劉傳利，桂麗，楊波

（中國(guó)信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

0 引言

截止2019年底，全球已經(jīng)有39個(gè)國(guó)家/地區(qū)的75家運(yùn)營(yíng)商建設(shè)了5G商用網(wǎng)絡(luò)，5G基站出貨量已超100萬(wàn)臺(tái)，5G用戶數(shù)預(yù)計(jì)已超6 000萬(wàn)[1]?；咀鳛榫W(wǎng)絡(luò)接入的關(guān)鍵設(shè)備，其射頻性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)容量、覆蓋范圍、吞吐量等指標(biāo)，與用戶體驗(yàn)息息相關(guān)。

5G基站的射頻性能測(cè)試可以分為傳導(dǎo)測(cè)試和OTA（Over The Air，空口輻射）測(cè)試兩類。射頻OTA測(cè)試作為新引入的測(cè)試需求，已經(jīng)有大量人員進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究[2-4]。射頻傳導(dǎo)測(cè)試作為傳統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目，其測(cè)試過(guò)程中存在發(fā)射機(jī)測(cè)試模式的選取、接收機(jī)參考測(cè)量信道配置、測(cè)試項(xiàng)目間關(guān)聯(lián)性、測(cè)試結(jié)果與設(shè)備性能的相關(guān)性等多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)值得進(jìn)行深入研究。當(dāng)前除3GPP系列標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)傳導(dǎo)測(cè)試方法進(jìn)行規(guī)范性說(shuō)明外，國(guó)內(nèi)外對(duì)相關(guān)測(cè)試方法或?qū)嵤┓桨冈敿?xì)介紹的文獻(xiàn)資料很少。射頻傳導(dǎo)測(cè)試系統(tǒng)方面，現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)僅針對(duì)5G終端，并無(wú)針對(duì)5G基站的成熟的傳導(dǎo)測(cè)試系統(tǒng)。本文主要通過(guò)對(duì)5G基站射頻傳導(dǎo)一致性測(cè)試項(xiàng)目的梳理歸納，分析不同測(cè)試項(xiàng)目的配置、考量的設(shè)備指標(biāo)及其對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的影響，并結(jié)合實(shí)際測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)，提出了5G基站射頻傳導(dǎo)一致性測(cè)試的方案。

1 5G基站類型

5G基站主要用于提供5G空口協(xié)議功能，支持與用戶設(shè)備、核心網(wǎng)之間的通信。按照邏輯功能劃分，5G基站可分為5G基帶單元與5G射頻單元，二者之間可通過(guò)CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共無(wú)線電接口）或eCPRI（enhanced Common Public Radio Interface，增強(qiáng)型通用公共無(wú)線電接口）接口連接[5]。

從射頻測(cè)試的角度考慮，5G基站可以分為1-C、1-H、1-O、2-O四種類型。不同類型基站的主要區(qū)別見(jiàn)表1：

表1 基站類型的區(qū)別

2 5G基站射頻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

目前5G基站射頻一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要有第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP,The 3rd Generation Partnership Project）制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA,China Communications Standards Association）制訂的國(guó)內(nèi)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3GPP組織制定的5G基站射頻一致性標(biāo)準(zhǔn)包括：射頻技術(shù)要求[6]、射頻傳導(dǎo)測(cè)試方法[7]和射頻OTA測(cè)試方法[8]，是基站射頻指標(biāo)的基本要求。

國(guó)內(nèi)5G基站的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括《5G數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng) 6GHz以下頻段基站設(shè)備技術(shù)要求》和《5G數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng) 6GHz以下頻段基站設(shè)備測(cè)試方法》兩本。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)合國(guó)內(nèi)移動(dòng)通信頻率規(guī)劃情況，考慮在不同通信制式共存共址的場(chǎng)景下，對(duì)3GPP規(guī)范中的部分測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后的國(guó)內(nèi)版本，更加適應(yīng)國(guó)內(nèi)的實(shí)際使用需求。

3 射頻測(cè)試項(xiàng)目

5G基站的射頻傳導(dǎo)測(cè)試分為發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和性能測(cè)試三個(gè)部分。

3.1 發(fā)射機(jī)測(cè)試項(xiàng)目

發(fā)射機(jī)的射頻傳導(dǎo)測(cè)試包括基站輸出功率、輸出功率動(dòng)態(tài)范圍、發(fā)射機(jī)開(kāi)/關(guān)功率、發(fā)射信號(hào)質(zhì)量、非期望輻射、發(fā)射互調(diào)等測(cè)試項(xiàng)目，具體的子項(xiàng)目見(jiàn)圖1。

基站輸出功率項(xiàng)目主要測(cè)試基站在常溫環(huán)境和極限環(huán)境下輸出功率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，評(píng)估基站在不同環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間工作的性能。

輸出功率動(dòng)態(tài)范圍項(xiàng)目主要測(cè)試基站在最大功率輸出模式和最小功率輸出模式下的準(zhǔn)確性，以保證在滿負(fù)荷和最低負(fù)荷時(shí)均能進(jìn)行準(zhǔn)確的信號(hào)傳輸。

發(fā)射機(jī)開(kāi)/關(guān)功率測(cè)試項(xiàng)僅針對(duì)TDD（Time Division Duplexing，時(shí)分雙工）制式的基站，主要測(cè)試在收發(fā)時(shí)隙切換的過(guò)程中，時(shí)隙開(kāi)關(guān)打開(kāi)和關(guān)閉的時(shí)機(jī)控制是否符合要求，以及時(shí)隙開(kāi)關(guān)關(guān)閉后的底噪是否符合要求。

信號(hào)質(zhì)量測(cè)試包含頻率誤差、調(diào)制質(zhì)量和時(shí)間對(duì)齊誤差三個(gè)子項(xiàng)目，主要測(cè)試發(fā)射信號(hào)在頻域、時(shí)域、調(diào)制域上的準(zhǔn)確度[9]。

非期望輻射包含占用帶寬、鄰道抑制比、頻譜發(fā)射模板、發(fā)射機(jī)雜散四個(gè)項(xiàng)目，主要保證基站發(fā)射信號(hào)時(shí)不對(duì)工作頻帶內(nèi)或帶外其他頻段產(chǎn)生影響。

圖1 發(fā)射機(jī)測(cè)試項(xiàng)目

發(fā)射機(jī)互調(diào)項(xiàng)目主要考察發(fā)射機(jī)抑制自身信號(hào)與干擾信號(hào)產(chǎn)生非線性產(chǎn)物的能力。當(dāng)有干擾信號(hào)注入天線連接器時(shí)，干擾信號(hào)會(huì)與基站自身發(fā)射的信號(hào)產(chǎn)生非線性產(chǎn)物，該非線性產(chǎn)物可能會(huì)干擾其他頻率的發(fā)射信號(hào)或接收信號(hào)。干擾信號(hào)來(lái)源可能是共址基站的共址發(fā)射互調(diào)，也可能是本基站其他發(fā)射單元的系統(tǒng)內(nèi)發(fā)射互調(diào)。

3.2 接收機(jī)測(cè)試項(xiàng)目

如圖2所示，接收機(jī)的射頻傳導(dǎo)測(cè)試項(xiàng)目包括參考靈敏度電平、動(dòng)態(tài)范圍、鄰道選擇性、信道內(nèi)選擇性、阻塞、接收機(jī)雜散、接收機(jī)互調(diào)等。

圖2 接收機(jī)測(cè)試項(xiàng)目

接收機(jī)測(cè)試項(xiàng)主要測(cè)試基站接收機(jī)對(duì)上行信號(hào)解調(diào)的能力以及濾波器對(duì)干擾的抑制能力。參考靈敏度電平是對(duì)基站上行解調(diào)性能的直接體現(xiàn)，良好的接收機(jī)靈敏度可有效降低終端上行信號(hào)的發(fā)射功率，使終端耗電更少；動(dòng)態(tài)范圍指接收信號(hào)能被檢測(cè)且不失真的功率范圍，該范圍反映接收機(jī)接收強(qiáng)/弱信號(hào)的能力范圍；鄰道選擇性體現(xiàn)接收機(jī)對(duì)鄰道干擾的抑制能力，良好的鄰道選擇性將擴(kuò)展基站的鄰頻組網(wǎng)能力；信道內(nèi)選擇性體現(xiàn)接收帶內(nèi)不同幅度信號(hào)的能力，其性能優(yōu)劣將影響基站抑制蜂窩網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)近效應(yīng)的能力；阻塞體現(xiàn)接收機(jī)抗帶內(nèi)帶外連續(xù)波干擾的性能，主要考察接收機(jī)低噪放和濾波器的性能；接收機(jī)雜散是衡量接收機(jī)正常工作時(shí)對(duì)其他頻段的影響，是共存共址應(yīng)用場(chǎng)景的要求；接收機(jī)互調(diào)重點(diǎn)關(guān)注的是多個(gè)載波信號(hào)同時(shí)輸入到接收機(jī)后，由于非線性產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物對(duì)接收機(jī)的影響。

3.3 性能測(cè)試項(xiàng)目

傳導(dǎo)的性能測(cè)試項(xiàng)目包括PUSCH（Physical Uplink Share Channel，物理上行共享信道）性能要求、PUCCH（Physical Uplink Control Channel，物理上行控制信道）性能要求、PRACH（Physical Random Access Channel，物理隨機(jī)接入信道）性能要求等。具體的測(cè)試子項(xiàng)目見(jiàn)圖3：

圖3 性能測(cè)試項(xiàng)目

性能測(cè)試針對(duì)三個(gè)重要的上行物理信道（PUSCH、PUCCH、PRACH），測(cè)量其在多種傳播條件下的解調(diào)性能，傳播條件包含了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的常見(jiàn)場(chǎng)景。性能測(cè)試關(guān)注的是基站基帶單元的解調(diào)能力。

4 射頻測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果

射頻傳導(dǎo)一致性測(cè)試中，需要精確測(cè)量幅度電平、頻率、時(shí)間、吞吐量等參數(shù)，主要用到的測(cè)試儀表有：頻譜儀、信號(hào)源、噪聲信號(hào)發(fā)生器、多徑模擬器等。本節(jié)將以發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的部分測(cè)試項(xiàng)目為例，搭建測(cè)試環(huán)境，對(duì)基站進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析與研究，給出可行的測(cè)試方法。

4.1 發(fā)射機(jī)測(cè)試

發(fā)射機(jī)傳導(dǎo)測(cè)試連接示意圖如圖4所示，該配置可以進(jìn)行基站輸出功率、輸出功率動(dòng)態(tài)范圍、頻率誤差、調(diào)制質(zhì)量、占用帶寬、鄰道抑制比、頻譜發(fā)射模板等項(xiàng)目的測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，為防止外界干擾對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，可將測(cè)試系統(tǒng)搭建在屏蔽室中。

圖4 發(fā)射機(jī)測(cè)試連接圖

發(fā)射機(jī)測(cè)試的基本流程如下：

（1）按照?qǐng)D4搭建測(cè)試鏈路，將基站天線連接器通過(guò)射頻線纜經(jīng)合適的衰減器連接至信號(hào)分析儀；

（2）配置基站按照最低工作頻率、最大工作帶寬、測(cè)試模式1.1發(fā)射信號(hào)；

（3）在信號(hào)分析儀上，使用Channel Power模式讀取基站發(fā)射功率的數(shù)值，使用ACP模式讀取鄰道抑制比的數(shù)值，使用SEM模式完成頻譜發(fā)射模板的測(cè)試。

（4）更改基站的測(cè)試模式，完成該模式對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的測(cè)試。

（5）更改基站工作的頻率、帶寬，重復(fù)進(jìn)行步驟（3）、（4），直到完成所有頻率、帶寬、測(cè)試模式的測(cè)試項(xiàng)目。

根據(jù)測(cè)試需要，可將被測(cè)基站的時(shí)鐘、同步信號(hào)通過(guò)線纜連接至信號(hào)分析儀，并在信號(hào)分析儀上進(jìn)行外部時(shí)鐘、外部觸發(fā)的相應(yīng)設(shè)置，以使信號(hào)分析儀的解調(diào)更加準(zhǔn)確。

4.2 接收機(jī)測(cè)試

接收傳導(dǎo)測(cè)試連接示意圖如圖5所示，該配置可以進(jìn)行除接收機(jī)雜散外的所有接收機(jī)項(xiàng)目的測(cè)試，其中參考靈敏度電平、信道內(nèi)選擇性只需要一個(gè)信號(hào)發(fā)生器即可完成測(cè)試，接收機(jī)互調(diào)需要用到三個(gè)信號(hào)發(fā)生器，其余測(cè)試項(xiàng)目用到兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器。接收機(jī)雜散的測(cè)試連接示意圖可參考圖4，將圖中的衰減器更換為衰減幅度合適的即可。

圖5 接收機(jī)測(cè)試連接圖

以鄰道選擇性為例，接收機(jī)測(cè)試的基本過(guò)程為：

（1）按圖5所示連接測(cè)試鏈路，配置有用信號(hào)發(fā)生器在指定頻點(diǎn)、帶寬、速率和指定功率電平上發(fā)射射頻信號(hào)；

（2）配置基站在指定頻點(diǎn)、帶寬、速率等參數(shù)下進(jìn)行接收統(tǒng)計(jì)，確保鏈路暢通，誤塊率（BLER）符合要求；

（3）打開(kāi)調(diào)制干擾信號(hào)發(fā)生器，按測(cè)試要求配置信號(hào)頻率、帶寬、功率電平等參數(shù)；

（4）再次對(duì)基站接收機(jī)的BLER進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，記錄測(cè)試結(jié)果并進(jìn)行判斷。

為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確，整個(gè)測(cè)試環(huán)境應(yīng)在屏蔽室環(huán)境內(nèi)進(jìn)行，以杜絕外界干擾的影響。

4.3 發(fā)射機(jī)測(cè)試結(jié)果

結(jié)合生產(chǎn)廠家、基站類型、頻段、端口數(shù)量等因素的差異，選取了兩個(gè)生產(chǎn)廠家的不同類型、不同頻段共8個(gè)基站設(shè)備進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，被測(cè)基站的主要參數(shù)見(jiàn)表2，發(fā)射機(jī)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

發(fā)射機(jī)測(cè)試中基站需要配置兩種測(cè)試配置：NR-FR1-TM1.1 和NR-FR1-TM3.1，其中NR-FR1-TM1.1 對(duì)應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目有：基站輸出功率、發(fā)射機(jī)開(kāi)/ 關(guān)功率、時(shí)間對(duì)齊誤差、占用帶寬、鄰道抑制比、頻譜發(fā)射模板、發(fā)射機(jī)雜散；NR-FR1-TM3.1 對(duì)應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目有：總功率動(dòng)態(tài)范圍、調(diào)制質(zhì)量、頻率誤差。本文的測(cè)試中，兩種測(cè)試模式均選擇100 MHz 帶寬，30 kHz 子載波間隔。

從表2中測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，在統(tǒng)一的測(cè)試模式下，8個(gè)基站的發(fā)射功率誤差均未超過(guò)±2.5 dB的范圍，調(diào)制質(zhì)量（EVM）均未超過(guò)8%，符合規(guī)范要求。測(cè)試的頻率誤差均遠(yuǎn)優(yōu)于指標(biāo)要求，這與測(cè)試過(guò)程中使用時(shí)鐘同步被測(cè)基站和測(cè)試儀表有直接關(guān)系，時(shí)鐘同步能夠保證兩者的本振頻率嚴(yán)格一致，減小測(cè)試環(huán)境帶來(lái)的誤差影響。

表2鄰道抑制比的測(cè)試結(jié)果中，所有基站的測(cè)試結(jié)果均高于45 dB，符合指標(biāo)要求。與發(fā)射載波頻偏一倍帶寬處的數(shù)值比頻偏兩倍帶寬處的數(shù)值稍差，這與寬帶調(diào)制的頻譜特性一致，即頻譜上距離載波越遠(yuǎn)，受調(diào)制載波的干擾影響越小。1號(hào)基站的測(cè)試結(jié)果相比其他基站略差，這與1號(hào)基站的發(fā)射功率（46 dBm/端口）最大有直接關(guān)系，發(fā)射功率越大，需要射頻鏈路中的增益越大，引起底噪抬升，從而導(dǎo)致對(duì)鄰道（頻偏BW）、次鄰道（頻偏2BW）的抑制越差。

表2 被測(cè)基站主要參數(shù)

表3 基站發(fā)射機(jī)測(cè)試結(jié)果

表4 發(fā)射機(jī)雜散輻射測(cè)試結(jié)果

表3雜散輻射測(cè)試結(jié)果中，類型1-C基站的發(fā)射功率均高于類型1-H基站，其雜散數(shù)值也略高，可知發(fā)射功率的大小對(duì)雜散輻射有直接的影響。9—150 kHz、150 kHz—30 MHz頻段的雜散為低頻范圍，主要受被測(cè)設(shè)備電源特性的影響，實(shí)際測(cè)試中通過(guò)更換品質(zhì)更好的電源可以改善該段的測(cè)試結(jié)果；30 MHz—fc（載波頻率）頻段范圍的雜散與被測(cè)基站的功放、濾波器特性密切相關(guān)，通過(guò)更換過(guò)渡帶更窄的濾波器，能顯著改善發(fā)射信號(hào)頻帶邊緣處的雜散性能；在2fc（載波頻率的2倍）以上頻段，雜散產(chǎn)生的主要原因是射頻鏈路非線性產(chǎn)生的互調(diào)、諧波等次生產(chǎn)物，通過(guò)改善基站射頻輸出端元器件在工作頻段上的線性度能降低該頻段的雜散。

4.4 接收機(jī)測(cè)試結(jié)果

對(duì)發(fā)射機(jī)測(cè)試中的8個(gè)基站，均進(jìn)行了接收機(jī)靈敏度的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。接收機(jī)測(cè)試配置均為：系統(tǒng)帶寬100 MHz，子載波間隔30 kHz，物理資源塊使用數(shù)量51，參考測(cè)量信道G-FR1-A1-5。

表5 基站接收機(jī)測(cè)試結(jié)果

在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參考靈敏度電平下，8個(gè)基站的吞吐量都達(dá)到了該參考測(cè)量信道理論速率的100%，即在物理層無(wú)任何誤塊產(chǎn)生，判定該項(xiàng)測(cè)試合格。為進(jìn)一步測(cè)量基站接收機(jī)的極限狀態(tài)，在此配置環(huán)境下繼續(xù)降低有用信號(hào)發(fā)生器的輸出功率，使基站接收到的電平逐步降低，直到誤塊率達(dá)到5%，吞吐量達(dá)到理論值的95%，記錄各基站的靈敏度極限值。從表5中數(shù)據(jù)可以看出，類型1-C的基站大約降低7 dB達(dá)到靈敏度極限值，類型1-H基站降低4～6 dB即達(dá)到極限值，因此同樣網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件下1-H基站的覆蓋范圍略低于1-C基站；在實(shí)際使用中，類型1-H基站通道較多，可以通過(guò)波束賦形提高覆蓋范圍，最終兩者的實(shí)際覆蓋范圍基本一致。

除雜散外，接收機(jī)的其他測(cè)試項(xiàng)目均可在接收機(jī)靈敏度測(cè)試的基礎(chǔ)上增加不同類型的干擾即可實(shí)現(xiàn)，不再一一列舉。接收機(jī)雜散的測(cè)試連接與步驟與發(fā)射機(jī)雜散一致，此處不再贅述。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于5G基站射頻傳導(dǎo)測(cè)試，介紹了相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試項(xiàng)目，對(duì)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行分析研究，指出其對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的影響，給出了射頻傳導(dǎo)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)測(cè)試的連接圖及測(cè)試環(huán)境搭建的過(guò)程。通過(guò)對(duì)多個(gè)基站的實(shí)際測(cè)試，分析了影響測(cè)試結(jié)果的主要因素以及測(cè)試中的注意事項(xiàng)。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，多通道基站的使用越來(lái)越多，導(dǎo)致射頻傳導(dǎo)測(cè)試的工作量大幅增加，傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)試單通道基站的方式已經(jīng)很難滿足需求；通過(guò)引入開(kāi)關(guān)矩陣并配合自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行射頻測(cè)試，能夠高效、準(zhǔn)確地測(cè)試多通道射頻性能，是一個(gè)重要的發(fā)展方向。另外隨著天線一體化基站的應(yīng)用，通過(guò)OTA方式測(cè)試所有射頻項(xiàng)目是一個(gè)必然趨勢(shì)，如何準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行射頻OTA測(cè)試是一個(gè)值得研究的課題。