摘要：5G网络作为一套完整的移动网络，需要比4G提供更高的容量，为了满足多场景的需求，需要多种站型匹配不同需求，同样，为了适应新的站型，也需要引入新的测量方案，因此首先对5G低频段和毫米波基站架构进行了分析论证，研究分析新的测试指标和测试方案，并从可行性、优缺点、难度等方面对测试方案进行对比。
关键词：5G 基站架构；OTA；设计思路
随着5G商用步伐的推进，针对5G基站架构的研究越来越重要，与站型匹配的测试指标、测试方案的研究也受到了产业界的广泛关注。5G的基站架构在通道数量、天线连接方式、拉远接口等方面和4G基站都有着很大的不同。架构的改变对传统的射频测试方案带来了很多挑战，传统的测试方案正在逐步向OTA测试方案转变，因此本文接下来将对5G基站架构与测试方案进行研究。
1、基站架构
目前，工业和信息化部已经公开征求对第五代移动通信系统使用3 300 MHz―3 600 MHz和4 800 MHz―5 000 MHz频段的意见，其中3 400 MHz―3 600 MHz早已被认可为5G试验频谱。2017年6月5日，3 300 MHz―3 400 MHz和4 800 MHz―5 000 MHz被列入作为5G频谱计划，4 400 MHz―4 500 MHz也被考虑应用。目前的试验产品频段集中在3 400 MHz―3 600 MHz。
（1）宏基站架构
MU-MIMO技术是6 GHz以下频点提高频谱效率的最关键技术，5G宏站通过引入多发射通道多接收通道，在水平和垂直两个维度动态调整信号方向，形成信号能量更集中、方向更精准的波束，支持更多用户在同一RB资源上并行传输（上/下行MU-MIMO）。理论上，在信道条件需要的情况下，通道数越多，可以支持传输的流数越多。设备实现需要考虑设备的可生产性、成本等因素，通道数不能任意增加。在实际场景中，信道条件也是受限的，支持的最大流数也是有限的。所以设备的通道数和通道的排列方式需要综合考虑需求、性能、信道条件、可生产性，成本等因素。
5G宏站架构有以下三个关键的问题需要重点研究：
1）通道数与阵子数。通道数的变化对设备的成本影响较大，所以设备的通道数选择需要更多地考虑网络需求和成本。目前主要考虑64通道、32通道和16通道产品。64通道产品可以提供更大的容量和频谱效率，32通道和16通道会降低频谱效率、降低成本。根据网络的容量需求，选配不同类型的产品，以实现在满足需求的前提下降低设备成本。考虑到5G现有的试验频段在3 400 MHz―3 600 MHz，为了保证和4G网络同覆盖，设备的阵子数不能低于128阵子（8×8×2排列），目前有128和192（8×12×2）两种主流的阵子数。同样考虑到天面的迎风面积，天面的尺寸不宜较大。在通道数和阵子数进行组合选择时，需要综合考虑覆盖性能和覆盖范围。
2）CPRI接口eCPRI接口。随着通道数的增加，带宽增大，CPRI接口速率也会倍增，当接口速率攀升到40 G以上时，若采用目前应用广泛的10 G光模块，光模块的数量过大，给结构设计和施工带来很大的不便，当光线资源受限时，更是无法接受。所以，BBU和RRU之间的光接口数量必须保持有限量。降低接口速率和提升光模块数量都是解决这一问题的办法。
2、5G基站测试方案
2.1 OTA指标的研究
随着收发通道数量的需求增多，低频段基站、一体化基站形态会逐渐成为主流。高频段基站、RRU和天线会呈现高度集成的形态，射频指标将不再局限于传统的传导指标，OTA（Over The Air，空中下载）指标成为5G基站性能指标的演进方向。OTA指标不同于传导指标，所有的传导指标都是基于设备的单一射频通道定义的，OTA指标是基于设备的整体指标定义的。
（1）EIRP
基站产生的辐射发射功率采用EIRP（有效全向辐射功率）作为OTA辐射指标，用于考察设备的波束最大能量辐射能力。EIRP可由设备厂家进行宣称，在宣称EIRP的支持值的同时也需要宣称波束的位置和波束带宽。
测试方式有以下两种方式：
方式一：直接在厂家宣称的方向上进行测试，机械安装上的误差和波束赋形的误差都会带来测试误差（如图4所示，黑色点代表宣称位置，彩色点代表实际位置）。
方式二：在厂家宣称的方向及其一定角度内进行多点测试，找到最大值，认定为EIRP，这种做法可以消除机械安装带来的误差，同时也消除了赋形方向不准带来的误差，而赋形方向的准确性本身是设备应该具备的能力，不应该被消除。
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（2）ACLR
OTA ACLR指标和传导ALCR指标定义相同，都是定义主信道输出功率和邻道无用信号的比，相对于主信道的输出功率，邻道的总辐射功率对于相邻系统的吞吐量有更大的影响。对于OTA ACLR指标需要考虑空间的总辐射功率情况，其定义方式如下：
其中，EIRPe是邻道信号的EIRP；p1和p2代表两个不同的极化。
OTA ALCR的指标测试需要兼顾测试栅格和测试时间综合考虑，目前对于5G NR OTA ALCR的测试方法3GPP正在讨论中，对于MIMO产品，波束赋形后绝大部分能量都会集中在某一方向上，如果能够获得集中绝大部分能量的方向角度，且邻道的能量在相同的方向角度范围内也集中了绝大部分能量，便可以将ACLR的考察范围确定在一定的方向角度范围内，这也是减少测试时间的一种方案。
2.2 测试方法的选择
在传导指标向OTA指标演的过程中，对于6 GHz以下，传导指标和OTA的指标将同时存在。实际上无需用两种测量方式同时考察设备的性能，需根据设备指标特点以及操作的便利性进行选择。本文主要针对表2中的8个指标进行选择分析。
天线指标作为设备的必测指标，必须采用OTA测试，对于部分OTA指标，可以随着天线方向性指标一起获得，如ACLR、EIRP，同时也可以进行EVM测试，但是EVM测试会影响测试效率。杂散指标需要进行传导测试。对于上行，EIS sensitivity比灵敏度更能体现设备的接收性能，优先选择OTA测试。对于ACS和阻塞指标，目前OTA测试环境不具备，需要选择传导测试方案。
1）近场测试方案分析
近场测试方案是目前比较流行的无源天线测试方案。为了匹配有源设备测试，近场测试方案做了很多的研究、改造和试验工作。近场测试方案分为多探头测试方案和单探头测试方案，无论是哪种测试方案，都面临着无法测试所有OTA测试例的问题。主要问题是近场测试方案需要进行远近场变换的过程，变换是基于幅度和相位进行的，而非有用信号和有用信号拥有不同的幅度和相位，变换后无法精确地保留确切的信息。即使通过技术可以解决这一问题，对于非全向的指标，如EIRP、EVM、EIS等定点或部分范围指标，基于变换需要，仍需要采集全向的数据信息，这一点将大大降低测量效率。
近场EIS的测试项需要测试系统和待测设备间进行数据通信，此通信接口的开放和标准化工作，也是近场测试方案研究和验证的一大障碍。
2）远场测试方案分析
远场测试方案是最直截了当的方案，测试系统和待测设备间除了状态类通信外，不需要数据类通信。相比近场，远场对于场地尺寸要求比较大。目前有很多远场已建，所以场地的尺寸并不影响远场方法的应用。远场与近场不同，结果数据是直接获得的，不需要进行变换，可以灵活地根据不同测试项的角度需求，定制设置角度，节省时间。比如天线方向性指标，需要测试全向指标，对于EIRP、EVM、EIS等定点指标，仅测试部分点的指标即可，不需要进行全向测试，可以大大地节省测试时间。
远场还需要进一步提高全方向测试项的测试效率，加强转台的灵活度，采用多维度可旋转、平移转台，提高测试的转速，合理优化转台的旋转方式等方式都可以提高效率。
3）近远场组合测试方案分析
近远场组合测试方案是指同一场地支持远场和近场两种测试系统，部分测试项在远场测试，部分测试项在近场测试，两种测试系统共享同一安装转台，无需二次拆卸、安装和调制设备。这一方案既拥有近场在部分全方向测试项高效的优点，又拥有部分测试项在远场测试直截了当的特点，在兼具了两个场地优点的同时，又避免了设备在两个场地之间拆卸、安装和调试的麻烦。这一方案的不足是对于场地的要求比远场还要稍大一些，两种方案在一个场地之间的屏蔽需要谨慎的处理，转台需要特别的设计以适用两个场地，甚至需要增加导轨，成本比较高。
3、结论
本文在分析5G低频基站架构及高频基站架构的基础上，提出了几种5G基站测试方案，并从可行性、优缺点、难度等方面对几种方案进行比较分析。和4G基站相比，5G的基站架构、测试指标和测试方法都有巨大的变化，很多问题已经明确化，如室外宏站采用多通道站架构、测试向OTA方向演进等。但仍有一些问题需要继续研究、推动，需要进行大量的分析、验证工作，并且需要运营商、设备商、暗室厂商、测量方案解决商和仪表商的共同努力。
参考文献：
[1]吕婷，李轶群.基站架构及面向5G的演进研究[J]邮电设计技术2017（8）
[2]周宏成.基于分布式基站的5G无线网络规划方案[J]电子科学技术2017（4）
[3]詹建.5G通信测试技术挑战[J]国外电子测量技术2017（5）
[4]屠方泽.5G面临的测试挑战及解决方案[J]电子产品世界2017（5）
论文作者:陈诗恺
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/7/4
标签：测试论文; 指标论文; 基站论文; 方案论文; 通道论文; 设备论文; 架构论文; 《基层建设》2019年第11期论文;