5G毫米波终端测试方法及分析

2023-03-10宫剑张宇

电信科学 2023年2期

宫剑，张宇

5G毫米波终端测试方法及分析

宫剑1，张宇2

（1. 国家无线电监测中心检测中心，北京 100041；2. 中国信息通信研究院，北京 100191）

在5G毫米波终端空口（over the air，OTA）射频一致性测试中，等效全向辐射功率（effective isotropic radiated power，EIRP）和总辐射功率（total radiated power，TRP）类测试是重要的OTA测试项。目前依靠3GPP定义的随机扫描锁定最大波束的方式决定最大EIRP和TRP，但该方法既耗时又缺乏准确性。提出一种非信令的测试方法，相比于目前的EIRP、TRP测试方法，不仅提高了准确性，而且使得非方向性OTA场地作为测量环境成为可能，进一步降低了测试成本和时间成本，并增加了测试环境选择的灵活度。

等效全向辐射功率；总辐射功率；最大波束方向搜索；波束编号；混响室

0 引言

随着国际电信联盟2019年世界无线电通信大会（WRC-19）确定5G毫米波标识的频段24.25～27.5 GHz（26 GHz）、37～43.5 GHz（40 GHz）、66～71 GHz用于5G及国际移动通信系统（IMT）未来发展[1]，各国加快5G毫米波的频率特性研究[2]和频段规划部署及研发试验。我国工业和信息化部无线电管理局起草了《中华人民共和国无线电频率划分规定》修订征求意见稿，并于2022年7月31日前向社会公开征求了意见。其中也包含若干对毫米波频段用于IMT的修订。由于我国在国际5G发展中的持续引领地位，毫米波作为5G向6G的过渡，以及其在5G组网和应用上的重要体现，各设备厂商、测试机构、标准组织也在积极地推进与5G毫米波相关的研究和实验。

由于5G毫米波设备已经不存在传导测量的天线连接口，所有的测试项均需要在空口（over the air，OTA）的环境下进行，基于OTA的射频测试将迎来更大的挑战，在原理、方法、效率等方面都需要进行新的探索[3-4]。近年来，学术界和产业界已对5G毫米波OTA射频测试和性能测试的若干关键问题开展积极的探索研究，探索精确、高效、实用的测试方法和测试系统[5-6]。

3GPP中对5G OTA测试系统进行了定义，目前真正可用于OTA测试的场地主要有：远场、紧缩场、平面波合成器（PWS）、混响室和近场等。对于不同的被测设备以及测试项，选择上会有些不同。对于5G毫米波终端的测试环境，3GPP目前规定了远场、紧缩场、近场等，但仍然不成熟，还在不断地研究和改进。由于没有一种场地可以兼容所有的测试例，因此测试成本提高，测试方法复杂化。

EIRP和TRP类测试是重要的OTA测试项，在3GPP TS38.521-2 5G毫米波终端OTA射频一致性总辐射功率（total radiated power，TRP）类测试项的测量步骤中[7]，规定了在波束锁定模式（beam lock mode）下进行测试，测试指标为TRP。具体操作为，在方向性暗室中，扫描整个球面上各角度点并锁定当前波束，得到各点锁定波束下的EIRP的搜索值，将最大搜索值作为等效全向辐射功率（effective isotropic radiated power，EIRP）最大值结果；在测量TRP时，将最大EIRP所对应的波束锁定，重新扫描球面各点再积分得到TRP。因此，无论是最大EIRP还是TRP的测量都是非常耗时的测试。

本文首先对3GPP标准定义的测试方法进行了研究，分析了这种方法的局限性。后提出了一种新的测试方法并与3GPP方法进行了对比分析。

1 3GPP标准中规定的EIRP/TRP测试方法及问题

3GPP TS38.521-2是对5G毫米波终端的OTA射频一致性的测试要求和测试方法的标准规定。其中，最大带内TRP输出功率、带外辐射（out of band emission）（包括频谱发射模板（SEM）和邻道泄漏比（ACLR）），以及杂散发射等都需要测量TRP作为衡量指标，它们被统称为TRP类测量项。对于TRP类测试项，在方向性暗室紧缩场或远场[8]中需要扫描整个球面的若干点的EIRP，再根据式（1）计算出TRP的最终结果：

其中，为包围所有被测天线辐射单元的最小球体的直径，cy1为包围所有被测天线辐射单元的最小向圆柱的直径。

EIRP在三维球面的采样点网格示意图和二维平面采样点网格示意图如图1所示。

图1 EIRP在三维球面的采样点网格示意图和二维平面采样点网格示意图

然而，应该选取哪一种波束方向图进行这一扫描呢？在3GPP TS38.521-2的附录K1.1中定义了发射波束峰值方向的搜索过程，在扫描带内TRP之前，需要先进行最大波束方向的搜索。然后根据一次性扫描的结果，选中测得的最大EIRP功率的波束所对准的方向进行波束锁定，同时将此EIRP作为最大EIRP的结果，并基于此波束锁定的方向图进行带内TRP及带外辐射、杂散等射频项的测量。K1.1的最大EIRP波束搜索的测量结果部分见表1，是一个实测扫描的记录表格，由于总共需要进行266个点（实际还要考虑下行和上行天线极化，实为266×2×2=1 064个测量值）的波束锁定扫描，所以表格过长，这里仅截取部分结果进行说明。

表1 K1.1的最大EIRP波束搜索的测量结果部分

图2 5G毫米波终端天线模组示例

仅通过一次K1.1扫描确定峰值（peak）EIRP的波束方向图，无法保证当前测量的峰值EIRP一定是毫米波终端的最大EIRP，其所对应的方向图扫描计算出来的TRP也同样无法保证是最大的。因为每一次扫描所确定的所谓的最大EIRP，可能只是在不同的天线模组中随机选取的某个Beam ID所对应的值。某终端在同一频段带宽下，不同天线ID在不同Beam ID情况下的最大EIRP测量值举例见表2。对于天线ID1、ID2、ID3，所测量出来的最大EIRP值分别为：29.29 dBm、28.21 dBm和33.50 dBm。所以3GPP中K1.1的搜索方法，只是在某一个角度位置上，触发了码本（codebook）中的某一个Beam ID，然后进行锁定并测量，无法保证所触发并测量的EIRP就是所有波束中最大的EIRP，也无法保证锁定的波束方向图经过扫描后，对应了最大的TRP。

表2 不同天线ID在不同Beam ID情况下的最大EIRP测量值举例

2 非信令的EIRP/TRP测量方法

根据上述分析，本文提出使用非信令的方法通过厂商声明的方式进行EIRP和TRP类的测试，更加准确。即毫米波终端厂商对自己的天线模组进行声明，通过芯片控制软件，选取其中较大的EIRP对应的Beam ID进行非信令的控制发射，得到若干组EIRP，从中选取最大的EIRP对应的Beam ID进行相应的带内TRP，以及带外TRP类项目的测量。某厂商的5G毫米波芯片控制软件发送Beam ID等配置测量功率的示例如图3所示，其中Beam ID和相关参数都可以进行软件设置。

图3 5G毫米波芯片控制软件发送Beam ID等配置测量功率的示例

5G毫米波终端EIRP及占用带宽的测试示例（100 MHz-1CC-QPSK）如图4所示，是在图3的某种设置下，使用频谱分析仪测得的带内功率和占用带宽的截图。可以通过这种方法寻找到最大的带内EIRP。

3 两种方法的对比分析

两种方法的对比分析主要包括以下几个方面。

第一，测试的准确性。正如前面所述，3GPP所述方法在确定最大EIRP的波束方向上存在不确定性。而采用软件控制Beam ID发送波束的方式，可以遍历所有波束场景，确定找到真正最大的EIRP。

第二，测试场地的选择。3GPP所提供的测试方法使得测试场地的选择受限。由于必须要精确地测量EIRP，只能选择方向性的OTA暗室，如紧缩场、远场等进行测量。这导致系统造价提高，测试的灵活度受限。如果选用非信令的测试方法，则可以选择非方向性OTA测试场地，如混响室进行TRP类测试。混响室不光测试时间短，效率非常高，而且在建设成本上相比于紧缩场和远场也有很大的优势。

紧缩场测试系统示意图如图5所示，混响室测试系统示意图如图6所示。与紧缩场不同，混响室是通过搅拌器的搅拌，在高品质因数的屏蔽壳体内，不断改变内部电磁场结构，使其内部任意位置的电磁场能量密度、相位、极化和来波方向均按照某一统计分布规律随机变化。被测设备的测试过程是搅拌器变化周期内的时间积分平均值响应，即足够多模式被搅拌后在测试区域能实现统计上的均匀场。因此在混响室内可以进行TRP类的测量，但无法进行准确的方向性EIRP类测试[9]。

图4 5G毫米波终端EIRP及占用带宽的测试示例（100 MHz-1CC-QPSK）

图5 紧缩场测试系统示意图

图6 混响室测试系统示意图

第三，测试仪表的选择。使用3GPP所提供的测试方法，只能使用基站模拟器，即综合测试仪与5G毫米波终端进行信令连接并进行扫描测试，每次更换一个角度，都需要有一次释放以及重新锁定波束的过程。目前的综合测试仪无法得知具体锁定了哪一个Beam ID，并且5G毫米波综合测试仪的造价昂贵，连接复杂。最重要的是，5G毫米波信令连接的过程中，建链失败率较高，非常耗时，导致测试的稳定性变差，进一步增加了测试的不确定性。而非信令的测试方式，可以选择频谱仪等测量仪表，连接方便简单，提高了稳定性同时降低了测试难度。

第四，测试时间。3GPP中的测试方法，进行K1.1的波束扫描，带来了额外的测试时间，目前业界大概能做到的是1 h左右。并且在方向性暗室进行TRP类测试项的扫描时间也会变得更长。如果知道确切最大EIRP所对应的Beam ID，并采用混响室进行TRP测量，则可以大大节省TRP类测量项的测试时间。

混响室由于其特殊的测试原理和测试方法，可以极大地缩减TRP类测试项的测试时间。如式（4）、式（5）所示，混响室计算TRP的计算式如下[10]：

其中，

UE为被测终端发出功率后，接收端收到的能量，本身即可等效成TRP。不需要像在方向性暗室中逐点进行EIRP扫描再进行积分计算的方法，连续采集多个功率的样本进行平均即可得到TRP数值。紧缩场/远场测试5G毫米波终端测试时长统计举例见表3。表3中例举了最大输出功率、频谱辐射模板和杂散发射的TRP测试在所选择的测试配置下的测试时长统计，这3项测试总时长在紧缩场/远场中已经超过40 h，尤其是杂散TRP测试，由于扫描频段较多，例如，从6～67 GHz，需要进行多段的分段扫描，导致测试时间大大增加。除此之外，还有初始的K1.1扫描以及其他定向测试项目的时间。而在混响室中3个项目在同样配置下，总时长不超过3 h。

表3 紧缩场/远场测试5G毫米波终端测试时长统计举例

4 结束语

OTA测试始终被认为是复杂而又成本高昂的测试，5G毫米波终端由于无法提供射频接口导致所有测试都只能在OTA的环境下才能进行，而不同的OTA测试环境又各自有自己的优势和局限性。想只用一种场地解决所有的测试项，目前看是不现实的。所以需要研究更多有效的测试解决方案去实现低成本和时间优化的测试系统和场地的组合方案。

OTA测量项分为方向性和非方向性。以最大EIRP为代表的5G毫米波终端测量项，包括最小发射功率、矢量误差幅度等，均是方向性OTA测量项；以TRP为代表的5G毫米波终端测量项，包括带内发射总功率、关功率、杂散、邻道泄漏比、频谱发射模板等，均是非方向性的OTA测量项。这些测试对5G毫米波终端的射频性能都具有重要的意义，因此它们的测试准确度和测试时间成本也非常重要。

目前，对于最大EIRP的测试，3GPP规定的测试方法是通过执行一定角度间隔的全球扫描进行波束锁定下的峰值搜索，最大TRP测试是在此搜索的基础上锁定最大EIRP对应的波束，再次进行全球各点的EIRP扫描从而得出TRP。以上过程均为基于信令的测试，而且只能在方向性暗室中进行测量，无论是从精确度还是时间成本上来说都存在缺陷。本文通过具体分析非信令的测试方法，即利用芯片的控制软件来控制发射较大EIRP的波束进行对比测量，不仅可以做到更加精确，而且在OTA场地选择上可以增加非方向性的混响室作为测量场地，使得测试成本和时间成本都进一步降低。相比于3GPP定义的EIRP、TRP测试方法，本文方法在测试的准确性、测试场地和测量仪表选择的灵活性以及测试时间上均存在一定优势。

美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）实验室也同样接受非信令的测试方法作为5G毫米波终端验证手段。此外，3GPP规范已将混响室作为5G基站OTA测试场地。CTIA也已将混响室写入5G等终端的测试规范[11]。选择混响室作为5G毫米波终端TRP类测试项的OTA测量环境，将会大大节省测试时间与测试成本。

毫米波技术除了在5G中得到充分利用外，在6G中也将发挥重要作用[12]，所以5G毫米波设备的测试手段也同样将影响未来6G设备。研究使用更加高效、低成本、低复杂度的测试系统也将对6G产生重要的意义。

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5G millimeter wave UE test method and analysis

GONG Jian1, ZHANG Yu2

1.TheStateRadioMonitoringCenterTestingCenter, Beijing 100041, China 2.China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China

In the 5G millimeter wave UE OTA RF conformance test, EIRP and TRP type of tests are important OTA items. Currently, this method relying on 3GPP-defined random scan to lock the beam to determine the maximum EIRP and TRP, but this method is time-consuming and lacks accuracy. A non-signaling test method was proposed, which could not only achieve more accurate measurements compared with the current EIRP and TRP test methods but also make it possible to use the non-directional OTA site as the measurement environment, further reducing the test cost and time cost, and increasing the flexibility of the test environment selection.

EIRP, TRP, beam peak search, Beam ID, reverberation chamber

TN929.5

10.11959/j.issn.1000–0801.2023025