探讨关于5G无线通信测试有哪些比较好用的仪器？

5G网络可以实现更快、更可靠的通信。 它为物联网、自动驾驶汽车、固定无线宽带上网以及更快的视频播放开启了大门，一个令人激动的新时代即将到来。 提供 5G业务需要在网络的 1–7 层进行端到端测试、精密测量，还需要深入的无线网络可视化解决方案，使整个生态系统在开发和运营 5G网络的过程中规避风险。

今天的討論分为四个部分，探讨了底层的通信体系结构, 以及为克服5G设备设计和5G无线通信测试新挑战而需要慎重选择5G网络测试的原因。

1.5G新空口标准

5G正迅速到来，它可以提供远远超过 4G 的功能。5G 新空口（NR）新规范给设备和元器件设计人员带来了新的挑战。除了按照新标准进行设计外，您还需要了解如何验证各种不同5G无线通信测试用例的协议，如何验证射频性能，以便提供预期的服务质量。测量已然变得更具挑战性。

大规模MIMO 和波束控制给波束管理带来了挑战；毫米波（mmWave）频率的使用也让保证信号质量面临重重困难；过去使用电缆就可以进行测试，现在则需要通过空中下载（OTA）技术完成，验证因而变得更加困难。

什么是大规模MIMO?

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。

大规模MIMO是 T. L. Marzetta在2010年发表的文献中提出的，他在文章中指出：“by increasing the number of antennas at the base station, we can average out the effects of fading, thermal noise and intra-cell interference.”這段文字意思是通过增加基站端的天线，可以平均掉衰落、噪声、小区内干扰等，在分析方法上体现为大数定理、中心极限定理的应用，这样带来的一个好处是：大规模MIMO系统的信号处理方法不需要再采用复杂的非线性设计来避免上述提到的干扰，而只需要简单的线性设计即可实现较好的系统性能。

大规模MIMO和MIMO系统的区别

相对比MIMO系统，大规模MIMO中新的问题和挑战，就是大规模MIMO与传统MIMO的不同。

MIMO的定义

MIMO（Multiple Input Multiple Output）是一种多输入多输出系统，指在通信过程中同时使用多个发射天线和接收天线的技术。通过利用多个天线进行数据传输，MIMO系统可以在不增加带宽的情况下显著提高通信容量和频谱利用率。

传统的MIMO系统中一般研究非线性预编码方案，比如DPC（dirty-paper coding，脏纸），而大规模MIMO中一般采用线性预编码，比如MRT（最大比发送）、ZF（迫零）、MMSE（最小均方误差）。DPC这类算法的复杂度较高，随着基站天线数量的增加，若采用非线性预编码会导致基站的计算复杂度激增，显然DPC这类方法不再适用于大规模MIMO。

大规模MIMO与传统MIMO的不同

大规模MIMO与传统MIMO的不同，具体包括一下几个方面：

1、信道测量和建模。
2、导频设计以及降低导频污染研究。
3、FDD模式下，下行信道估计、信号反馈、两阶段预编码等研究。
4、降低硬件开销的混合预编码结构和方法研究。
5、低精度硬件和非完美硬件下的信号处理研究。
6、其他利用空间自由度、统计信道状态信息、波束选择、天线选择等系列研究等。

一个革命性的变化就是使用大规模多路输入/多路输出（MIMO）天线方案，它支持空间复用并能最大限度重复使用稀有带宽。 借助大规模 MIMO 波束赋形，网络可以从传统的点对多点模式向实时自适应点对点链路演进，基站能够追踪用户并控制向用户传送的信号。其实大规模MIMO就是大量天线的波束赋形。（波束赋形，就是根据特定场景自适应的调整天线阵列的辐射图的一种技术）。

如何端到端仿真大规模 MIMO？

要集成 MIMO 基础设施以便成功地与其他网络设备进行互操作，您需要重现真实场景，并在其中执行复杂测试。 使用端到端仿真的大规模 MIMO 测试，可以验证全栈操作，以及对网络流量加以妥善处理。 通过对 Open RAN 之类分散网络体系结构的网络子系统进行测试，您可以验证用于 O-RAN 分布式单元（O-DU）的信号处理是否能够处理实验室测试系统中 O-RAN 无线单元（O-RU）和分布式用户设备发出的 MIMO 信号。

端到端大规模 MIMO 测试系统包含三大组件：一个是用户设备仿真器，用于仿真多个用户及其射频流量；一个是核心网仿真器，用于驱动无线接入网元并提供连通性；最后一个是 MIMO 射频前端，用于在空间上分离仿真的用户、实现与基站的 MIMO 通信。 该系统能够直观地显示 MIMO 波束赋形和用户在各种复杂干扰场景下可享受的网络性能。

下面我們將分为四个部分，分別探讨了底层的通信体系结构以及为克服 5G设备的设计和選擇5G网络测试產品而需要慎重考虑的问题。

5G技术

包括云计算、人工智能（AI）和机器学习、增强和虚拟现实、物联网以及数十亿联网设备在内的众多新兴技术正以前所未有的速度推动无线通信系统的发展。

5G新空口适用于何处，又将如何实现？

5G技术将会提供更快速、更可靠且接近即时的连接，让全球用户紧密联系起来。人们即使不在场也可以实时观看现场活动和比赛盛况；手机和视频电话让远隔万里的人们仿佛近在咫尺；智能设备结合人工指南（AI），将为每个人创造一个定制的个性化环境。

5G NR 预计将与 4G 一起使用，甚至在非独立模式（NSA）中利用 4G 核心网络作为数据和控制平面。5G、4G 和 Wi-Fi 预计将在同一个载波上共存，并利用免许可频段扩充 6 GHz 以下的容量。5G NR 第 15 版规范为灵活地适应 5G 通信的未来版本奠定了基础。物理层是应用 5G NR 的第一步，其重要性在于它定义了无线信号的组成结构以及信号通过空中接口进行通信的方式。

5G技术面临的新挑战

在物理层中实施设备设计所面临的相关挑战包括：
• 灵活的时间和频率间隔可实现低时延，但会导致复杂的信道编码和信号质量难题，以及测试用例数量庞大。
• 通过带宽部分可以实现频谱的有效使用，但这又产生了新的共存问题。
• 大规模 MIMO 和毫米波波束控制可实现更高的吞吐量和容量增益，但也会给波束管理带来新挑战。
• 使用毫米波频率可以实现更大的信道带宽，但同样会给信号质量带来新的挑战，需要进行空中（OTA）测试。

本系列的第 1 部分介绍了 5G NR 规范，并详细说明了将会支持 5G 预期进步的新功能。其他部分将更深入地讨论实施 5G NR 规范所面临的挑战。

5G NR规范

第 15 版 NR 规范规定了一个新的空中接口，它能够实现更高的数据吞吐量和低时延用例。实现更高数据吞吐量的关键是增加了高达 52.6 GHz 的毫米波频谱。在这些更高频率上有更多的连续频谱，可用于通过信道发送更多数据。第 15 版规范规定了 高达 400 MHz 的最大载波带宽和高达 16 个分量载波，这些分量载波可以聚合提供 800 MHz 的带宽。另外，灵活和可扩展的时隙结构将有助于支持 5G 预期实现的各种多元化新用例。图 1 显示了不同的技术指标将如何提供灵活和可扩展的物理层，并展示 5G NR 将会带来的明显优势。

灵活的波形和参数集

5G NR 定义了 CP-OFDM（循环前缀 OFDM）作为下行链路（DL）和上行链路（UL）的调制格式（或波形）。众所周知，CP-OFDM 通常在移动通信用于 DL 传输，但现在也用于 UL 传输。在 UL 和 DL 中使用相同的波形，有利于在未来的版本里实现更容易的设备间通信。DFT-s-OFDM时延扩展 OFDM）也被指定为 UL 的可选波形。使用单一传输对功率受限的情况比较有利。

与 4G 不同，NR 允许出现可扩展的 OFDM 参数集（μ），其中子载波间隔不再固定为 15 kHz。NR 的子载波间隔为 2µ x 15 kHz 。15、30 和 60kHz 子载波间隔用于较低频带，60、120 和 240kHz 子载波间隔用于较高频带。可扩展的参数集支持可扩展的时隙持续时间，以优化不同服务等级的吞吐量、时延或可靠性。在较高频率上采用较大的子载波间隔也有助于提高波形的可靠性，因为在毫米波设计中综合的相位噪声可能是一个大问题。图 2 显示了不同的子载波间隔以及相对应的传输时间间隔（TTI）如何导致时隙放大或缩小。

在 OFDM 系统中，使用循环前缀（CP）来减轻信道时延扩展和符号间干扰的影响。 CP 通过在同一符号的起始处重复符号末端来提供缓冲，防止 OFDM 信号受到符号间干扰。这样做虽然降低了可达到的数据速率，但它完全消除了因 CP 长度造成的符号间干扰。在 5G NR 中，由于子载波空间发生了变化，循环前缀长度也相应地扩大或缩小，从而使 CP 长度适应信道条件。

低延时微时隙

超可靠的低时延通信（URLLC）是三种主要的 5G 用例之一，部分是通过微时隙实现的。LTE 的传输遵守标准时隙边界，但没有为实现最小时延进行优化。如图 3 深蓝色部分所示，标准时隙有 14 个 OFDM 符号。如浅蓝色所示，时隙持续时间随着子载波间隔的增加而减少。微时隙的持续时间比标准时隙短，可以位于时隙内的任何位置。微时隙可以是 2、4 或 7 个 OFDM 符号长度。使用微时隙，帧可以立即开始而无需等待到达时隙边界，因此可以确保净荷的低时延。

灵活的时隙结构

NR 子帧结构还允许在同一个子帧内动态分配 OFDM 符号链路方向和控制信息。利用这种动态 TDD 机制，网络可以动态平衡 UL 和 DL 流量需求，并在同一个子帧中包括控制和确认信息。时隙格式指示符（SFI）用于表示时隙中的给定 OFDM 符号是用于上行链路、下行链路还是灵活分配的。

灵活的带宽部分

LTE 的载波带宽较窄，最大只有 20 MHz，但可以通过聚合创造更大的信道带宽，最大可达 100 MHz。在 5G NR 中，FR1（高达 24 GHz）的最大载波带宽高达 100 MHz，FR2（高达 52.6 GHz）的最大载波带宽更高达 400 MHz。5G NR 中的新特性是带宽部分，其中载波可以 进行细分以用于不同用途。每个带宽部分都有自己的参数集，并且可以单独发送信号。一个载波可以有混合的参数集，以便支持混合级别的业务，例如节能或在免许可频段复用参数集和业务。但是，在给定时间内 UL 和 DL 都只有一个带宽部分处于活动状态。带宽部分可以在同一个载波中同时支持传统的 4G 设备和新型的 5G 设备。使用 4G、5G 和潜在的 Wi-Fi 多路复用业务 内和带外辐射必须保持在最低限度。图 5 举例显示了带宽部分如何在一个给定载波内支持不同的业务。

通过大规模 MIMO 和波束控制提高吞吐量

如同以前每一代升级一样，吞吐量是 5G通信成功的关键。有多种方法可以提高吞吐量，包括使用更宽的总体信道带宽，以便让更多数据通过空中接口发送；实施空间多路复用，使多个独立的数据流可以在给定时间和频率通过多个天线发送；以及使用增强的信道反馈，因为信号经过优化并使用先进的信道编码进行传输。大规模 MIMO 和波束控制是提高吞吐量的关键技术。

NR 第 15 版规范指定使用高达 52.6 GHz 的频率，每个载波的带宽高达 400 MHz，并且允许多个载波通过聚合提供高达 800 MHz 信道带宽。然而，在毫米波频率上工作给路径损耗、阻塞和信号传播都带来了新的挑战。波束控制将成为解决这些问题的杀手锏。 NR 规定了新的初始接入程序，以确保校准波束控制的定向传输。图 6 显示了新的初始接入技术，基站使用波束扫描发射多个波束，识别最强的波束并建立通信链路。验证通过无线链路所实现的初始接入、波束管理和吞吐量，将是成功实现 5G 波束控制的关键因素。

利用信道状态信息 CSI 提高波束赋形可靠性

什么是信道状态信息 CSI？

信道状态信息（Channel State Information，简称CSI），无线通信领域用语，就是通信链路的信道属性。它描述了信号在每条传输路径上的衰弱因子，即信道增益矩阵H中每个元素的值，如信号散射（Scattering）,环境衰弱（fading，multipath fading or shadowing fading），距离衰减（power decay of distance）等信息。CSI可以使通信系统适应当前的信道条件，在多天线系统中为高可靠性高速率的通信提供了保障。完整的CSI通过三个维度描述：时（间）、频、空，分别对应着无线信道随时间、载频、空间分布不同所经历的变化。

信道状态信息CSI可以用来做什么？

基站或者终端获取了CSI后，可以用CSI做很多预处理，比如利用CSI做多用户调度、时/频/功率等资源分配、对传输数据做预编码、动态选择合理的编码调制方式等等，可以说CSI是信号处理的基础，对CSI的估计和获取非常重要。

信道状态信息（Channel State Information - CSI）有利于形成可靠的 5G NR波束。5G NR 为 CSI采集指定了新的波束管理框架，以减少 CSI测量和报告之间的耦合，从而可以动态控制不同的波束。 CSI 使用信道估计来智能地改变预编码，使波束适应特定用户。CSI信息越好、越精确，链路适应性就越好。

5G NR波形
了解 5G NR 波形的频域、时域和调制域分析具有非常重要的意义。必须使用软件和硬件为 6 GHz 以下频段和带宽更大的新毫米波频段中的各种不同用例创建和分析 5G 波形。NR 规范中的新功能（包括具有不同子载波间隔、动态 TDD 和带宽部分的灵活参数集）增加了创建和分析波形的复杂性。图 7 所示为使用 KEYSIGHT 5G Signal Studio 软件和信号发生器创建的两种不同的 NR 波形，以及使用 Keysight 89600 VSA NR 软件进行的相关分析。

5G 基站制造和设计验证测试解决方案，可以提供成本更低、占用空间更小的 nnWave测试。

第 1 部分的结论 - 5G技术将在吞吐量、低时延和大规模机器对机器通信方面实现许多进步。作为首个 5G NR规范，3GPP 第 15 版规范提供了出色的灵活性和前向兼容性，但也给实施带来了重大挑战。为符合这些标准，每一个测量步骤（无论是仿真、设计还是验证）都有需要考虑的问题和挑战。5G设备的设计和测试必须不断演进，以应对许多5G无线通信测试用例所要求的验证，确保在毫米波频率上建立稳定、高吞吐量的连接，实现 5G NR 与 4G 和 Wi-Fi 的共存。请继续关注 5G NR 白皮书的下一部分，我们将回顾毫米波频率实施遇到的挑战以及 5G NR 设备设计的注意事项。

2. 毫米波频谱

5G通信提出了非常宏伟的目标。增强型移动宽带（eMBB）用例的目标是在下行链路（DL）和上行链路（UL）上分别达到 20 Gbps 和 10 Gbps 的峰值数据速率，以支持4K 或 8K UHD 电影等高速流媒体新应用。虽然数据速率可通过不同方式得到改进，但实现更高移动宽带数据速率的核心是 频谱。5G新空口（NR）规定了 6 GHz 以下的新频段，同时扩展到毫米波（mmWave）频率，其中有更多的连续带宽可用于发送大量数据。

虽然带宽增加将会给消费者带来更好的服务，但其在满足毫米波频率的信号质量要求方面也带来了新的挑战。原本在 6 GHz 以下微不足道的减损现在变成了大问题，必须谨慎考虑方能确定可行的5G无线通信测试方法，按照要求的精度准确评测 5G 元器件和设备。

5G频谱一览
需要跨地区的频谱协调，以便为全球消费者提供全面的性能 和覆盖范围。5G NR 指定了高达
52.6 GHz 的频率以及新的工作频段，获得了大约 10 GHz 的新频谱。

• 频率范围 1：400 MHz 至 6 GHz 在以下频段增加了 1.5 GHz 的新频谱：3.3-4.2 GHz、 3.3-3.8 GHz、4.4-5 GHz。
• 频率范围 2：24.25 至 52.6 GHz 在以下频段增加了 8.25 GHz 的新频谱：26.5–29.5 GHz、 24.25-27.5 GHz、37-40 GHz。

业界已经在主要地区开展了研究和试验，首先使用 6 GHz 以下以及更高的厘米波和毫米波频率的工作频率，如表 1 所示。

表 1. 从 6 GHz 以下到毫米波频率的 5G 频谱试验

在 1 GHz 以下的 600、700 和 800 MHz 处有多个频段受到关注，它们可以用于支持物联网业务。
1–6 GHz 将用于扩大覆盖范围和容量。中国大陆、欧洲、韩国和日本的主要目标是 3.3–3.8 GHz频段，通过该频段提供各种 5G 业务。另外，中国和日本也正考虑使用 4.4–4.9 GHz 频段。
6 GHz 以上频段将主要用于满足超高宽带用例的需求。日本和美国最初考虑使用的毫米波频段分别为 28 GHz 和 39 GHz。尽管 5G NR 第 15 版指定了高达 52.6 GHz 的频率范围，但业界仍在继续进行研究，准备在未来进一步开放 64–71 GHz 和 71–76 GHz 频段。

类似于 LTE，可以聚合多个分量载波形成更大的带宽， 如表 2 所示，在频率范围 2 （FR2）处达到800 MHz 的最大带宽。部署的频谱数量将由各个国家和地区决定。这是 5G NR 最初开放的频段，预计随着未来 5G NR 的进一步开放，频率、带宽和波形都将得以发展，以支持新的用例。

表 2. 5G 新空口最初开放的 15 个频率和波形技术指标

由于众多测试用例、共存问题以及大规模 MIMO设计空中（OTA）验证都极为复杂，在 6 GHz 以下的 3.4-3.7 GHz 和 4.4-4.9 GHz 新频段 实施设计将面临一些新挑战。然而，6 GHz 以下将更多的是现有 LTE-A 能力的演进，相比之下，实施毫米波设计将面临更大挑战。

根据运营商的预测，固定无线接入将于 2018 年底最先引入毫米波技术1。如今，IEEE 802.11ad / ay 60 GHz Wi-Fi 应用中已经有固定的点对点或点对多点无线通信。最初的 5G 固定无线接入实施将使用类似的 MIMO 和波形配置，并且可能以非独立模式（NSA）运行，将 4G eNB 用作锚点和控制平面。主要区别发生在毫米波实施移动起来的时候。当设备在停车场中、沿着高速公路甚至在高铁上移动时，建立和维护通信链路将面临新的挑战。业界正在进行试验，以确定不同毫米波移动用例的可行性。由于信道模型是针对不同用例开发的，因此元器件和设备需要具备在毫米波频段工作所必需的性能。

毫米波信号质量挑战

许多因素均会影响信号质量，包括基带信号处理、调制、滤波和上变频。由于预计毫米波频率上的信道带宽更宽，基带和射频设计可能受到常见信号减损的影响。在频率较高或带宽较宽的情况下，这些信号减损问题会变得更加棘手。正交频分复用系统中固有的正交特性可以防止重叠载波之间的干扰。然而，诸如同相正交减损、相位噪声、线性压缩（AM 到 AM）和非线性压缩（AM 到 PM）之类的减损以及频率误差可能导致调制信号失真。相位噪声是毫米波正交频分复用系统中最具挑战性的因素之一。设计中的相位噪声如果过多，就可能导致子载波之间相互干扰，从而损害解调性能。

这些问题不仅十分难以解决，而且可能影响设计的性能。设备的设计必须能够克服宽带宽、毫米波信号中的物理问题，而且5G无线通信测试解决方案必须比被测设备性能更高，这样才能正确测量和表征信号质量，而不是引入新问题。

表征信号质量

评测信号的调制属性，可以得到关于信号质量最有用的指标之一。查看同相正交星座图，有助于确定和诊断失真错误。信号调制质量的另一个关键指标是数字误差矢量幅度（EVM）测量，它提供了波形失真的总体指示。

5G NR 规定了循环前缀正交频分复用（CP-OFDM），这是一种多载波调制方案。宽带信号中显示的电路相位、幅度或噪声的任何变化均在误差矢量幅度测量结果中得到反应。误差矢量幅度是两个矢量之差的归一化比率：同相正交测量信号和同相正交参考（同相正交参考是计算值）如图7 所示。它基本上能表明信号距离参考点有多远。误差矢量幅度通常以 dB 为单位或百分比形式来测量。

5G技术预计将会使用更密集的调制方案（最初高达 256 QAM，未来高达 1024 QAM），而随着调制密度的增加，元器件和设备需要更优质的误差矢量幅度结果。例如，表 3 显示了随着调制密度的增加，用户设备（UE）对 3GPP 误差矢量幅度的要求如何降低。

频谱测量对验证信号的射频性能而言同样必不可少。用于传输产品的 5G UE 频谱测量包括传输功率、占有带宽（OBW）、相邻信道功率 比（ACPR）、频谱发射模板（SEM）和杂散发射的测量。

5G无线通信测试解决方案需要具备足够高的性能，以便评测星座图并测量 5G 元器件和设备所需的误差矢量幅度。随着 5G 标准的演进，灵活地进行频谱测量并扩展至更高的频率和带宽同样非常重要。

定义测量解决方案

为了在毫米波频率对宽带宽设备进行高质量测量，5G无线通信测试解决方案的误差矢量幅度性能必须优于被测产品或系统的
误差矢量幅度性能。以下为典型指南：

元器件测试：总体上比被测系统高 10 dB

系统测试：比无线标准的信号源高 3 dB

在测量无线设备中的发射机、接收机、收发信机或其他元器件时，取决于待测量的被测设备，5G网络测试解决方案通常包括激励源和被测设备，被测设备和分析仪，或激励源、被测设备和分析仪。基带和 6 GHz 以下的测量通常可以使用电缆进行。然而，由于天线和射频集成电路预期的高集成度导致没有用于传导测试的连接器测试点，因此厘米波或毫米波频率上的测量可能需要进行 OTA 测量。

图 8 显示了 5G波形生成和分析测试台，参考5G网络测试装置。它的性能足以评测 5G元器件和设备在毫米波频率下可能比较严重的减损。矢量信号发生器用于生成输入到被测设备的数字调制 5G NR信号。矢量信号分析仪用于从被测设备捕获射频信号特性，并将调制信号转化成数字信号进行分析。该测试解决方案提供灵活的配置，可满足测试 5G元器件和设备时的频率、带宽和保真度要求。

5G网络测试系统中的其他误差可能源自测试装置本身。与 6 GHz 以下测量系统相比，更高频率和更宽带宽的测试装置在被测设备（DUT）与测量设备之间的测试夹具、电缆、适配器、耦合器、滤波器、前置放大器、分离器和开关等器件对误差的影响更大。为了获得尽量高的测量精度，测量系统必须在与被测设备连接的相同位置上依据参考平面进行校准。此举的目的是消除测试装置的影响，查看被测设备的真实特征。测量系统需要具备优于被测设备设计目标的性能。在被测设备平面上进行测量，可提供更佳的测量精度和可重复性。正确的系统级校准可以消除测试夹具在频率和相位上的不确定性，对于测量较宽带宽的信号意义重大。5G网络测试解决方案中包含信号优化器软件，它可将校准计划从测试设备移至被测设备参考平面，如图8所示。

连接器、电缆和适配器

除了校准之外，正确使用电缆、连接器和适配器也可以提高5G无线通信测试装置的精度。这些器件中使用的材料、结构和几何形状都是专为在特定频率范围内工作而设计的。避免质量低劣或不正确的布线和附件损害昂贵测试系统的性能。由于大多数毫米波频谱分析仪都是在包括低频工作的环境中使用，因此使用专为这些较低频率设计的连接器对用户来说颇具吸引力。但是，更小的波长要求电缆和连接器的尺寸也更小。对于毫米波测量来说，这意味着不应使用常见的 SMA 附件和精密型 3.5 mm 附件。

对于混频环境，考虑以 2.4 mm 或 2.92 mm 附件作为标准附件。尽管插入损耗略高于 SMA 和 3.5 mm（主要在 30 GHz 以上），但 2.4 mm 和 2.92 mm 附件适用于所有较低频率，并提供优越的可重复性。

5G NR毫米波测量

通过选择正确的5G网络测试设备、连接器、适配器和系统级校准，可进行高性能测量，评测 5G元器件或设备的真实性能。图 3 是使用是德科技 5G波形生成和分析测试台解决方案对 5G天线进行校准测量的结果，该解决方案能够对从射频到毫米波频率的 5G NR设备进行精确表征，其调制带宽高达 2 GHz。使用符合 5G NR标准的软件，可以通过 5G参数集、上行链路和下行链路轻松创建和分析波形，并可用于测试 5G NR 和 LTE整合与共存。

第 2 部分的结论

5G 在毫米波频段中的运行方式已经确定。5G NR 第 15 版标准指定了高达 52.6 GHz 的毫米波 工作频段和高达 800 MHz 的聚合信道带宽。在 毫米波频率上，信号更容易受损，因此在选择5G无线通信测试解决方案、电缆、连接器时需要谨慎考虑这一问题，并通过系统级校准来实现精确测量。是德科技 5G 波形生成和分析测试台已经为 5G NR 做好准备，可精确表征从射频到毫米波频率的 5G NR 设备信号质量。它提供了所需要的性能和带宽，以及随着 5G 标准演进而扩展的灵活性。

3. MIMO 和波束赋形

MIMO（多路输入、多路输出）、波束控制和波束赋形是目前关于 5G 最热门的话题。它们对于实现 IMT-2020 愿景中规定的 100 倍数据速率和 1000 倍容量的宏伟目标至关重要。根据爱立信移动报告1（2017年11月），移动数据流量年同比增长约 65％，预计未来将以 42％ 的复合年增长率增长。预计到 2023 年，移动用户数量将达到 91 亿，其中使用 5G 增强型移动宽带业务的人数将达到 10 亿。

MIMO 给设计带来了 3 大挑战：
1. 3D 天线波束方向图验证
2. 毫米波验证链路完整性
3. 设备性能在实际条件下进行优化

MIMO 是提高网络容量和效率、满足这些要求的最佳方式之一。对于设备来说，必须能够跨频段（从 6 GHz 以下到毫米波频率）、跨场景（包括大规模物联网连接和超高数据吞吐量）地支持多天线技术。在 5G 设备上实施 MIMO 给设计人员带领了多种必须要克服的新挑战，包括 3D 天线波束方向图验证、毫米波链路完整性、以及在真实条件下进行设备性能优化。

MIMO技术基础
想要了解这些挑战，必须对 5G 设备使用何种技术发送和接收稳定的高质量信号有一个基本的认识。使用多天线的技术有很多，每一种技术都有各自的优缺点。

在多种形式的射频通信中，经常采用空间分集的技术来改善可靠性。空间分集是指通过多个天线分别发送相同的信号。利用这种技术，可以提高正确接收该信号的概率，可靠性也因此提高。

空间多路复用是另一种多天线技术，它向每个天线馈送单独的数据，所有天线均在同一频率进行发射。空间多路复用创建了多个信道，每个信道传输独立的数据流，这增加了整体数据速率。

波束控制和波束赋形是使用多个天线进行高度定向传输的另一种技术，它通过增加增 益，使波束精确指向接收天线。波束赋形比波束控制更复杂，包含信道反馈，因此可以实时操控波束形状和方向。信号多路复用和波束赋形除了改善吞吐量的优势外，还增加了信号稳定性。当多个波束指向不同的设备时，甚至可以获得更高的频谱效率，这一概念称为多用户 MIMO。

诊断 5G NR MIMO 问题

由于毫米波（mmWave）频率上的调制带宽比较宽广，导致诊断和解决 5G NR 多信道多路输入和多路输出（MIMO）实施中的硬件性能问题变得更加复杂。 您需要执行全面的多信道 MIMO 测量，例如误差矢量幅度（EVM）测量。 时序错误、本地振荡器（LO）相位噪声、功率放大器增益/相位失真和中频（IF）/射频滤波器群时延之类的射频和基带减损，都可能导致发射机 EVM 受到影响。 如果能洞察此类错误机制，将有助于发现潜在的 MIMO 性能问题。

在 28 GHz 单用户 2x2 MIMO 实施中，接收机将会对两个数据流进行去多路复用。 此时可能会发生天线或信道/多次反射耦合，影响 MIMO 性能。 如果要测试这种实施，您需要使用微波信号发生器、交叉极化探测天线和解调分析软件。 实时示波器可以对 28 GHz 测试信号直接进行数字化处理，并提供多个相位相干的全带宽信道，从而解决高频毫米波应用中的极端频率带宽问题。

5G NR MIMO测试解决方案 - 在测试和调试 5G NR MIMO 实施时，您需要对所需的测试信号直接进行数字化处理。 Keysight UXR 系列示波器和 Keysight PathWave VSA 5G NR 调制分析软件可提供多达四个相位相干的全带宽信道，适合用于测试 MIMO 实施中的宽带毫米波信号。 高达 110 GHz 的最大瞬时带宽使您能够验证高频毫米波应用。

MIMO 和波束赋形面临的挑战与解决方案

毫米波频率的 MIMO 和波束赋形为设备设计人员带来了很多新挑战。5G NR标准提供了物理层框架结构、全新的参考信号以及新的传输模式，以便支持 5G 增强型移动宽带（eMBB）数据速率。设计人员必须理解 3D波束方向图，确保波束可以连接到基站并提供所需的性能、可靠性和用户体验。下列技术对于成功实施您的 5G设备设计至关重要：
1. 3D天线波束方向图验证
2. 毫米波链路完整性验证
3. 在实际条件下进行的设备性能优化

5G新空口多单元有源天线的实施会给测试带来以下新的挑战-应对更大的毫米波频率路径损耗, 验证 3D天线波束方向图的 OTA射频性能和优化基站在真实条件下的性能。

多元天线阵列将在移动设备上使用，以实施波束控制或波束赋形。相控阵天线是一种能够动态生成波束并让其指向预定方向的低成本实用方法，该方法又称为波束控制。相控阵天线是由较小的天线元件组成阵列来构成的。通过改变施加到各个元件上的信号的相对相位和幅度，天线阵列可以在选定方向上形成和控制一个波束。这些阵列将会集成到高密度 RFIC 中，并需要进行空中测试，因为没有探测点可以进行传导测量。

1. 波束方向图验证。

验证波束性能的方法是测量 3D天线波束方向图，然后验证它们在整个 5G 频率和带宽范围内，是否有正确的天线增益、旁瓣和零位深度。旁瓣和零位必须处于恰当的位置，以便调谐天线，最大限度提高信号的辐射效率。

虽然原型的设计验证非常关键，但是制造毫米波原型的成本非常昂贵。在一个拥有信道模型和基站链路的仿真系统中建立天线模型，能够让设计人员在设计周期的早期阶段便进行深入分析，从而可以降低原型制造和返工成本。仿真数据是设计流程的一个重要部分，可以用于在整个开发流程中进行故障诊断。图12 显示了具有毫米波信道模型的链路级仿真，以便了解仿真天线的性能。利用这种方法，可以在仿真中加入各种减损，在开发硬件原型之前对设计进行优化。

前面说过，一旦设计进入到硬件实施阶段，设计人员需要验证此设备能够在指定范围内产生正确的波束宽度、零位深度和增益，以及符合功率输出限制。在硬件中，验证工作需要采用空中（OTA）测试方法来实施。

2. 毫米波链路完整性。

LTE 系统使用覆盖大角度区域的天线，为潜在用户建立宽广的通信网络。5G 有望使用窄波束来克服毫米波信号的传播问题，但这会让UE（用户设备）更难以找到来自基站的波束。维持高质量的链路也是一个问题，尤其是当设备在网络中移动时。在建立无线链路连接方面，5G NR 第 15 版标准为初始接入和连接规定了新程序。如图 14 所示，由于设备和基站均不知道对方的位置，基站会在整个频谱中使用波束扫描以同步模块方式发射信道信息。用户设备将会确定最强匹配并反射回基站。现在，基站已经知道了用户设备的方向，可以建立通信链路。

关于波束采集和追踪、波束优化、波束反馈和波束切换的程序已经定义完毕。在使用混合参数集时，建立这个连接需要的时间更长。设计人员必须实施、验证和优化所有这些功能，否则用户将会遇到掉线或性能低下等问题。

在开发周期中尽早测试协议，将确保设备能够建立连接，保持通话畅通。具有内置协议状态机的网络仿真器能够仿真网络信号，并测试由此产生的设备信号，以便验证和优化初始接入和波束管理。

3. 在真实条件下进行设备性能优化。

吞吐量和时延是无线通信系统的两个关键性能指标。如果时延过大，那么最终用户的体验就会受到影响。不同的协议堆栈层必须共同协作，以实现 5G 系统的时延和吞吐量目标。了解设备的工作情况非常重要，不仅包括采集波束，还包括执行切换、退回 4G、以及其他波束管理功能。

测试波束端到端吞吐量有多种方法，其中一种最有效的方法是使用网络仿真器向用户设备发送协议命令，然后测量用户设备的响应。如图 15 所示，网络仿真器可以提供脚本以便配置 5G 信元连接、更改用于同步和参考信号的功率电平、设置用于发射和接收控制的波束赋形参数和资源块。

大多数元器件和设备测试都是在可控环境下完成的。不过，这些设备的实际工作环境往往存在多种信号传播问题，包括过量的路径损耗、多径衰落和时延扩展。这些真实条件下的减损会影响设备性能，为此必须对其进行评测。在5G无线通信测试装置中添加一个信道仿真器，可以表征端到端的全栈数据吞吐量，同时仿真各种真实的无线条件。

第3部分的结论

MIMO、波束控制和波束赋形是 5G 设备的关键技术。实施多元天线将会为设备设计人员带来很多新的挑战。设计人员必须使用适合的工具来评测天线波束方向图，确保设备能够连接到网络并能提供预期的服务质量。是德科技提供的测试解决方案可以在一个仿真网络中验证波束结构和设备性能，为设计人员提供一个从协议到射频的无缝工作流程，使其即使在一个 5G 标准不断演进的环境中也能实现更高效的开发。通过添加信道仿真，设计人员可以验证设计在真实条件下的表现，并将高性能的产品更快推向市场。

4. 空中测试

空中（OTA）测试是 5G设备开发过程中面临的最大挑战之一。在这个系列中，我们已经讨论了 5G 设备设计人员需要考虑的多个方面，包括新 5G NR 标准、灵活的参数集、毫米波（mmWave）设计的考虑因素，以及 MIMO 和波束赋形挑战。这些技术合起来形成了一系列新的测试挑战，只有通过 OTA测试才能进行验证。

为了实现 5G 增强移动宽带（eMBB）用例预期的高达 20 Gbps 的下行链路峰值数据速率，MIMO、波束控制和载波聚合将会发挥重要作用。要想测试高度集成的调制解调器、在独特的毫米波信道条件下验证设计，需要进行 OTA测试。在 OTA测试环境中，您需要查看、表征和验证在各种真实场景下的 5G设备波束方向图和性能。不过，3GPP 批准的 OTA测试还没有完整定义。了解可能遇到的挑战和提议的 OTA测试方法是成功开发5G 新空口（NR）设备的基础。

您必须解决这三大挑战，才能成功测试 5G毫米波：
• 毫米波频率的路径损失过大，距离过远
• 没有完整定义的毫米波空中测试方法
• 在真实信道条件下测量设备性能

毫米波测试需要新的测试方法

毫米波频率非常重要，因为它们能够提供更连续的频谱和更宽带宽的无线信道。毫米波频率还会遇到在 6 GHz 以下频率上不曾遇到的信号传播问题，包括路径损耗增加、时延扩散，甚至由机箱或人为干扰造成的阻塞，所有这些都使建立和维护无线通信链路变得更加困难。5G无线系统将同时在基站和移动设备上使用多天线空间分集和波束控制技术，以克服这些挑战。这些设计将按照特定方向可靠地传播窄带波束，从而提升信号的强度。

毫米波天线阵列可能非常小；24 GHz 全波长间隔仅有 12.5 mm。5G智能手机制造商必须为支持多个蜂窝频率的 GPS、Wi-Fi、蓝牙和天线寻找空间。为了将所有这些元件安装到一个日益缩小的空间中，进行设计优化将变得非常普遍，例如采用高度集成阵列的 RFIC。探测这些集成设计将会非常困难，并且电缆测试也十分困难、昂贵、并且不足以测试新参数，例如 3D 辐射波束大小和方向。

在原型设计阶段，空中测试将能提供至关重要的洞察力。芯片、天线和集成器件都必须接受在空中环境下进行的测量。优秀的设计要求设计人员在 2D 和 3D 场景下测量波束方向图，并了解波束宽度、旁瓣电平、零位深度和对称性等。此外，设计人员还必须验证波束控制和归零控制功能，确保波束指向正确方向，同时在各种条件下保持天线增益。

空中测试的挑战与解决方案

与传统的电缆测试不同，空中测试面临着诸多新挑战，包括过量路径损耗等。电缆测试套件的物理特性是已知的，并且可以进行校准，以获得精确且可重复的结果。现有的空中测试方法必须进一步改进。对于毫米波设备来说，路径损耗过大，会让精确的空中测量更加难以实现。在 3GPP 尚未对毫米波测量的标准做出明确定义之前，是德科技一直在与一些 5G 芯片和设备领导厂商紧密协作，抢先了解 OTA测试挑战，并提供已为 5G 准备就绪、可能获得 3GPP 批准的新解决方案。

这些新挑战可以总结如下：
• 毫米波频率的路径损耗过大，距离过远
• 没有完整定义的毫米波空中测试方法
• 在真实信道条件下测量设备性能

挑战 1. 在毫米波频率上的路径损耗过大，距离过远

空中测试通常在天线阵列的近场或远场区域执行。发射的电磁波（EM）其特征会随着与发射机距离的增加而发生变化。当信号逐渐远离天线阵列时，信号也会逐渐发展变化。如图 18 所示，峰值幅度、旁瓣和辐射方向图的零位都会向着远场方向图演进。

虽然近场测量适用于某些应用，但也需要使用远场假设来评测 5G 蜂窝通信链路。由于 辐射波的本质特性，远场距离和相关路径损耗会随着频率升高而变大。例如，对于工作频率为 2 GHz 的 4G LTE 15 cm 设备，其远场范围从距离其 0.3 米处开始算起，此时的路径损耗为 28 dB。5G NR 28 GHz 设备的远场范围从 4.2 米处开始，此时的路径损耗为 73 dB。因此进行远场测试需要空间极大的实验室，并且路径损耗过大，无法进行精确而可靠的毫米波测量。随着信号源天线变得更大，远场范围的起点距离也会变得更远，这会进一步加剧物理空间和路径损耗方面面临的挑战。

要想成功测量射频性能，例如发射功率、发射信号质量和杂散发射，必须克服路径损耗问题。如图 3 所示，为了克服路径损耗和远场距离过远的问题，3GPP 已批准了一种间接远场（IFF）测试法。这种方法以紧凑型天线测试范围（CATR）为基础设计而成。

挑战 2. 定义不完善的毫米波空中测试方法

典型的空中测试解决方案包括电波暗室、不同的探测方法和测试设备，以便在某种空间设置下生成和分析辐射信号。电波暗室可以提供一个非反射环境，屏蔽外部干扰，从而可以在受控环境中生成和测量功率和方向已知的辐射信号。

在5G网络测试中，低频测试将与 4G 技术相似，但对于毫米波频段，需要使用空中测试方法执行下列测试：

射频性能 — 基本的信号质量

解调 — 数据吞吐量性能

RRM（无线资源管理）— 初始接入、切换和移动性

信令 — 上层信令程序

5G射频性能测试方法是当前最成熟的一个方法。3GPP 研究组还在为设备解调和更复杂的 RRM 定义测试方法。3GPP 已批准了三种射频性能测试方法，以便测试 UE 设备。每种方法都有优缺点，根据您要测试的频率和试验室中的空间限制，可能需要采取一种或多种方法来表征您的设备。

直接远场法（DFF）。在 DFF 方法中，被测器件（DUT）安装在方位角和仰角可以旋转的定位器上，技术人员可以从整个 3D 球上的任何角度测量被测器件。直接远场法可以执行非常全面的5G无线通信测试，包括测量多个信号，但是测试毫米波设备需要更大的电波暗室；工作频率为 28 GHz 的 15 cm 辐射设备需要 4.2 米的电波暗室，这会产生过大的路径损耗。由于能够测量多个信号，这种方法仍然是测试 6 GHz 以下设备的首选方法。

间接远场法（IFF）。IFF 测试法以紧凑型天线测试范围（CATR）为基础，使用一个抛面反射器来校准探头天线发射出的信号，并建立一个远场测试环境。尽管这种方法仅限于测量单一信号，但在测量毫米波设备时，它却能提供比 DFF 法更短的距离以及更小的路径损耗。

近场至远场转换（NFTF）。NFTF 方法对附近区域电场的相位和幅度进行采样，并使用数学方法来预测远场方向图。虽然这种方法比较紧凑，成本也较低，但它也容易受到发射机的干扰，可能影响测量精度。它还仅限于单一视距测量。

由于具体的5G网络测试方法还没有完全确定，如果您自己实施空中测试解决方案，可能需要耗用大量时间和进行返工。是德科技正在参与 3GPP 规范的开发，能够较早了解这些要求。通过与早期的采纳者紧密协作，我们正在开发创新的 5G OTA测试方法，包括电波暗室、探测和测试设备，以便满足 5G新空口设计在毫米波和 6 GHz 以下频段中的各种射频、解调和功能性能测试要求。

挑战 3：在真实信道条件下测量设备性能

为了尽量提高性能和可靠性，设计人员除了在稳定和可控的验证环境下进行5G网络测试，还需要接受更严苛的考验。信道仿真器工具不仅能够仿真真实的条件，同时还能够控制和重现这些条件。这使设计人员可以测试各种新技术，包括更宽的信号带宽、毫米波频率、波束控制，还可以测试信号传输问题，例如路径损耗、多径衰落和时延扩展。

作为完整5G网络测试的一个组成部分，信道仿真器使设计人员能够在仿真真实无线条件的同时，将设备视为真实全栈系统的一部分进行表征。通过使用全栈设置，设计人员可以测试各种情况，并快速识别可能影响成品设备用户体验的任何情况。

结论

提供5g网络测试承诺的超高数据速率将会面临重重挑战。技术人员需要通过空中测试方法查看、表征和验证生成窄带波束的多天线阵列。远场路径损耗和电波暗室空间要求让实现精确和可重复的测量充满挑战，同时想要建设空间足够的实验室也决非易事。

3GPP 正在研究新的空中测试方法并为此制定规范，以帮助克服这些挑战。空中测试在很多方面还不完善，不过是德科技在 3GPP 规范制定和早期 OTA测试解决方案开发方面一直走在行业前列。客户 可以充分利用是德科技的专业技术，加快 5G设计进程，同时确保其产品具备高性能和更高品质。