5G毫米波端到端性能测试技术研究
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【摘 要】
面向5G毫米波大规模阵列天线基站，创新提出了端到端性能测试系统。从技术原理、硬件架构、系统校准这几个维讨论了如何完成毫米波基站的性能验证。依据3GPP定义的信道模型，仿真了暗室静区中的最关键指标角度功率谱相似度百分比，并且给出了指标建议。
【关键词】5G;毫米波;空口测试;波束赋形
doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.015 中图分类号：TN929.5
文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2020）04-0069-03
引用格式：张翔，乔尚兵，王飞龙，等. 5G毫米波端到端性能测试技术研究[J]. 移动通信， 2020，44（4）： 69-71.
Research on 5G Millimeter Wave End-to-End Performance Testing Technologies
ZHANG Xiang， QIAO Shangbin， WANG Feilong， WEI Guiming
（China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China）
[Abstract]
A novel end-to-end performance testing system is proposed for 5G millimeter wave （mmWave） base station with massive antenna arrays in this paper. How to accomplish the performance test for mmWave base station is discussed in terms of technical principles， hardware architecture and system calibration. Based on the channel model defined in the 3GPP specification， the similarity percentage of the power angle spectrum is simulated as the most important key metric in the darkroom zone， and then the metric is suggested.
[Key words]5G; mmWave; OTA test; beamforming
0 引言
Sub 6 GHz基站性能测试多采用传导方式，通过信道模拟器仪表模拟传播过程中的路径损耗、阴影衰落和快速衰落。以基站64发送通道，终端4通道为例，信道模拟器需支持64×4双向互易信道模拟。毫米波频段由于路损和穿透损耗大，对传播环境更为敏感[1]，因此更需要对基站算法在衰落场景下的性能进行精细研究。但是由于毫米波传导接口消失，性能测试将转为OTA方式。
目前OTA吞吐量性能测试方法主要面向终端讨论。Sub 6 GHz终端OTA测试规范主要可参照MIMO OTA（Over The Air，空口）规范1.1版本[2]，其主要思想是通过数学优化探头功率（部分算法需优化相位），实现静区中的空间相关性分布与信道模型中角度功率谱的傅里叶变换相同[3]。但是目前相关算法并不能用于毫米波基站性能测试，具体原因如下：
（1）角度功率谱与空间相关性虽为傅里叶变换关系，但是由于傅里叶变换非一一对应，因此，存在空间相关性相同，但角度功率谱差别很大的情况[4]，而毫米波波束赋形测试极为重要，若角度错误，则测试结果将明显错误。
（2）因为终端一般位置较低，散射体丰富，信道模型定义的终端侧角度扩展（一般取值30°～60°）远远大于基站侧的角度扩展（2°～10°）[5]。传统MIMO OTA暗室中在圆环中均匀分布的探头方案（相邻探头间距22.5°）无法生成小于22.5°的角度扩展。
（3）终端采用全向天线，而基站采用扇区化天线，因此探头应分布在基站覆盖的扇形区域内。
（4）终端运动速度的模拟通过信道模拟器添加多普勒实现，但用户位置并未真实改变，因此无法支持波束跟踪和波束切换测试。
目前3GPP对毫米波终端的OTA测试方法讨论，已经明确采用PSP（Power Angle Spectrum Similarity Percentage，角度功率谱相似度百分比）作为静区优化准则，重点保证来波方向的准确性[6]。并且明确采用8个双极化探头完成信号接收与发射。但是目前面向终端的讨论并不直接适用于基站测试，具体原因如下：
（1）目前讨论的测试静区较小，直径只有10 cm，远小于基站的阵面尺寸;
（2）终端运动速度的模拟通过信道模拟器添加多普勒实现，不支持波束跟踪、波束切换测试;
（3）毫米波终端虽具备波束赋形能力，但波束宽度远大于基站波束宽度，角度扩展远大于基站侧角度扩展;
（4）目前讨论仅针对下行，无法支持双向测试。
综上，需要研发全新的面向毫米波基站的端到端性能测试系统。
1 系統介绍
1.1 系统目标
提供全新的面向毫米波基站的端到端性能测试系统，包含除信道模拟器外的全套硬件设备及测试软件。支持3GPP全部5G毫米波信道模型测试;支持大尺度建模和小尺度建模的同时模拟;支持视距与非视距场景建模;支持上下行双向信道加载;支持射频拉远与多种加噪方式;支持波束跟踪与波束切换测试。测试结果精确可重复，测试流程高度自动化，测试结果自动统计输出。 1.2 方案简介
如图1所示，基站端与终端均采用OTA的方式来完成毫米波端到端性能单用户测试。在基站暗室中，配置方位轴和俯仰轴的二维转台可以准确调节5G基站的方位，固定于探头墙之上的探头可灵活适配各种信道模型。
以下行为例。双极化接收下行信号后通过毫米波线缆将信号接入变频功放箱，通过内部变频器和多级低噪放设备，保证基站波束指向的链路信号满足信道模拟器入口功率要求，同时信号载频下降到Sub 6 GHz。信道模拟器加载单向信道衰落模型，经过低频信道的模型后经过变频功率箱变到目标频率，同时保证最强链路的信号到达探头功率满足要求，终端暗箱中采用高增益双极化探头，保证终端的接收功率满足好点要求。
以上行为例。终端上行信号通过高增益天线接收，经过变频功放箱变为低频信号，信号功率匹配信道模拟器的最佳输入功率，经过信道模拟器添加信道模型后，通过变频功放箱变为高频信号，再通过中等增益探头发射信号至毫米波基站。采用校准天线，通过调整变频功放箱和信道模拟器的功率，完成上下行校准，保证TDD（Time Division Duplexing，时分双工）信道模型的上下行互异性。
2 PSP仿真
2.1 PSP定义
由于不同的待测设备具有不同的波束选择能力，因此空间相关性这种与具体设备无关的OTA环境验证指标不再适用于mmWave（毫米波）MIMO OTA。鉴于此，在mmWave MIMO OTA中，将PSP作为衡量OTA环境的验证指标。PSP与空间相关性的相似之处在于，其本质目的均是使得OTA系统实现的实际PAS（Power Angle Spread，功率角度扩展）与信道模型的目标PAS尽可能地接近，不同之处在于，PSP指标中加入了待测设备尺寸与波束分辨能力对于PAS的影响。显然，PSP更适合用于mmWave MIMO OTA。以PSP为优化目标，将获得具体的探头位置和功率权重，实现适用于毫米波频段的信号发射部分的信道建模。
PSP的计算方式为PSP=（1-TVD）×100%，其中PSP的TVD（Total Variation Distance，总偏移距离）又可表示为下式[7]：
TVD= （1）
其中，P^t（Ω）为在理想环境下，待测设备所观测到的PAS分布，其与实际模型与待测设备分辨能力有关。而P^o（Ω）则为在暗室环境中，待测设备所观测到的实际PAS分布。对于特定目标模型，通过优化暗室中探头的位置与功率，可使得P^o（Ω）与P^t（Ω）尽可能地接近，进而得到最优的PSP。同样优化方式下，探头越多，PSP优化结果越好，但是通道数的增多，会大幅增加系统成本。不同探头下的PSP仿真将在后续章节给出。
2.2 仿真结果
如表1所示，视距模型对于探头数量的要求较低，2个双极化探头即可具有90%以上的PSP。然而非视距模型对于探头数量要求较高，而且随着探头数量的减少，PSP值迅速下降。这是因为LOS模型的功率分布较为集中，因此利用少量的探头即可实现对应的功率分布，而非视距模型功率分布则较为分散，需要的探头也就更多。
3 结束语
首选分析了现有MIMO OTA测试系统的局限，总结了毫米波端到端性能测试的难点。提出了基于双OTA暗室的毫米波性能测试系统，支持空间信道衰落双向模拟，完成5G基站和终端芯片物理层关键技术的性能验证。搭建仿真平台，给出空间信道建模的最关键参数——PSP随暗室探头数的变换关系。结果表明，视距模型对暗室探头数的要求远远低于非视距模型。该端到端性能测试系统对于5G基站和终端性能检验就有十分重要的作用。
参考文献：
[1] AGRAWAL S K， SHARMA K. 5G millimeter wave （mmWave） communications[C]//2016 3rd International Conference on Computing for Sustainable Global Development （INDIACom）. IEEE， 2016： 3630-3634.
[2] CTIA. Test Plan for 2×2 Downlink MIMO and Transmit Diversity Over-the-Air Performance[Z]. 2016.
[3] KY?STI P， J?MS? T， NUUTINEN J P. Channel modelling for multiprobe over-the-air MIMO testing[J]. International Journal of Antennas and Propagation， 2012：1-11.
[4] FAN W， DE LISBONA X C B， SUN F. Emulating spatial characteristics of MIMO channels for OTA testing[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2013，61（8）： 4306-4314.
[5] FAN W， LIORENTE I C， KY?STI P. Over-the-air Performance Evaluation of Massive MIMO Base Stations in Selectorized Multi-Probe Anechoic Chambers[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine， 2016（99）： 1.
[6] 3GPP. 3GPP R4-1904160： WF on NR MIMO OTA CAICT， RAN4 #90bis[R]. 2019.
[7] KY?STI P， HENTIL? L， FAN W. On radiated performance evaluation of massive MIMO devices in multiprobe anechoic chamber OTA setups[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2018，66（10）： 5485-5497.★
作者简介
张翔（orcid.org/0000-0002-5632-8481）：博士毕业于北京邮电大学，现任中國信息通信研究院技术与标准研究所主任工程师，主持多项国家科技重大专项科研项目，主要研究方向为大规模天线技术，5G OTA测试方法，基站和终端的射频与性能测试技术，已在国际期刊和会议上发表SCI、EI论文30余篇，申请发明专利20余项。
乔尚兵：硕士毕业于北京邮电大学，现任职于中国信息通信研究院技术与标准研究所，主要从事Sub 6 GHz和毫米波频段基站及终端芯片MIMO OTA测试算法研究。
王飞龙：硕士毕业于北京邮电大学，现任职于中国信息通信研究院技术与标准研究所，研究方向为5G终端OTA性能与射频测试算法及测试系统硬件设计。
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