5G通信仪器校准测试技术综述

辛奕，陈东，刘君荣，李静

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370）

0 引言

移动通信自20世纪80年代诞生以来，经过30多年爆发式的增长，已成为连接人类社会的基础信息网络，将会促进各个产业的高度融合和发展。在5G技术发展的推动下，制造和研发5G相关产品引入了大量新技术、新工艺，基础设施更新迭代，企业对5G通信测试仪器的校准服务的需求远大于现有的2G、3G和4G技术，由于5G通信技术使用全新频段、超宽带技术和大规模天线阵列，5G通信测试仪器采用新频段、新标准和新协议，而目前5G通信仪器缺少相应的校准规范，容易出现问题，故对5G终端、5G承载网络测试仪器和5G大规模阵列天线的校准测试提出了新的挑战。

本文将从5G终端、5G承载网络测试仪器和5G大规模阵列天线的校准参数、现状和面临的问题几个方面来探讨5G通信仪器的校准测试技术。

1 5G通信发展现状

近些年，5G通信技术快速发展，国际间的技术合作和竞争也愈演愈烈，5G通信技术水平的高低一定程度上反映了国家未来的发展动能和潜力。国内通信技术的发展历程如图1所示。1G时代采用模拟信号传输，通信的安全性差、易受干扰，各个国家采用的1G通信标准不一致。进入2G时代，实现了模拟到数字调制的跨越，手机具备了上网功能，传输速率达10～15 kb/s。2009年1月，工信部为中国移动、电信和联通发放3G牌照，中国进入3G时代，信息的传输速率提高了一个数量级。2013年12月，工信部向三大运营商发放TDLTE牌照，2015年2月，电信、联通获发FDDLTE牌照，中国开启了4G时代，4G对3G速率进一步提升，可以快速地传输高质量的图像、音频和视频等。2015年10月，国际电联批准了推进5G研究进程的决议，5G列入国家“十三五”规划，得到了国家863计划、国家科技重大专项的支持，2018年已经完成关键技术验证、技术方案验证和系统验证3个阶段的技术研发试验，2019年启动了5G增强及毫米波技术研发试验、终端测试和互操作测试，2019年开始预商用网建，2020年正式商用。在国际上，5G已成为各国信息技术发展的战略制高点，中国IMT-2020（5G）推进组、欧盟5GPPP、日本5GMF、韩国5G论坛和美洲5G Americas等组织先后成立，推进各国和地区的5G需求、技术和频谱研究工作，各国和地区的5G相关组织相继成立，推动了5G产业的快速发展。同时，中欧展开5G项目合作，IEEE也开始发力5G研究[1-2]。

图1 我国通信技术的发展历程

5G时代，海量链接、超大带宽、超低时延，其速率较4G有全方位的提升，下行峰值的速率可达20 Gb/s，上行峰值的速率可能超过10 Gbps。5G超低时延为车联网、工业控制和智能电网等垂直行业提供了更安全、可靠的网络连接。同时，其可使得自动驾驶、远程医疗等应用场景走向现实，5G网络每平方公里百万级的连接数使万物互联成为可能[3]。

随着2019年6月5G商用牌照的发放和5G网络建设的大范围铺开，5G正在加速向我们的生活走来。截至到2019年7月，全国各省市发布5G相关政策文件35个，加速5G在工业互联网、交通和医疗等多个行业的创新应用，5G时代已经到来。产业发展方面，5G产业链上游设备厂商着手开发和生产5G设备，运营商密集建设5G网络，先行终端厂商接踵发布5G手机。截至2019年7月，全国范围已建成5G基站3.8万个。标准方面，2018年6月5G第一个版本标准完成了增强移动带宽场景，2020年5G第二版本标准将完成低时延高可靠场景。我国厂商在5G标准制定中，做出了重要的贡献[1]。

2 5G通信测试仪器

通信测试仪器作为通信产业链发展中的关键环节，从1G通信产业发展初期开始，伴随着通信产业发展的成熟，全面覆盖了基站测试、终端测试、外场测试、认证/预认证测试和实验室测试等移动产业链中产品的全生命周期，形成完善的通信测试技术体系和产品体系[3]。

5G测试仪器主要分为5G终端/基站测试仪器、外场环境模拟与监测仪器、器件/部件测试仪器和5G承载网络测试仪器，如图2所示。其中，终端/基站测试仪器主要有Sub 6G和毫米波终端/基站测试仪、大规模矩阵天线测试仪、终端模拟器与基站射频一致性测试仪等；外场环境模拟和监测主要有5G空口监测仪、网络优化测试仪器等；器件/部件测试仪主要有矢量信号源、信号分析仪和无线综测仪等，需包含5G协议选项；承载网络测试仪主要有协议测试仪、网络性能分析仪等。

图2 5G通信的主要测试仪器

3 通信测试设备校准技术

5G通信设备具有高频段、大带宽和低时延的新特性，使得其对器件的设计、工艺和测试设备的校准提出了新需求，例如：器件在设计方面，要求带宽超过800 M；在制造方面，制造工艺将使用7 nm工艺以满足5G高速率和低功耗的需求；在测试设备校准方面，5G通信波段，Sub-6 GHz FR1频段的频率范围为450 MHz～6 GHz，毫米波FR2频段的范围为24.25～71 GHz，带宽范围为100～800 MHz，远远大于4G时代20 MHz的带宽；使用毫米波频段后，为提升频谱效率和传输性能，实现多载波聚合，天线尺寸也变为毫米级，通信基站采用大规模阵列天线；同时，5G采用5G NR制式和eCPRI协议，主干网的传输速率由40 Gbps提升至100 Gbps，无线协议的传输速率由600 Mbps～10 Gbps，提升至10～25 Gbps。基于5G测试设备发生的上述变化，研究建立用于终端测试设备（矢量信号源、分析仪）、大规模阵列天线和承载网络测试设备（100G、OTN、eCPRI）测试的计量标准装置，研究编写相关计量检定规程和校准规范，完善现有的通信计量标准体系，已迫在眉睫。

3.1 5G终端测试仪器校准技术

5G终端测试仪器主要有：矢量信号源、信号分析仪、无线综合测试仪和网络分析仪等，校准主要分为发射机参数测试、接收机参数测试，如表1所示。发射机校准参数主要有频率准确度、输出电平、频谱纯度、单边带相位噪声、调制信号调制质量、占用带宽、频谱发射模板、邻道泄漏功率比和EVM均衡器频谱平坦度等。接收机校准参数主要有参考灵敏度电平、最大输入电平、邻道选择性、阻塞特性、调制质量参数分析和射频输入端口电压驻波比等。

表1 5G终端测试仪器校准参数

对于矢量信号源、无线综合测试仪器发射机部分等，该类仪器的通用校准参数如输出频率、输出功率、频谱特性和调制质量，校准方法与4G终端测试仪器相同，采用频率计、功率计、频谱分析仪和综合测试仪等设备进行校准；而对于5G NR矢量调制参数，目前暂未有公开发布的校准规范，可采用标准矢量信号分析仪进行校准，并采用宽带校准技术对矢量分析仪的幅相特性进行校准，保障宽带调制信号的校准。对于矢量信号分析仪、无线综合测试仪接收部分等，该类测试仪器的通用校准参数如输入频率、输入功率和频率特性，校准方法与4G测试仪器相同，采用矢量信号源、频率计和测量接收机等设备对频率和功率等参数进行校准；而对于5G NR解调参数，目前暂未有公开发布的校准方法，可研制标准矢量信号发生器，采用预失真技术产生高质量的5G NR调制信号，用标准矢量信号分析仪比对的方式对调制参数进行校准。综上，将5G终端测试仪器的频率、功率参数溯源至频率计和测量接收机，5G NR矢量调制/解调参数溯源至标准矢量分析仪，最终溯源至国家计量标准装置。

5G终端测试仪器中，在频率和带宽大提升的同时，采用了新的5G NR标准，SUB-6G和毫米波段的5G NR调制功能均发生了变化。目前，国内外对基于窄脉冲的超宽带技术研究较多，而基于带通载波调制方式的超宽带技术研究较少，只有解决超宽带信号分析仪的带内幅相特性参数校准，才能保障超宽带内的幅度平坦度和相位平坦度，现在校准方法只是参照矢量信号分析仪的校准规范，但超宽带的调制性能参数并没有得到校准，现有校准方法的主要技术依据为JJF 1277-2011《无线局域网测试仪校准规范》、JJF 1443-2014 LTE《数字移动通信综合测试仪校准规范》、JJF 1396-2013《频谱分析仪校准规范》和JJF 1174-2007《数字信号发生器校准规范》等，针对5G终端测试仪器的校准，需要5GNR校准规范，需要完善超宽带的调制性参数校准方法。

3.2 5G大规模阵列天线测试技术

在5G之前，基站天线对射频指标的测试是使用传导方式，终端天线仅有全向辐射功率（TRP）和全向辐射灵敏度（TIS）采用OTA测试。5G采用大规模天线阵列，具有以下特点。

a）天线与射频通道高度集成

在5G毫米波大规模阵列中，为了减小传输与连接损耗，方便数目众多的天线单元与射频通道集成，将采用天线单元与射频通道直接相连的方式。

b）天线与射频通道数目众多

5G毫米波基站采用大规模MIMO形式，常见的天线与射频通道数有64、128和256等。

c）系统带宽大

5G毫米波系统带宽宽，通道带宽将达到400 MHz，甚至更大。

d）射频前端体积减小

毫米波波长短，5G毫米波大规模MIMO阵列相较于低频段同等规模阵列其体积大幅地减小。

e）采用波束成形技术

毫米波空间传输损耗大，采用波束成形技术可提高天线的增益，从而增加等效发射功率与接收信噪比。另一方面，多波束技术的引入可以提高系统容量，提升系统的性能。

对于5G大规模天线阵列射频测试，既需要传导测试（天线基本性能，即天线无源参数）又需要空口OTA测试（天线系统性能，即天线有源参数）。传导测试是利用射频线缆直接将仪表和被测物连接到一起，避免空间辐射的干扰信号对测试的影响。OTA测试是通过天线直接辐射出来，由测量天线接收，然后再将信号传入测试仪表的方法，为了避免空间干扰信号和多径，需在吸波暗室中进行。5G天线主要校准参数如表2所示，无源参数测试参数主要有功率、驻波比、天线方向图、波束宽度和增益等，校准方法与4G测试仪器相同，采用矢量网络分析仪加扩频装置，实现100 GHz的频谱覆盖，测试类型包括平面、柱面和球面测试。天线有源测试参数主要有波瓣、TPR和TIS，由于波束赋形的功能需要在射频模块的协同下才能工作，毫米波的5G基站天线只能通过空口进行测试，3GPP已经明确低频和高频的一致性测试，如EVM、ACLR和OBUE等都将采用OTA方式[5-6]。

表2 5G大规模天线阵列测试参数

5G大规模天线阵列有着天线单元和射频通道数众多、天线单元与射频通道高度集成的特点，其5G有源天线参数和4G时代的校准测试方法不同，传导测试即无源参数的校准方法同4G时代相同，主要技术依据：GJB/J 5410-2005《电磁兼容测量天线的天线系数校准规范》、ANSI C63.5-2017《电磁兼容性-电磁干扰（EMI）控制中辐射测量天线的校准（9 kHz～40 GHz）》和JJF 1706-2018《9 kHz～30MHz鞭状天线校准规范》等。对于有源参数的校准，目前已提出几种方法，如旋转矢量法、利用天线单元间互耦和有独立校准通道系统[7]，现急需在频道通道数、基带处理、测试时间和成本之间找到一个合理的平衡点，提出一种低成本、高时效的5G大规模天线阵列校准测试装置。

3.3 5G承载网络测试仪器校准技术

5G承载网络测试设备有光模块、网络性能分析仪、光传输综合分析仪（OTN）和协议分析仪（CPRI/eCPRI）等。校准分为基础参数、光传输参数和光网络参数测试。基础光通信参数主要有光功率、光波长、光回损和光偏振等，校准方法同4G承载网络测试仪器相同，采用光功率计、光源、光谱分析仪和光回损仪等设备进行有关参数的校准测试；光传输参数有信号输出波形、反射衰减和灵敏度等电接口参数和信号平均发送光功率、抖动、眼图、光谱特性、接收灵敏度和抖动特性等光接口参数，采用光传输分析仪、眼图仪、误码仪和飞秒激光源等设备进行有关参数的校准测试，对于抖动参数，目前暂无校准规范，可研制高精度抖动源产生连续可调抖动的光信号；光网络参数有时延、丢包率和CPRI/eCPRI协议等，目前暂无校准规范，可采用网络损伤仪、帧头触发器等设备进行有关参数的校准测试。

表3 光通信测试仪表校准参数

5G光通信采用了eCPRI协议和新技术，主干网传输速率由40 Gbps提升至100 Gbps，无线协议传输速率由600 Mbps～10 Gbps，提升至10～25 Gbps，5G的传播速度快、信息流量大、运作效率高，现有的校准方法主要参照JJF 1237-2017 SDH/PDH《传输分析仪校准规范》、JJG 813-2013《光纤光功率计》、JJG 963-201《通信用光波长计检定规程》、JJG 1035-2008《通信用光谱分析仪检定规程》、JJG 958-2000《光传输用稳定光源检定规程》、JJF 1325-2011 《通信用光回波损耗仪校准规范》和JJF（电子） 30905-2007《光纤及光器件偏振特性校准规范》等，目前暂无针对OTN和eCPRI公布校准规范，可采用标准传输分析仪和协议分析仪发生不同类型的告警信号进行验证。如何对抖动、噪声和时延等参数进行校准，是5G光通信计量校准的新课题，国内需要OTN和CPRI/eCPRI的校准规范。

4 结束语

矢量信号发生器、矢量分析仪、无线综合测试仪和CPRI/eCPRI等5G通信主要测试仪器，其量值准确是5G技术研发和产业化的基础和保障。5G做为当今世界大国争夺的战略制高点，与美、韩和日同为第一梯队的中国，一直加紧5G商用步伐，随着5G商用的不断深入，测试仪器采用更高的频率、新标准5G NR、新协议eCPRI和毫米波面临的大带宽的校准问题尚未得到有效的解决；若不解决，将会成为行业发展的短板。一方面，需要计量校准机构提出新的校准方法并制定相关标准；另一方面，企业也应该发挥行业带头作用，积极寻求合作，与高校/研究机构/计量院等各方一道，推动方法落地，以保障测试仪器的量值准确，支撑5G产品质量，加速5G产业化。