5G基站架构与测试方案研究

张瑞艳+邵哲

【摘 要】5G网络作为一套完整的移动网络，需要比4G提供更高的容量，为了满足多场景的需求，需要多种站型匹配不同需求，同样，为了适应新的站型，也需要引入新的测量方案，因此首先对5G低频段和毫米波基站架构进行了分析论证，研究分析新的测试指标和测试方案，并从可行性、优缺点、难度等方面对测试方案进行对比。

【关键词】5G 基站架构 OTA

中图分类号：TN929 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2017）19-0076-08

Research on 5G Base Station Architecture and Test Scheme

ZHANG Ruiyan， SHAO Zhe

[Abstract] As the complete mobile networks， 5G networks are required to provide more capacity than 4G. In order to meet the needs of multiple scenarios， different site types are required to accommodate different requirements. Similarly， new measurement schemes are required to adapt to the new site types. Firstly， the low frequency and high frequency base station architectures were addressed. Then， several 5G base station test schemes were put forward. Finally， these schemes were comparatively analyzed from aspects of feasibility， advantages， disadvantages and difficulty.

[Key words]5G base station architecture OTA

1 引言

随着5G商用步伐的推进，针对5G基站架构的研究越来越重要，与站型匹配的测试指标、测试方案的研究也受到了产业界的广泛关注。5G的基站架构在通道数量、天线连接方式、拉远接口等方面和4G基站都有着很大的不同。架构的改变对传统的射频测试方案带来了很多挑战，传统的测试方案正在逐步向OTA测试方案转变，因此本文接下来将对5G基站架构与测试方案进行研究。

2 基站架构

5G和其他代移动通信不同，其业务类型更加多样化，主要有增强移动宽带场景（eMBB）、低时延高可靠场景（uRLLC）和低功耗大连接场景（mMTC）三大场景。覆盖范围也将更广泛，主要有宏覆盖场景、高楼覆盖场景、低空覆盖场景、室内覆盖场景和热点覆盖场景。5G的频段也不仅集中在低射频频段，会扩展到毫米波频段。

2.1 低频基站架构

目前，工业和信息化部已经公开征求对第五代移动通信系统使用3 300 MHz—3 600 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz频段的意见，其中3 400 MHz—3 600 MHz早已被认可为5G试验频谱。2017年6月5日，3 300 MHz—3 400 MHz和4 800 MHz—5 000 MHz被列入作为5G频谱计划，4 400 MHz—4 500 MHz也被考虑应用。目前的试验产品频段集中在3 400 MHz—3 600 MHz。

（1）宏基站架构

MU-MIMO技术是6 GHz以下频点提高频谱效率的最关键技术，5G宏站通过引入多发射通道多接收通道，在水平和垂直两个维度动态调整信号方向，形成信号能量更集中、方向更精准的波束，支持更多用户在同一RB资源上并行传输（上/下行MU-MIMO）。理论上，在信道条件需要的情况下，通道数越多，可以支持传输的流数越多。设备实现需要考虑设备的可生产性、成本等因素，通道数不能任意增加。在实际场景中，信道条件也是受限的，支持的最大流数也是有限的。所以设备的通道数和通道的排列方式需要综合考虑需求、性能、信道条件、可生产性，成本等因素。

5G宏站架构有以下三个关键的问题需要重点研究：

1）通道数与阵子数。通道数的变化对设备的成本影响较大，所以设备的通道数选择需要更多地考虑网络需求和成本。目前主要考虑64通道、32通道和16通道产品。64通道产品可以提供更大的容量和频谱效率，32通道和16通道会降低频谱效率、降低成本。根据网络的容量需求，选配不同类型的产品，以实现在满足需求的前提下降低设备成本。考虑到5G现有的试验频段在3 400 MHz—3 600 MHz，为了保证和4G网络同覆盖，设备的阵子数不能低于128阵子（8×8×2排列），目前有128和192（8×12×2）两种主流的阵子数。同样考虑到天面的迎风面积，天面的尺寸不宜過大。在通道数和阵子数进行组合选择时，需要综合考虑覆盖性能和覆盖范围。

2）CPRI接口eCPRI接口。随着通道数的增加，带宽增大，CPRI接口速率也会倍增，具体如表1所示。

当接口速率攀升到40 G以上时，若采用目前应用广泛的10 G光模块，光模块的数量过大，给结构设计和施工带来很大的不便，当光线资源受限时，更是无法接受。所以，BBU和RRU之间的光接口数量必须保持有限量。降低接口速率和提升光模块数量都是解决这一问题的办法。

eCPRI接口是多通道产品降低接口速率的有效方式。eCPRI接口通过部分物理层功能上移到RRU实现接口速率降低，同时也引入一些棘手的问题，如增加拉远单元重量、功耗和迎风面积，影响物理层部分的升级能力等。对于重量、功耗和迎风面积本已吃紧的拉远单元来说，进一步增加了拉远单元的压力，如果有新的散热技术出现，可以有效地缓解这些压力，eCPRI接口将是一种不错的解决方案。endprint

采用25 G光模块和100 G光模块代替10 G光模块是降低接口数量的另一种方式，这一方案直接有效地解决了这一问题，并未引起产品接口划分变化和其他的问题。这种方式的问题在于光模块本身，光模块的成熟度和价格影响了此方案的认可度。随着开发进程的推进以及技术的进步和产业的应用，高速光模块成熟并价格大幅下滑后，这一方式应该会被更多的设备商接受。

3）CU/DU的分离。5G标准化无线侧引入CU（Centre Unit）/DU（Distributed Unit）分离架构，将基站的高层协议处理（PDCP/RRC）分离出来成为独立的逻辑单元集中处理，底层处理（MAC/PHY）仍保留在站点分布式处理。引入该架构有利于实现多连接、高低频协作功能，简化切换流程，同时便于未来网络平台开放，但实际部署也面临网元接口增加导致的运维复杂化、CU集中单元的部署位置与业务时延要求的折中等挑战。目前标准化正在进一步研究中，后续可根据网络实际需求选择不同的部署策略。

（2）室内基站架构

对于室内站，无法像宏站那样采用大量通道数，通道数应该不大于4通道。有可能采用以下三种架构，三种架构的选择需要考虑部署的难易度和成本差异。室内站架构如图1所示：

2.2 高频基站架构

目前工业和信息化部已经公开征集在毫米波频段规划第五代国际移动通信系统使用频率的意见，其中频点有24.75 GHz—27.5 GHz和37 GHz—42.5 GHz。毫米波设备目前多数厂家处于原型样机阶段，频点的选择也集中在这两个频段，目前主流的架构有两种：Hybird架构和透镜架构。

（1）Hybird基站架构

Hybird架构的本质是在数字域和模拟域共同完成赋形。如图2所示，整个基站可以由4 panel构成，可以单panel独立工作，也可以4 panel联合工作。每panel对应少量的数字通道2、4、8和大量的模拟通道。数字通道数量有限，模拟通道远大于模拟通道数量，模拟赋形针对全频带进行，无法区分不同的RB、广播与业务、同一RB的不同流。当panel独立工作时，赋形功能主要由模拟部分部分完成。当多panel联合赋形，赋形功能由数字和模拟域共同完成，可支持多波束，赋形能力由数字通道数和panel的数量和排列方式决定。

对于Hybird架构，主要不足有以下三点：

1）通道周期校准难以实现：因为模拟通道数量很可能过百，且分属于不同的panel，难以设计一套和低频一样的内校准网络。在无法周期校准的情况下，对器件的长期稳定性提出了很高的要求，如果器件的长期稳定性无法保证，会导致赋形不精确、信号质量下降。

2）赋形精度有限：射频通道数和阵子数之间的设计问题：实现相同的EIRP，射频通道数和天线阵子数的选择需要慎重。方案一，采用高功率化合物功率放大器，可以采用相對少的天线阵子，功放压力大，3 dB波束宽度有10°左右，比较宽，对赋形精确度的容忍度比较高，但是功率放大器的长期一致性比较差。方案二，使用芯片级功放，最大输出功率有限，器件的功率放大器的长期一致性比较好，但需要更多的阵子数，实现更高的天线增益，3 dB波束宽度只有3°左右，对赋形精确度的要求很高。

3）LO的设计复杂，因为模拟通道数量过多，给本振的设计和分发带来很多困扰，采用多个本振源，会对多panel的联合赋形效果带来影响。采用单本振源，本振的分发网络会很庞大，易于引入干扰。

（2）透镜基站架构

透镜架构的本质是利用透镜的汇聚作用获得天线增益，利用馈源的位置不同，实现波束的指向不同。透镜架构的模拟通道数可以和数字通道数相同，通过1分多的开关选通馈源。透镜架构赋形无需链路校准，只需要正确估计用户的位置，对应地打开馈源即可，这一特征对器件的长稳特征无特殊要求。透镜架构模拟通道数少，通道间可以共本振源。透镜架构示意图如图3所示。

透镜架构可以解决很多Hybird架构难以解决的问题，但是此架构也有自身的不足：

1）模拟通道数少，功率放大器后面需要加入馈源开关，为了获得相同的EIRP，对功放的输出功率要求高于Hybird架构。

2）目前透镜的加工工艺并不是很成熟，体积大、价格贵。

3）透镜架构即使在信道环境允许的条件下，也难以实现单用户多流，可实现单用户两流。

2.3 小结

目前3.5 G产品的架构比较明朗，实现难度小，更多的是具体架构基于应用场景性价比的选择；高频段设备在产品架构实现上还有很多难题需要解决，需要不断地深入研究和技术突破。

3 5G基站测试方案

3.1 OTA指标的研究

随着收发通道数量的需求增多，低频段基站、一体化基站形态会逐渐成为主流。高频段基站、RRU和天线会呈现高度集成的形态，射频指标将不再局限于传统的传导指标，OTA（Over The Air，空中下载）指标成为5G基站性能指标的演进方向。OTA指标不同于传导指标，所有的传导指标都是基于设备的单一射频通道定义的，OTA指标是基于设备的整体指标定义的。

（1）EIRP

基站产生的辐射发射功率采用EIRP（有效全向辐射功率）作为OTA辐射指标，用于考察设备的波束最大能量辐射能力。EIRP可由设备厂家进行宣称，在宣称EIRP的支持值的同时也需要宣称波束的位置和波束带宽。

为了对基站每个波束进行EIRP一致性测试，设备厂家需要宣称参考波束峰值方向和4个最大控制方向的5个EIRP值。如图4所示，参考波束峰值方向和4个最大波束峰值方向共有5个测试点，可用于EIRP的一致性测试。

测试方式有以下两种方式：

方式一：直接在厂家宣称的方向上进行测试，机械安装上的误差和波束赋形的误差都会带来测试误差（如图4所示，黑色点代表宣称位置，彩色点代表实际位置）。endprint

方式二：在厂家宣称的方向及其一定角度内进行多点测试，找到最大值，认定为EIRP，这种做法可以消除机械安装带来的误差，同时也消除了赋形方向不准带来的误差，而赋形方向的准确性本身是设备应该具备的能力，不应该被消除。

（2）ACLR

OTA ACLR指标和传导ALCR指标定义相同，都是定义主信道输出功率和邻道无用信号的比，相对于主信道的输出功率，邻道的总辐射功率对于相邻系统的吞吐量有更大的影响。对于OTA ACLR指标需要考虑空间的总辐射功率情况，其定义方式如下：

其中，EIRPe是邻道信号的EIRP；p1和p2代表两个不同的极化。

OTA ALCR的指标测试需要兼顾测试栅格和测试时间综合考虑，目前对于5G NR OTA ALCR的测试方法3GPP正在讨论中，对于MIMO产品，波束赋形后绝大部分能量都会集中在某一方向上，如果能够获得集中绝大部分能量的方向角度，且邻道的能量在相同的方向角度范围内也集中了绝大部分能量，便可以将ACLR的考察范围确定在一定的方向角度范围内，这也是减少测试时间的一种方案。

（3）EVM

OTA EVM的指标是由厂家宣称EVM方向范围，基站需要在OTA EVM的宣称范围内满足EVM的性能指标。对于OTA EVM的一致性测试，需要保证在最大控制方向和EVM范围中心都满足EVM的性能测试。OTA EVM的一致性测试范围如图5所示。

尽管3GPP定义的EVM的测试点和EIRP基本一致，是某一方向的点指标，对于EVM来说，本文认为有必要关注EVM范围中心和宣称最大控制方向的波束3B带宽内的指标，以保证用户不在波束发现方向时，仍能获得符合指标的信号质量。

（4）EIS

OTA的灵敏度指标采用有效全向灵敏度（EIS）进行定义，用于考察设备的极限接收能力。EIS是基于宣称的一个或多个宣称OTA灵敏度方向（OSDD）范围，如果基站没有OSDD目标重定向功能，其OSDD的宣称范围可如图6所示：

如果系统具有目标重定向功能，可宣称更多范围的OSDD灵敏度范围。如图7所示，有五个方向的到达角范围。

所以，EIS指标和EIRP指标相比，EIS是宣称方向的宣称范围内的指标，而EIRP仅是宣称方向的指标。EIS的测量是非常耗时的，在每个测试点都需要通过迭代测量获得EIS的值。

（5）OTA参考灵敏度

目前的OTA参考灵敏度指标正在3GPP的eAAS中进行讨论，用于考察设备的抗阻塞接收能力，其定义的OTA灵敏度是基于和非AAS设备同样的到达角范围，OTA参考灵敏度（EISmin）的推动公式目前有如下结论：

其中，LRX是设备内部连接带来的损耗；D0是和AAS站型具备相同覆盖能力的非AAS基站的天线增益；Doff-peak是指标余量。

按照以上定义推导，EISmin基本等效于1个发射通道的OTA指标，这一点和NR OTA指标定义设备整体的射频指标不一致，目前此内容尚在讨论阶段，修改D0的定义，重新定义为D0是和AAS站型具备相同覆盖能力的非AAS基站的天线的增益与多通道联合接收增益的和，以实现EISmin代表整个系统的性能。

（6）天线方向性

目前的天线方向性并未写入3GPP，原因主要是3GPP从未定义过天线指标，天线指标和网络建设直接相关，难以定义。但是对于一套完成的AAU设备而言，不定义天线的方向性指标，设备的辐射能力、组网能力的指标将无从考察。因此，会继续研究天线的方向性指标的制定，并推动标准化组织采纳。

（7）小结

如上所述，5G基站的OTA指标更多是基于EIRP、TRP或EIS进行定义，再延续传导指标定义方式的同时，引入方向性维度，将原有的单通道指标转变成设备整体指标。OTA指标目前尚未完成全部测试例的讨论，指标也会变化和增加。

3.2 测试方法的选择

在传导指标向OTA指标演進的过程中，对于6 GHz以下，传导指标和OTA的指标将同时存在。实际上无需用两种测量方式同时考察设备的性能，需根据设备指标特点以及操作的便利性进行选择。本文主要针对表2中的8个指标进行选择分析。

天线指标作为设备的必测指标，必须采用OTA测试，对于部分OTA指标，可以随着天线方向性指标一起获得，如ACLR、EIRP，同时也可以进行EVM测试，但是EVM测试会影响测试效率。杂散指标需要进行传导测试。对于上行，EIS sensitivity比灵敏度更能体现设备的接收性能，优先选择OTA测试。对于ACS和阻塞指标，目前OTA测试环境不具备，需要选择传导测试方案。

（1）OTA测试方法分析

目前主要存在三种OTA测试方案：近场测试方案、远场测试方案和远近场结合测试方案。

1）近场测试方案分析

近场测试方案是目前比较流行的无源天线测试方案。为了匹配有源设备测试，近场测试方案做了很多的研究、改造和试验工作。近场测试方案分为多探头测试方案和单探头测试方案，无论是哪种测试方案，都面临着无法测试所有OTA测试例的问题。主要问题是近场测试方案需要进行远近场变换的过程，变换是基于幅度和相位进行的，而非有用信号和有用信号拥有不同的幅度和相位，变换后无法精确地保留确切的信息。即使通过技术可以解决这一问题，对于非全向的指标，如EIRP、EVM、EIS等定点或部分范围指标，基于变换需要，仍需要采集全向的数据信息，这一点将大大降低测量效率。

近场EIS的测试项需要测试系统和待测设备间进行数据通信，此通信接口的开放和标准化工作，也是近场测试方案研究和验证的一大障碍。

2）远场测试方案分析

远场测试方案是最直截了当的方案，测试系统和待测设备间除了状态类通信外，不需要数据类通信。相比近场，远场对于场地尺寸要求比较大。目前有很多远场已建，所以场地的尺寸并不影响远场方法的应用。远场与近场不同，结果数据是直接获得的，不需要进行变换，可以灵活地根据不同测试项的角度需求，定制设置角度，节省时间。比如天线方向性指标，需要测试全向指标，对于EIRP、EVM、EIS等定点指标，仅测试部分点的指标即可，不需要进行全向测试，可以大大地节省测试时间。endprint

远场还需要进一步提高全方向测试项的测试效率，加强转台的灵活度，采用多维度可旋转、平移转台，提高测试的转速，合理优化转台的旋转方式等方式都可以提高效率。如图8所示。

3）近远场组合测试方案分析

近远场组合测试方案是指同一场地支持远场和近场两种测试系统，部分测试项在远场测试，部分测试项在近场测试，两种测试系统共享同一安装转台，无需二次拆卸、安装和调制设备。这一方案既拥有近场在部分全方向测试项高效的优点，又拥有部分测试项在远场测试直截了当的特点，在兼具了两个场地优点的同时，又避免了设备在两个场地之间拆卸、安装和调试的麻烦。这一方案的不足是对于场地的要求比远场还要稍大一些，两种方案在一个场地之间的屏蔽需要谨慎的处理，转台需要特别的设计以适用两个场地，甚至需要增加导轨，成本比较高。

（2）小结

对于上面介绍三种方案和已经實施的远场+近场的测试方案，从可行性、优缺点、难度等方面进行比较分析，如表3所示。

对于毫米波，随着设备的口径变小，即使是远场，对于远场的尺寸要求也变小了很多，远场方案的优势会更加明显。

4 结论

本文在分析5G低频基站架构及高频基站架构的基础上，提出了几种5G基站测试方案，并从可行性、优缺点、难度等方面对几种方案进行比较分析。和4G基站相比，5G的基站架构、测试指标和测试方法都有巨大的变化，很多问题已经明确化，如室外宏站采用多通道站架构、测试向OTA方向演进等。但仍有一些问题需要继续研究、推动，需要进行大量的分析、验证工作，并且需要运营商、设备商、暗室厂商、测量方案解决商和仪表商的共同努力。

参考文献：

[1] 吕婷，曹亘，李轶群，等. 基站架构及面向5G的演进研究[J]. 邮电设计技术， 2017（8）： 46-50.

[2] 周宏成. 基于分布式基站的5G无线网络规划方案[J]. 电子科学技术， 2017，4（4）： 125-128.

[3] 詹建. 5G通信测试技术挑战[J]. 国外电子测量技术， 2017，36（5）： 103-106.

[4] 屠方泽. 5G面临的测试挑战及解决方案[J]. 电子产品世界， 2017，24（5）： 18-19.

[5] 王巍，刘愔. 5G高频关键技术及测试性能分析[J]. 电信网技术， 2016（11）： 10-14.

[6] 张建敏，谢伟良，杨峰义. 5G超密集组网网络架构及实现[J]. 电信科学， 2016，32（6）： 36-43.

[7] 李峰. 5G毫米波和超宽带信号的验证和测试[J]. 电信网技术， 2015（5）： 80-86.

[8] 张洋，孙长印，刘毓，等. 5G超密异构网络中联合虚拟波束形成的小区选择算法[J]. 传感器与微系统， 2016（1）： 139-141.

[9] 章耀文，陈少昌. 基于压缩感知的虚拟暗室测试方法[J]. 传感器与微系统， 2016（4）： 59-62.

[10] 李广达，孙晨华，刘刚. 卫星网络与地面网络融合的5G网络架构[J]. 无线电工程， 2016，46（3）： 5-8.endprint