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未来移动通信论坛5G和6G毫米波测试技术白皮书零功耗通信白皮书60页.pdf
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5G/6G毫米波测试技术白皮书
5G/6G毫米波测试技术白皮书
目 录
目 录
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0
1. 背景
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2
1.1 5G 毫米波测试现状与标准进展
.............................................................................................................................
4
2. 5G/6G 毫米波测试系统
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6
2.1 微波毫米波暗室测试环境
.......................................................................................................................................
6
2.1.1 远场暗室
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7
2.1.2 近场暗室
..........................................................................................................................................................
8
2.1.3 紧缩场暗室
....................................................................................................................................................
10
2.2 5G 毫米波测试仪器
...............................................................................................................................................
10
3. 5G 毫米波设备的特点
............................................................................................................................................
12
3.1 毫米波基站设备的特点
........................................................................................................................................
12
3.2 毫米波终端设备的特点
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14
4. OTA 射频测试
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15
4.1 测试内容
.................................................................................................................................................................
15
4.2 测试方法
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17
4.2.1 直接远场法(Direct Far Field, DFF)
...........................................................................................................
17
4.2.2 间接远场法(Indirect Far Field, IDFF)
..........................................................................................................
18
4.2.3 近场(Near Field,NF)
..................................................................................................................................
21
5. OTA 系统性能测试
.................................................................................................................................................
23
5.1 测试内容
.................................................................................................................................................................
23
5.2 测试方法
.................................................................................................................................................................
23
5.2.1 混响室法
.........................................................................................................................................................
23
5.2.2 辐射两步法
.....................................................................................................................................................
23
5.2.3 多探头法
.........................................................................................................................................................
25
5.3 3GPP UE 无线资源管理测试方法
.........................................................................................................................
30
5.4 3GPP UE 解调测试方法
.........................................................................................................................................
32
6. 6G 测试技术展望
....................................................................................................................................................
33
6.1 6G 信道测量
...........................................................................................................................................................
33
6.1.1 6G 信道特点
...................................................................................................................................................
33
6.1.2 信道测量系统
.................................................................................................................................................
35
6.1.3 信道测量方法
.................................................................................................................................................
37
6.1.4 毫米波信道测量研究进展
.............................................................................................................................
40
6.2 太赫兹测试
.............................................................................................................................................................
43
6.3 超大规模 MIMO 与全数字多波束
........................................................................................................................
46
6.4 毫米波卫星通信测试简述
....................................................................................................................................
48
6.4.1 卫星通信
.........................................................................................................................................................
48
6.4.2 卫星通信系统测试
.........................................................................................................................................
50
7. 总结
..........................................................................................................................................................................
52
参考文献
............................................................................................................................................................................
52
缩略语
................................................................................................................................................................................
56
致谢
....................................................................................................................................................................................
58
5G/6G 毫米波测试技术白皮书
2
1. 背景
毫米波技术已在
5G
通信系统中应用,例如毫米波基站采用
Massive MIMO
技术来获得高
增益,以补偿高频引起的信号衰减;毫米波终端采用具有波束合成功能的毫米波模组,实现
空间角度上的覆盖。随着
5G
的大规模商业化,全球移动通信业界已开始筹划
6G
移动通信关
键技术的研究。其中,太赫兹技术、超大规模天线阵列、空天地一体化的卫星通信、全频谱
通信、人工智能等技术都有可能成为实现
6G
通信的关键技术。毫米波因其丰富的频谱资源,
必将在
6G
通信中继续扮演重要角色。
伴随着通信频率的升高,测试技术较以前也发生了翻天覆地的变化。通常测量
2G
、
3G
、
4G
系统,射频与天线有各自独立的指标体系和测量方法,可以分开测试、独立评估。射频指
标一般采用传导测试方法,通过线缆将被测射频组件的端口与仪器直接相连,测量精度主要
取决于仪器的性能;测量天线时,将天线的射频端口与仪器(例如矢量网络分析仪)相连,
进行驻波测量和暗室环境下的天线方向图的测量。在毫米波频段,天线单元与射频单元之间
的毫米波信号传输易受传输线长度、转接匹配等因素的影响,为了性能考虑,毫米波设备的
射频与天线将一体化设计制造,这就导致了天线和射频之间没有可以剥离的测试端口,连基
本的线缆连接都无法实现,天线和射频单元无法分开测试。这对测试原理与方法的提出了极
大的挑战。对此业界已经达成共识,空口(
Over-The-Air
,
OTA
)测试将成为
5G
毫米波系统
的主要测试形态,而测试对象将是一体化的毫米波多波束阵,而不是独立的射频和天线组件。
在此条件下,需要建立新的测试指标体系和评估方法。同时可以预见,
OTA
测试技术也将会
是
6G
通信设备的主要测试手段。
在毫米波测试进展方面,经过国内外相关标准推进组、运营商、设备商与高校近几年的
努力,毫米波设备的相关测试方法已逐渐明晰,相关测试指标也已逐步达成共识。
2020
年
7
月定稿的
3GPP R16
在
R15
的基础上,补充了毫米波基站、终端的测试方法和相关指标,对
于终端多天线性能的测试也形成了技术报告,为毫米波设备的测试认证提供了参考依据。虽
然毫米波设备的测试框架已逐渐明朗,但是仍有不少技术指标与测试方法还在研究讨论中,
尚未形成最终的技术规范,
3GPP R17
正对毫米波测试技术进行进一步的讨论。相较于
FR1
频段设备的测试,毫米波频段设备的测试由于其测试的复杂性,整体上仍然推进较为缓慢。
移动通信产业链基站、芯片、终端的研发、生产、验收等各环节都离不开测试仪器与测
试技术的支撑。测试技术的特点是交叉性强,跨学科、高性能、应用广。测试技术伴随着每
一代移动通信技术的演进,从 2G、3G 到 4G,系统的工作频段均在 6GHz 以下、信号带宽在
百兆以内,测试仪器的核心技术指标没有发生巨大的变化,测试技术和测试仪器并没有受到
太大挑战,甚至同一硬件平台进行软件升级就可以应对满足新一代的测试需求。但是在 5G
时代,由于带宽、通道数、频段都有了数量级的飞跃,测试技术的后向兼容性被打破了,测
试原理需要重新被探索,测试仪器性能需要极大地提升。
5G 毫米波给测试技术带来的巨大挑战主要体现在以下方面:
在系统通道校准方面,针对高达 256 通道以上的大规模天线和射频组件,如何进行合理
有效的校准是影响测试效果的前提,如何进行快速高效测试也是影响测试成本和效率的关键
问题。
在高频段的射频指标测试方面,5G 毫米波天线与收发信机(Tx/Rx)甚至数模/模数
(DAC/ADC)转换电路将一体化设计与加工,无法单独对射频前端进行测量。并且,射频电
路的带宽、噪声系数、灵敏度等诸多性能指标与天线的特性相互影响,难以单独评估。OTA
测试是主要的测试手段。但是,OTA 测试也面临着挑战。一方面,毫米波频率高,空间传输
损耗大,致使仪器接收到的待测信号功率较小,影响测试的精度。尤其是针对设备带外杂散
等指标测试时,往往较难准确捕捉到待测频率的信号。另一方面,大规模多波束天线阵在方
向图上,既非全向辐射也不是一个简单的定向波束,因此传统天线的增益、波束宽度等性能
指标已无法准确描述其行为特征。同时,传统通信系统中定义的部分系统指标,如最大辐射
功率等,在多波束条件下也需要重新定义。
在测试方法选择方面,针对射频指标测试的远场、近远场变换、紧缩场的方法各有利弊,
针对多天线性能测试的混响室法、两步法、多探头法在毫米波频段仍然存在巨大挑战,甚至
有的测试方法不适用毫米波设备的测试。
在测试平台的实现方面,大规模多通道和大带宽带来极大的数据流量,测试平台的数据
处理能力面临很大压力,需要在硬件和算法架构有新的突破。
总之,相比传统的天线与射频测试,5G 毫米波面临测试指标体系、测试原理与方法、测
试平台的重大变革。当前迫切需要研究此类基础性、先导性的科学问题,针对一体化毫米波
天线阵的行为特征,修正或构建新的参数定义与测试指标体系,探索科学的测试原理,研制
高效的测试平台。
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