5G无线通信终端空中接口性能测试分析

李登国

（玉树州无线电监测站，青海 玉树 815000）

0 引 言

通信系统包含有线通信和无线通信两大类。有线通信的载体是有形的线缆，而无线通信的载体是无形的电磁波。有线通信和无线通信有着各自的协议规范，定义了移动终端和基站之间的通信规则。信息化时代移，动通信技术已发展到第五代，也就是人们常说的5G。5G将采用全新的组网架构模式，如图1所示，提供了两种架构图[1]。在全新的架构下，移动终端和基站之间的通信协议需要重新制定。因此，5G无线通信终端空中接口性能的测试也是开发者和企业一直研究探讨的话题。

图1 5G组网架构图

1 空中接口的定义与架构

空中接口（Over-The-Air，OTA）是一个定义化概念，是相对于有线通信中的线路接口来说的，没有实体。在有线通信系统中，线路接口对物理尺寸、电信号以及光信号的规范进行定义。在无线通信系统中，空中接口则对终端设备和基站之间的电磁波连接技术规范进行定义。空中接口存在的意义是使无线通信和有线通信一样标准且可靠。

空中接口是移动通信的关键模块，指的是用户终端接入无线网络的接口。空中接口是基站和移动电话之间的无线传输规范，定义每个无线信道的使用频率、带宽、接入时机、编码方法以及越区切换。在GSM/UMTS中，各种形式的UTRA标准便是空中接口，也就是一种接入模式Access Modes。空中接口的架构是维持通信系统稳定运行的核心，主要包含天线配置、信号调制以及数据传输等技术。空中接口的分层主要包括物理层、数据链路层和网络层，且更多倾向于物理层。物理层是无线通信系统的基础，也是其中最重要的一层，而控制接口的标准也主要集中在物理层。数据链路层则同时处于用户平面和控制平面，在用户平面负责数据传输和加密，在控制平面负责无线承载信令的传输、加密和完整性保护。网络层则主要是控制无线传输资源，负责整个移动通信系统的空中接口资源的规划和调度，以确保系统的覆盖、容量和QoS。

2 空中接口测试标准的发展

国外的空中接口测试标准主要由标准组织来完成指定，如第三代合作伙伴计划（3GPP）和美国无线通信和互联网协会（CTIA）[2]。美国无线通信和互联网协会是最早制定关于空中接口测试标准的组织之一，制定的《Test Plan for Mobile Station Over the Air Performance》和《Test Plan for 2×2 Downlink MIMO and Transmit Diversity Over the Air Performance》都是强制性的空中接口测试标准。前者主要针对单输入单输出（SISO）系统，后者则主要针对多输入多输出（MIMO）系统。

国内的空中接口测试标准是由中国通信标准化协会Over-The-Air（OTA） Test for the Fifth Generation Wireless Communication（CCSA）负责完成制定的。CCSA制定相应的无线测试标准对无线资源的使用和无线设备的性能指标进行调控，保障电磁环境和通信的安全性。国内的空中接口测试的标准还有多个研究院和企业单位参与完成，主要包括工业和信息化部电信研究院、华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司、中国移动通信集团公司以及深圳市通用测试系统有限公司（GTS）等。

3 5G无线通信终端空中接口性能测试方式

3.1 SISO测试

SISO是Single Input Single Output的缩写，即单输入单输出，是传统的单天线系统。这个系统的显著特点是发射天线和接收天线均为一根，模式如图2所示。

图2 SISO模式示意图

OTA是Over The Air的缩写，中文名称为空中下载技术。OTA是一种通过移动通信的空中接口实现对终端设备进行远程管理的技术。目前的SISO测试指的是SISO OTA，包含总辐射功率测试和总接收灵敏度测试两部分。无线行业的认证标准要求所有的入网无线设备必须通过总辐射功率测试和总接收灵敏度测试。然而，这两种测试的环境要求很高，导致实际工作中设备测试与认证的周期很长，加大了企业的人力成本和设备成本。标准测试方式和备用测试方式均可以得出结果，而备用测试方式更快速高效，却无法保证测试结果的准确性。因此，研发人员创造出了一些新型测试方式来同时满足快速性和准确性的要求，如快速OTA测试方法、收发同频的测试方法等，均可有效缩短测试时间并保证精度。这些方法已经开始在移动通信行业使用，未来也会在5G领域普及。

3.2 MIMO测试

MIMO是Multiple Input Multiple Output的缩写，即多输入多输出。这个系统采用多重天线进行同步传送数据，并使用多重天线进行数据接收，模式如图3所示。

图3 MIMO模式示意图

在数据传输过程中，为了避免不同信号间的干扰，它们的传播路径各不相同，导致到达接收天线的时间存在差异，需要利用DSP重新计算接收数据来得到正确的数据流。MIMO技术在4G中已经得到了广泛应用，也将在5G中被应用于无线终端和基站。MIMO测试是对无线终端的射频特性进行测量，在特定条件检测并判断设备的通信速率。特定条件指的是不同环境下的通信数据模型。这些数据模型包含了很多无线设备使用情况的模拟，因此可以真实反映无线设备MIMO的使用情况。在标准MIMO测试文件中明确指出将吞吐量作为判断的关键。受国际认可的测试方法主要有混响暗室法、多探头法和辐射两步法[3]。混响暗室法是使用不具备吸波材料的屏蔽箱测试设备，系统简单，成本低，但是受限大，无法测量很多特定场景。多探头法则是利用多种环绕式天线和信道模拟器测试设备，方法简单有效，但成本高，工作难度大。辐射两步法是把被测设备的天线方向图和传播信道模型融合，用模拟器将融合信号进行计算并传输到接收机。这种方法测试结果与多探头法接近，且成本较低。对比上述3种方法，辐射两步法的应用性价比最高，且能分开测试天线性能和接收机辐射灵敏度。

3.3 容量测试

无线通信系统构成复杂，包含很多组成部分，且数据吞吐量庞大，需要对其进行容量测试。容量测试是整个空中接口性能测试最重要的部分，因为它直接决定了通信设备可实际应用的场景。需求确认后，开始对设备进行相关的性能测试和容量测试。测试的目的是保障网络的最大效率，获取最大的比特传输量信息。随着区域内用户数量和传输数据容量的不断增加，需要不停优化通信系统的稳定性和功能，还需要使用专业设备实时监测并合理调节容量。

4 5G空中接口测试面临的挑战

5G相比较于4G，有着更高的频率和更高的带宽。因此，它的发射及接收天线数量成倍增加，波束赋形工作模式更加复杂。5G无线通信中，空中接口测试面临的挑战主要有以下几个方面[4]。

（1）更大的微波暗室。为了满足5G无线产品的远场测试，微波暗室的大小要达到几十米甚至上百米。这样的测试环境造价高，且实现困难。

（2）更大的路径损耗。5G的高频特性势必会带来更大的路径损耗。在5G的工作频率下，几十米的测试距离引起的路径损耗会给空中接口的测试带来极大挑战。

（3）更复杂的测试系统。因为5G基站的天线阵列是由成百上千个单元天线组成的，空中接口测试要对每一个天线都进行精确的3D方向测试，所以测试系统的复杂度会呈几何倍增加。

（4）更长的测试时间。5G应用中，天线大多是波束赋形工况，而其具体的工作模式不可枚举。要想完整评估所有条件下的工作情况，需要耗费的测试时间会非常长。

5 结 论

5G已经获得了商业许可，各大通信运营商积极建设5G通信系统，5G相关的接口协议与测试规范也在同步确立并投入使用。无线通信作为5G中的重要部分，必将在未来各大领域大放异彩，而终端空中接口性能测试则是其开拓前路的可靠保证。