5G-NR多输入多输出单缆覆盖系统射频测试简析

闫旭鹏，张亚宁，刘 梅

（中国信息通信研究院泰尔系统实验室，北京 100045）

0 引言

2019年6月6日，工业和信息化部颁发5G牌照，中国移动、中国联通、中国电信、中国广电四家运营商获得5G牌照。2020年3月4日，中共中央政治局常务委员会会议上，强调要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。截至今年2月底，三大运营商基站建设80%的5G网络已经按计划实施，中国移动、中国联通、中国电信相继表示，2020年实现5G网络覆盖全国地级市以上城市，预示着运营商5G进入商用元年随后大规模建设时期即将到来。在5G网络规划中，农村覆盖和室内覆盖将是两个关键点，运营商在继续延伸5G网络能力覆盖的同时，开始关注深度的覆盖。由于5G运行在较高频段，信号穿透能力不好，楼内信号很差的情况普遍存在，成为运营商深度覆盖的一个瓶颈。由于现阶段无源室分频段普遍为800 MHz-2700 MHz并不包含现阶段5G频段，并且如何利旧现有室分资源是摆在运营商面前的一个难题。因此，深度覆盖、利旧现有网络将是运营商5G网络部署的痛点。

1 标准依据

截至2020年3月，中国通信标准化协会已经制定完成了数字蜂窝移动通信网多输入多输出（MIMO）单缆覆盖系统行业标准的制定，并已经报备工业和信息化部。2020年1月，工业和信息化部科技司进行了行业标准发布。

⊙YD/T 3706-2020数字蜂窝移动通信网多输入多输出（MIMO）单缆覆盖系统技术要求和测试方法。

⊙YD/T 3720-2020数字蜂窝移动通信网多输入多输出（MIMO）单缆覆盖系统网管接口技术要求。

⊙YD/T 3721-2020数字蜂窝移动通信网多输入多输出（MIMO）单缆覆盖系统网管接口测试方法。

⊙3GPP TS 38.141-1：" NR； Base Station （BS）conformance testing Part1：Conducted conformance testing（Release 15） "。

日前，5G-NR多输入多输出单缆覆盖系统技术要求和测试方法、5G-NR多输入多输出单缆覆盖系统网管接口技术要求和测试方法，准备在中国通信标准化协会TC5 WG11组立项，讨论稿已经在起草中。

2 5G-NR多输入多输出单缆覆盖系统工作原理

5G-NR多输入多输出单缆覆盖系统采用变频技术，利用一根馈线实现双流及以上MIMO的5G信号传输的一线式室内覆盖系统。系统分为有源合路器、远程馈电单元和有源天线三部分组成：有源合路器对两路5G信号分别进行下变频（有源支路）和基站信源其他信号2/3/4G接入（无源支路）的合路；远程馈电单元通过取电器、馈电器和同轴电缆给远端的有源天线进行供电并进行射频信号传输，在室内分布过程中要用到可通过直流电流给室内分布系统提供馈电通道的合路器、耦合器等器件；有源天线完成对有源支路信号的上变频和无源支路的信号发射。5G-NR多输入多输出单缆覆盖系统工作原理图如图1所示。

图1 5G-NR多输入多输出单缆覆盖系统

有源合路器、远程馈电单元、有源天线组成5G-NR多输入多输出单缆覆盖系统，可实现星形连接、链型连接等多种组合状态，实现一路MIMO下变频信号混合直流、本振信号、网管信号与RRU信号合路通过RF电缆传至远端有源天线，远端天线把信号分离发射。

（1）直流信号：提供远端有源天线供电输入。

（2）网管信号：对有源合路器、远程馈电单元、有源天线各个节点实时监控，确保网络正常运行。

（3）功率补偿：在有源合路器端通过传感器检测功率大小后增加功率补偿机制，使变频路和未变频路信号发射功率均衡。

（4）功率自适应：在有源发射天线端自动平衡发射功率，使双通路功率均衡发射。

3 射频测试简析

3.1 频段划分

工业和信息化部公布的运营商5G试验频段分配情况如表1所示：

表1 运营商5G频段分配表

现阶段移动、联通、电信3家运营商使用的无源室分器件包含：POI、合路器、功分器、耦合器、电桥、负载等使用频段为：800 MHz-2700 MHz，均不包含表1所述的频段。

3.2 射频测试

3.2.1 有源支路测试

有源支路测试项目具体详见表2：

表2 有源支路测试项目表

3.2.1.1 测试连接图

测试连接图如图2所示：

图2 测试连接图

3.2.1.2 输出功率、增益及增益调节范围、带内波动、MIMIO功率控制

（1）定义。输出功率是指5G-NR多输入多输出单缆覆盖系统有源变频支路能够输出的最大功率；增益是指该系统在线性工作范围内对设备信号的放大能力；调节范围是指该系统对设备信号放大能力的调节能力；带内波动是对系统设计滤波器带宽及有用带内信号放大后平坦度的考量。

（2）物理意义。输出功率、增益及增益调节范围、带内波动测试是确保5G-NR多输入多输出单缆覆盖系统在设备不失真的情况下的设备功放性能的放大能力、平坦度等指标的考量，确保系统要符合覆盖范围、负荷能力等设计的需求。

（3）测试分析。由于该系统存在功率自适应及功率平衡等特性，在测试输出功率、增益及增益调节范围测试要确保无源支路的链路差损是在恒定的状态下进行测试，由于测试过程中要进行功率平衡测试，需在测试系统无源支路中串行接入可调衰减器，调节可调衰减器验证是否达到功率自适应平衡。

5G-NR多输入多输出单缆覆盖系统采用了移频技术实现单缆覆盖，在单独测试有源支时输入频段和输出频段不一致，需要去确认输出信号移频后频段的带内平坦度。

3.2.1.3 时延、EVM、频率误差、噪声系数

（1）定义。时延是指基站RRU输出信号经过最简单系统处理后输出信号的时间差；矢量幅度误差（EVM）是指发射信号与理论信号的矢量误差，是平均误差矢量信号功率与平均参考信号功率之比的均方根值；频率误差是指实际输出频率与理论输出频率的偏差；噪声系数是指系统正常工作输入信噪比和输出信噪比的比值。

（2）物理意义。时延、EVM、频率误差、噪声系数衡量5G-NR多输入多输出单缆覆盖系统设备经过放大后信号的质量因素，是发射机测试的关键指标，时延衡量设备端到端时间处理能力，5G尤其时延要求更加严格，高可靠、低时延是对该系统的严峻考验；频率误差是对工作带内发射的要求，不能进行带内互干扰；噪声系数是衡量经过设备后发射信噪比不能对接收信号产生干扰造成上行接收信号的失真，影响基站基带单元对信号的处理能力。

（3）测试分析。高可靠、低时延、低功率大连接是5G通信的特征，所以对射频质量就会提出更高的要求，EVM、时延、频率误差、噪声都是对射频质量各个维度的测量，测量该系统需要有对应的5G仪表选件，频谱仪、信号源要接入10 MHz参考同步，触发Trigger时钟同步，在仪表选件界面找到相应测试项目（见图3）。噪声系数需对设备工作频段的低边带、中心频率、高边带选取三个点进行测试，保证整个工作带内都能满足要求。

图3 矢量幅度误差、频率误差测试图

3.2.1.4 带外发射及杂散辐射

（1）定义。带外发射是指由于设备的非线性导致的信道带外的不期望的发射，主要为邻道抑制比（ACLR）和频谱发射模板（SEM）。杂散发射是指工作带外的信号发射，包括谐波发射、寄生发射、互调产物发射及变频造成的产物发射。

（2）物理意义。在数字通信系统中工作信道信号泄露到邻道功率会对该信道信号传输产生干扰，ACLR指标用来保证不会对相邻信道产生影响，保证相邻信道信号接收。区别于邻道抑制比是对系统自身来说不对其他载波信道产生干扰，频谱发射模板SEM是考虑不对工作在相邻频段的其他通信系统信号产生干扰。杂散发射是确保该系统发射信号对全频段其他通信制式信号不产生干扰。

（3）测试分析。ACLR测试和SEM测试需要确保设备是在线性最大输出功率、最大增益时进行测试。杂散发射需要将设备的Trigger状态设置为Free Run状态，保证设备任何频段发射的杂散辐射信号能被频谱仪捕捉到，测试特殊频段杂散时由于外接衰减器过大降低了频谱仪的量程，使特殊频段要求的小功率杂散信号淹没在底噪中，所以需要将经过系统放大后的有效信号进行阻隔，减小外接衰减器，提高频谱仪的测试量程ACLR和SEM测试图形（见图4、图5）。

图4 邻道抑制比（ACLR）测试图

图5 频谱发射模板（SEM）测试图

3.2.2 无源支路、过流耦合器等无源器件测试

无源支路、过流耦合器等无源器件测试项目具体详见表3：

表3 无源支路、过流耦合器等无源器件测试项目表

（1）定义。5G-NR多输入多输出单缆覆盖系统无源支路直通RRU输入信号和变频路信号合路输出；过流耦合器等无源器件将射频链路进行延伸，将信源经过无源器件馈送到覆盖区域，同时将覆盖区域接收的终端信号返回至基站端。

（2）物理意义。无源支路和过流耦合器等无源器件组成的室内分布系统构建中，根据馈送信号路径长短以及覆盖信号的设计范围来选取相应器件，所采用的设备和器件应都符合相对应的无源器件的技术要求。

（3）测试分析。过流耦合器等通过直流的无源器件测试过程中注意保护仪表增加隔直器，且要经过耦合器的过流过压测试；功率容量测试需具备高频功放的要求、互调测试需满足系统系统内和间的二、三五阶互调测试。

4 结束语

2020年尤其新型冠状病毒肺炎疫情期间，工信部密集发布与5G相关通知、公告。加快促进5G相关产业产能加速落地，使5G+新经济新形态加速构建，5G室内分布市场是一个主要战场，该系统技术能很好的实现在一根电缆上传输双路至多路的5G 信号，且基本不改变原有室内分布的情况下实现产业落地，符合运营商增效减负、节能减排的政策导向。本文围绕5G-NR多输入多输出单缆覆盖系统射频测试，对相关的关键指标测试进行了分析，并对测试中所需的注意事项进行了阐述。