5G毫米波终端射频环境检测方法

刘亚辉，王 玢

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

0 引言

5G通信技术必将为用户带来全新的互联网使用体验，并加速各行各业的数字化转型。毫米波系统是5G技术为满足大带宽需求的一项重要组成部分，随着5G业务的大力布局，当前通信频段一定会全面覆盖毫米波方向，而确定并规划5G毫米波终端射频检测的方法与标准，建立完备的5G毫米波检测环境，成为5G技术下一阶段部署的关键。

1 5G毫米波概述

5G主要使用两段频率，分别定义为FR1频段和FR2频段。FR1频段为450 MHz-7.125 GHz，又叫sub-6 GHz频段。FR2频段为24.25 GHz-52.6 GHz，由于FR2覆盖的波段中大多数波段小于10 mm，因此得名毫米波（mmWave），其工作频段如表1所示。

表1 3GPP中定义的毫米波工作频段

目前，一些国家和地区已陆续完成了5G毫米波频谱的划分及其分配或拍卖。美国分别于2019年1月和5月完成了28 GHz和24 GHz频段的拍卖，并于2020年3月进一步完成了对37 GHz、39 GHz 和47 GHz频段的拍卖。欧盟委员会已于2019年5月通过了一项实施决定，统一26 GHz频段的无线电频谱，使成员国能够为频段使用设定共同的技术条件并开放使用，目前意大利、芬兰、挪威已经完成部分频谱的分配或拍卖。在亚洲，日本、韩国、泰国、中国香港和中国台湾已经完成了26 GHz和28 GHz部分频谱的分配或者拍卖。而截止到2020年6月，已经有17个国家及地区的79家运营商拥有了在24.25-29.5 GHz频段部署了5G毫米波的许可。

5G毫米波在我国也得到了政策的有力支持，早在2017年6月，工业和信息化部就发布了面向社会广泛征集24.75-27.5 GHz、37-42.5 GHz或其他毫米波频段用于5G系统的意见，并将毫米波频段纳入5G试验的范围，在2020年3月发布《关于推动5G加快发展的通知》中明确指出，将结合国家频率规划进度安排，组织进行毫米波设备和性能检测，为5G毫米波技术商用提前做好准备，适时发布部分5G毫米波频段频率使用规划。

2019年，中国IMT-2020（5G）推进组在统筹规划5G毫米波工作时，提出要分3个阶段推进试验工作：首先在2019年，工作的重点内容是验证5G毫米波的关键技术与系统特点；然后2020年的重点工作是，验证5G毫米波的基站与终端的功能、性能、互操作；最后在2020到2021年间进行5G毫米波在典型场景中的应用验证。

2 5G毫米波的优缺点

随着移动通信的飞速发展，目前6 GHz以下常用频段几乎已经被用完，但是仍然存在频谱短缺和冲突的问题。而毫米波频段的资源丰富，可用的频谱带宽远大于低频段。与低频段相比较，毫米波通信具有以下优点。

（1）频率资源丰富、带宽极大：3GPP中规定了毫米波的最大带宽为400 MHz，在载波聚合的情况下最大能达到1200 MHz带宽，远大于sub-6 GHz频宽的带宽。根据香农公式，同等条件下，更大的带宽意味着具有更快的传输速率。5G毫米波在传输速率上将达到10 Gb/s的量级，远高于sub-6 GHz频段的1 Gb/s的量级。

（2）波束窄：能分辨相距更近的小目标或更为清晰的观察目标细节，非常适合与波束赋形技术进行结合，提高定向性，在通信中可以更好地对通信对象进行空间分隔。

（3）可实现低时延：通常来说，5G网络是以时隙为单位调度数据的，空口时隙长度越短，意味着5G网络在物理层的时延越小。如表2所示，5G毫米波系统空口时隙长度最小可至0.125 ms，是目前主流5G中低频系统的1/4。因此，5G毫米波系统比5G中低频系统空口时延显著降低，可实现5G网络对工业互联网、AR/VR、云游戏、实时云计算等URLLC（高可靠低时延）业务的质量承诺。

表2 不同频段的时隙间隔

（4）安全保密性好、传输干扰小：毫米波在传输中衰减快，窃听难度大。由于频段高，电磁频谱干净，没有什么干扰源，因此毫米波的信道相对稳定可靠，误码率低。

（5）设备集成度高：5G毫米波的元器件尺寸小，因此设备更容易小型化和微型化。

尽管毫米波有着众多优点，但也不可避免的存在一些缺点，比如传播衰减大，绕射和衍射能力弱，覆盖能里有限等。

3 5G毫米波终端射频检测

通常2G、3G、4G终端，射频与天线有各自独立的检测方法和指标，可以分开检测独立评估，射频指标一般采用传导检测方法，使用线缆将被测设备的射频口与检测仪表相连，测量精度主要取决于仪表的性能。由于5G毫米波采用了massive MIMO技术，设备都使用天线阵列，无法使用传统的传导检测方法，因此，空口（OTA）检测将成为5G毫米波的主要检测方法。

依据检测标准3GPP TR 38.810《3rd Generation Partnership Project；Technical Specification Group Radio Access Network ； NR ； Study on test methods》 中的描述，射频发射机有三种检测方法。

3.1 直接远场（Direct far field）

（1）远场测量是最简单的OTA测量的系统。被测设备被安装在一个定位器上，该定位器可以在两个平面上旋转（方位角和仰角或者方位角和横滚角），可以从任意的3D角度进行检测。检测距离需满足D设备天线的尺寸，λ为电磁波波波长。示意图如图1所示。

图1 远场检测示意图

然而公式中天线尺寸D有时并不简单。对于典型的天线阵列，D是阵列的对角线。但对于5G毫米波用户设备而言，确定D值时需要考虑的一个因素是这些设备会配有多个天线阵列，支持全方位覆盖，如图2所示。

图2 5G毫米波设备可能采用的天线阵列图

有两种方法可以测量配有一个或多个天线阵列的设备：第一种“白盒”的方法，但前提是需要预先知道被测设备的天线阵列的位置及具体尺寸；另一种方法不需要知道任何天线阵列的位置，称为“黑盒”方案，用于计算远场的D值是被测设备的最大尺寸。一般白盒方案用于开发环境中，因为更可能知道天线的结构，远场距离相对于黑盒方案会小得多。检测使用黑盒方案。

（2）3GPP中给出不同天线尺寸和频率的近场/远场边界如表3所示。

表3 不同天线尺寸和频率的近场/远场边界

由表3可知，对于较大的天线尺寸和较高的频率，远场需要的检测距离可能非常大，这需要非常大的暗室，建设成本会很昂贵。检测中的路径损耗也很大，对于检测结果准确度有很大的难度。

3.2 间接远场（Indirect far field）

（1）间接远场检测方法时使用抛物面反射器的变换创建远场环境，这也称为紧凑型天线检测系统（CATR）。示意图如图3所示。

图3 间接远场检测示意图

D=x[m]

反射器尺寸=2×D

R=焦距=3.5×反射器尺寸=3.5×（2×D）

（3）间接远场的检测路径损耗估算如表4所示。

表4 间接远场的检测路径损耗估算

表3与表4对比来看，同一频率下，DUT天线尺寸越大，间接远场的路径损耗比直接远场的路径损耗就要越小。

3.3 近场转换成远场（Near field to far field transform）

（1）NFTF方法通过近场到远场的变换来计算在远场中定义的度量。如图4所示。

图4 NFTF检测示意图

（2）测量辐射近场UE波束图，并基于NFTF数学变换，最终得出检测结果，但是无法检测EVM、EIS和阻塞。

3.4 三种检测方法的比较

3GPP TR38.810中还规定了检测环境适用情况。如表5所示。

表5 检测环境适用情况

间接远场的检测方法相对于直接远场检测方法，适用的待测设备更多，需要的暗室尺寸更小，建设成本更低，且路径损耗相对较小，检测结果更准确。与近场转换远场的检测方法相对比，适用的待测设备更多，可以覆盖的检测项更完整。所以现在大多数检测都采用间接远场的方式进行。

4 结束语

5G赋能各行各业，而毫米波技术使用更高的频率，使5G实现了更快的速率，真正实现了5G技术的优势，成为影响5G未来部署的关键性技术，必将在未来十年甚至更长的时间内，为我们带来持续性的科技突破。