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克服5G NR一致性测试的挑战

文章作者:Jessy Cavazos

类别:5克
2021-06-24
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有助于解释3GPP规范和简化测试设置的解决方案有助于克服一致性测试的挑战。

5G新无线电(NR)正在世界各地部署，为无线通信提供更快的数据速率和前所未有的可靠性。新的一致性测试已经出现，以确保基站能够兑现这些承诺。

一致性测试是基站生命周期的重要组成部分，它需要很好地理解第三代合作伙伴项目(3GPP)规范。与对网络基础设施的投资移动网络运营商(MNO)需要确保他们选择在其网络中实施的基站满足5G标准，每年需要400亿美元。

技术的发展进一步增加了基站一致性测试的重要性。5G打开了潘多拉的盒子，因为5G毫米波单元没有天线连接器。无线(OTA)测试给网络设备制造商(NEM)和MNOs的研发(R&D)、集成和验证工程师带来了许多挑战，这些工程师处理小单元、宏单元和开放无线电接入网络(O-RAN)组件。

5G引入了新的基站

随着5G NR的出现，新的基站类型已经出现，根据频率范围和设备天线配置定义。四种类型分别表示为:1-C、1-O、1-H和2-O。数字表示频率范围。频率范围1 (FR1)包括450 MHz到7.125 GHz，频率范围2 (FR2)是指24.25 GHz到52.6 GHz的mmWave频段。

“C”是指带有天线连接器的基站。类型1-C基站使用执行的方法进行测试，就像传统的3G和4G蜂窝基站。“O”是指没有天线连接器的基站。所有这些装置的测试都必须在辐射类型的空气中进行。“H”指的是一种混合方法，在系统模块之间有一些可访问的天线连接器，在基站组件中有一个集成天线。5G基站需要为空间复用和波束形成等应用支持越来越多的信道。整合的程度也在增加，甚至在FR1。市场正在转向更多类型的1-O基站。

图11-H、1-O、2-O型是5G NR引入的新型基站。

3GPP提供必要的符合性测试文件

基站一致性测试从3GPP规范开始。3GPP技术规范(TS) 38.104和38.141是5G基站一致性测试的必要文件。3 gpp TS 38.104提供传导和辐射基站的最低要求。该规范包括发射机和接收机特性，以及接收机性能。

3 gpp TS 38.141包括38.141 - 1用于指挥基站和38.141 - 2对辐射单元。这些文件定义了测试要求，提供了一个宽松的测试公差规范，并包括了确保符合TS 38.104中概述的要求的测试方法。此外，这些文档引用了其他3GPP文档，这些文档提供了与一致性测试相关的附加上下文和背景。每个文档可能有数百页长，理解所有细节是必要的，以确保适当遵守3GPP规范。

基站一致性测试被组织成章节。第6章介绍了发射机的特性，包括发射机的典型参数，如输出功率、信号质量和带外(OOB)发射。第7章涉及接收机方面，如灵敏度、动态范围、选择性和其他参数中的阻塞特性。

第8章主要讨论接收机性能，包括对从用户设备到基站的上行信道的测试——物理上行共享信道(PUSCH)、物理上行控制信道(PUCCH)和物理随机访问信道(PRACH)。

此外，任何参与5G基站一致性测试的人也应该审查第4章。本章涵盖了制造商的声明，这些声明定义了基站类型、类别和基本射频属性，如频率范围、带宽和输出功率，并提供了辐射基站的波束配置，包括波束宽度、方向和编号。每个测试用例都有来自制造商声明的独特信号配置。

不同的配置处理不同的测试用例

第6、7和8章试验适用于所有基站，不论其类型如何，但已发射装置和辐射装置之间的试验方法是不同的。

您可以通过一个简单的测试设置来执行大多数发射机测试，该测试设置由一个基站连接到一个频谱分析仪(图2）.分别测试基站上的每个端口的所有特性，包括误差矢量大小(EVM)、相邻信道功率比(ACPR)或杂散发射。

图2大多数发射机测试用例使用由基站和频谱分析仪组成的简单测试设置。

但是，某些发射机测试用例需要不同的配置。例如，时间校准是空间多路复用和载波聚合场景的重要测试用例，它需要同时测量所有天线端口。通过将所有信号合并到一条电缆中，您可以使用单个频谱分析仪执行此测试。可以将此技术用于时间校准测量，因为解调参考信号在时间和频率上是正交的，允许进行精确的时间测量。然而，在空间复用的情况下，数据不是正交的，并恢复数据有效载荷是不可能的与此技术。发射机互调测试还涉及使用源将干扰信号注入发射机的不同配置。

测试基站的接收机需要一个信号发生器提供一个计量级参考信号。一些测试需要不同频率和振幅配置的多个信号。这是互调和阻塞测试的情况，其目标是确定接收机是否能够正确解调一个非常低的功率“想要的”信号，在存在与想要的信号有特定频率关系的高得多的功率阻塞信号(图3）.通常，这需要两个信号发生器，因为想要和干扰信号之间的大动态范围，并在射频组合这些信号。基站的每个端口都与其他端口分开进行测试。

图3接收机互调测试在测试设置中使用多个源来产生干扰信号。

接收器的杂散排放测试需要不同的设置。它将频谱分析仪连接到基站的接收端口，以测量接收端口的排放，并确保它们低于3gpp规定的水平。

当涉及到接收机性能测试时，测试设置可能比发射机和接收机特性复杂得多。最复杂的配置是针对PUSCH测试用例。该方案对所有的基站端口同时进行刺激，以保证基站能够以极低的信噪比(SNR)恢复高度褪色的信号，并通过添加加性高斯白噪声(AWGN)来模拟。

这个测试也很困难，因为基站需要解调传输数据的每个块，并向测试设备提供混合自动重复请求(HARQ)反馈，但对此没有标准的接口。此外，设置需要一个参考和帧触发器，以确保测试设备和基站之间的对准。其中一些测试还需要2层空间多路复用多输入/多输出(MIMO)信号。

辐射测试带来了更多挑战

辐射测试将基站的一致性测试提升到一个全新的水平，将基站置于一个室内，用天线代替电缆。接收信号的探针天线必须离基站足够远，以便在辐射波变成平面波的远场进行测量。由于各种原因，执行得太近的测量可能导致不准确。因此，根据天线的大小和频率，测试室可以变得相当大。

例如，频率为28 GHz的天线尺寸为15厘米，则在远场中，基站和要考虑的探针天线之间至少需要4.2 m (图4）.路径损耗是毫米波频率的另一个问题。比FR1高得多。损耗发生在基站和探针天线之间的距离，并且从探针天线到频谱分析仪还有额外的电缆损耗需要应对。

图4在28ghz的15cm天线需要在基站和探针天线之间4.2 m。该设置产生了79 dB的总信号损失，包括73 dB的OTA损失和6 dB的电缆损失。

辐射测试的某些方面，如输出功率和ACPR也带来了新的扭曲基站一致性测试。总辐射功率(TRP)包括从所有可能的方向进行测量。安装在一个定位器上，基站通过所有方位和高度旋转，创造了数以千计的测量需要。3GPP提供了一系列测量网格，用于执行TRP测量的可能方法。有些方法更适合于特定的测量，但是3GPP并不要求对任何测量使用特定的网格模式。最终，要由供应商来确保符合3GPP规范。

OOB杂散发射测试尤其难以在空气中进行，因为在FR2设备中，测试设置需要覆盖30 MHz到60 GHz或2次谐波的广泛频率范围，以较低的为例。频谱分析仪可以很容易地覆盖这个频率范围，但你不会找到一个探针天线覆盖整个范围的合适的天线模式和增益，这就需要使用多个带状探针天线，因此也需要某种类型的开关矩阵。切换矩阵增加了天线和分析仪之间的损耗，需要使用低噪声放大器(LNA)。OOB杂散发射测试也需要滤波器来捕获低水平的杂散信号。使用所有这些组件增加了测试设置的复杂性，也增加了校准的需要。

这些问题虽然具有挑战性，但并非不可克服。解决方案是存在的，但由于5G基站类型繁多，没有一刀切的解决方案。图5提供了最复杂的OTA基站一致性测试解决方案的示意图。该解决方案涵盖了第6、7和8章中的所有3GPP测试用例，并使用制造商的声明来定义每个测试的配置。它具有与信号发生器和信号分析仪通信的接口，以及与被测基站通信的应用程序编程接口(API)。

图5OTA测试用例的一致性测试体系结构要比执行测试复杂得多。