(biāo)準(zhǔn)MIMO測(cè)試文件中明確指出將吞吐量作為判斷的關(guān)鍵。受國(guó)際認(rèn)可的測(cè)試方法主要有混響暗室法、多探頭法和輻射兩步法[3]。混響暗室法是使用不具備吸波材料的屏蔽箱測(cè)試設(shè)備，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低，但是受限大，無(wú)法測(cè)量很多特定場(chǎng)景。多探頭法則是利用多種環(huán)繞式天線和信道模擬器測(cè)試設(shè)備，方法簡(jiǎn)單有效，但成本高，工作難度大。輻射兩步法是把被測(cè)設(shè)備的天線方向圖和傳播信道模型融合，用模擬器將融合信號(hào)進(jìn)行計(jì)算并傳輸?shù)浇邮諜C(jī)。這種方法測(cè)試結(jié)果與多探頭法接近，且成本較低。對(duì)比上述3種方法，輻射兩步法的應(yīng)用性價(jià)比最高，且能分開(kāi)測(cè)試天線性能和接收機(jī)輻射靈敏度。

3.3容量測(cè)試

無(wú)線通信系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，包含很多組成部分，且數(shù)據(jù)吞吐量龐大，需要對(duì)其進(jìn)行容量測(cè)試。容量測(cè)試是整個(gè)空中接口性能測(cè)試最重要的部分，因?yàn)樗苯記Q定了通信設(shè)備可實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)景。需求確認(rèn)后，開(kāi)始對(duì)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的性能測(cè)試和容量測(cè)試。測(cè)試的目的是保障網(wǎng)絡(luò)的最大效率，獲取最大的比特傳輸量信息。隨著區(qū)域內(nèi)用戶數(shù)量和傳輸數(shù)據(jù)容量的不斷增加，需要不停優(yōu)化通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能，還需要使用專業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并合理調(diào)節(jié)容量。

45G空中接口測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)

5G相比較于4G，有著更高的頻率和更高的帶寬。因此，它的發(fā)射及接收天線數(shù)量成倍增加，波束賦形工作模式更加復(fù)雜。5G無(wú)線通信中，空中接口測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾個(gè)方面[4]。（1）更大的微波暗室。為了滿足5G無(wú)線產(chǎn)品的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試，微波暗室的大小要達(dá)到幾十米甚至上百米。這樣的測(cè)試環(huán)境造價(jià)高，且實(shí)現(xiàn)困難。（2）更大的路徑損耗。5G的高頻特性勢(shì)必會(huì)帶來(lái)更大的路徑損耗。在5G的工作頻率下，幾十米的測(cè)試距離引起的路徑損耗會(huì)給空中接口的測(cè)試帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。（3）更復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)。因?yàn)?G基站的天線陣列是由成百上千個(gè)單元天線組成的，空中接口測(cè)試要對(duì)每一個(gè)天線都進(jìn)行精確的3D方向測(cè)試，所以測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜度會(huì)呈幾何倍增加。（4）更長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間。5G應(yīng)用中，天線大多是波束賦形工況，而其具體的工作模式不可枚舉。要想完整評(píng)估所有條件下的工作情況，需要耗費(fèi)的測(cè)試時(shí)間會(huì)非常長(zhǎng)。

5結(jié)論

5G已經(jīng)獲得了商業(yè)許可，各大通信運(yùn)營(yíng)商積極建設(shè)5G通信系統(tǒng)，5G相關(guān)的接口協(xié)議與測(cè)試規(guī)范也在同步確立并投入使用。無(wú)線通信作為5G中的重要部分，必將在未來(lái)各大領(lǐng)域大放異彩，而終端空中接口性能測(cè)試則是其開(kāi)拓前路的可靠保證。

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作者：李登國(guó) 單位：玉樹州無(wú)線電監(jiān)測(cè)站