中国信通院张翔:全面创新的5G射频和性能测试解决方案
发布时间:2019-08-28 13:28

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大家下午好!我给大家今天演讲的题目是创新与引领,5G射频和性能测试。

上午王院长的演讲中已经把整体进展作了详细介绍,今天下午我的汇报主要是面向两个方面,主要是面向基站和终端的射频和性能测试。

针对基站整个射频测试,现在分为sub 6G毫米波,sub 6GHz我们采用两种创新方案,毫米波也采用两种创新方案,后面会详细介绍。

为什么传统测试采用传导测试方式,现在大家都在说OTA,翻译成中文就是空口,为什么这么测。我本人也是做测试的,上午很多厂家都在介绍massive MIMO,massive MIMO能够提升传输速率,但是它对测试工程师是一个恶梦,64个通道,我们把64根线全部拧好一个小时过去了,发现有问题再拆掉一个小时又过去了,发现一个上午什么都没干,就拧线了。到毫米波的时候想拧线都不行了,我们现在没有办法做任何传导测试了,所以未来测试走向OTA是一个必然趋势。

回顾一下3GPP有哪些方案,现在一共有4种方案,远场、近场、紧缩场和动态赋形紧缩场。

第一种,远场,我们要建一个房子,70乘35米乘35这么大的房子,整个的花消和成本是非常巨大的。同时因为测试距离大,做通讯的人都知道路损大,测小信号的时候会有很大的问题。

第二种方案是紧缩场,传统是用来测雷达反射截面,也是军用用途的。现在用到民用用途里面,对于测试的要求也有一些问题,它要求恒温恒湿,测基站需要高温高湿的环境,这两个环境是违背的,同时对场地建设也有很高的要求,比如地基的铺设,防震的处理等等。

传统用的天线测试是近场方案,也没法做5G的有源测试,比如EVM和杂散测试都是有一些问题。

近期我们跟国内厂家一同研发的动态赋形紧缩场,主要是针对sub 6GHz。不光是场地的问题,也有测试方法的问题,整个测试方法里面最大的问题是场地众多,方案众多,测同一个设备可能会面临着测出来比较大的不确定度,基站厂家的设备拿出来同一款东西到不同的测试场用出来的方案测出来的数据有很大的差别,我们判断谁是对的谁是不对的,也会面临相应比较大的问题。

我们的选择是,在sub 6GHz选择一个标杆场,我们与国内领先大学____合作,选择一个领先的反射面,这个反射面能做2.4米的被测件,现在基站只有一米长半米宽的程度,但是现在可以做到2.4米的测试,而且指标是全面优于3GPP的指标要求的,同时与测试厂家进行了多轮的测试验证。

反射面只是一个铝做的反射板和碳纤维的反射板,这个反射板并不是测试的核心,测试的核心是软件,怎么控制反射面、转台、仪表做成一个自动化的测试,因为这个测试量是非常大的,做几年也做不了一款基站的测试,我们信通院也自主开发了一个反射面,可以支持3GPP所有的射频标的测试,可以支持CCSA所有要求的基站的相关要求,也支持国内三大运营商的测试企标的要求,另外支持国内所有主流的射频类仪表,也有转台的接口协议,打一个比方要测一个手机的功率,要测一个环状需要转一圈,大家知道360度,要以0.1度的精度,用90秒的时间就完成了,也是目前最高的测试效率。

完成了自动化的测试,数据可能有几十个G。这样一个测试数据去分析也是很麻烦的,传统的如果靠手动一条一条分析,也需要花很长时间,我们同样也开发了自动化的分析软件,对相应的测试数据进行自动化的全自动分析,可以支持运营商各种定制化的要求。为了降低各个测试场和测试结果的不确定度,也为了支持整个产业的发展,信通院也愿意将这个分析软件免费向业界进行开放。

基站厂家其实也谈论到在国内做这样一个大场是一个花费很巨大的投入,如果测试一个众多厂家的基站设备,还有什么好的方式呢,在 sub 6GHz我们同样研发了一个低成本解决方案,叫做动态赋形紧缩场,用一个更大的阵列反向赋形基站,从去年到今年完成500多个基站,已经具备了入网条件。

这是目前整个测试指标,可以覆盖现在重点的2.6GHz、3.5 GHz、4.9 GHz的主流频段,也支持所有指标的测试验证。

这里可以重点强调的指标是这个暗室有多大,远厂需要70米,我们现场只有5米长,4米宽,3米高的场地,用一个办公楼就可以放得下。

这是目前测试结果的一个总结,经过前期整个基站的射频指标测试进行多轮迭代,目前基站厂家测试结果已经非常良好,工作带宽、阵子数、通道数都满足了运营商的要求,最大的EIRP就是波束的波间功率已经大于77dBm的数值,可以满足5G低频段一个很好的覆盖。

这里梳理了一下信通院目前对3GPP测试的一个支持情况,无论是紧缩场还是动态赋形紧缩场,都可以支持所有带内带外指标的测试,但是目前有些测试指标受到一些限制,也是因为路损引起的小信号的测量,国内国外我们正在寻找相应的器件,实现全部指标的精确覆盖。

基站刚才说到 sub 6GHz,毫米波基站怎么测。刚才说到大型紧缩场从sub 6GHz从几百M一直到1.6G,为什么不用那个做测试。有两个原因,第一个是那么大的紧缩场太贵了,有点大炮打蚊子的意思。第二个,越大的场地路损越大,所有的小信息都会受限。针对目前基站各个尺寸和相应要求,我们也做了一个小型紧缩场方案,已经完成两个厂家毫米波基站的测试验证,可以实现所有带外和带内关键指标的测试验证,而且所有测试指标符合3GPP要求,不确定度大大满足于3GPP的要求。

特别是毫米波的带宽很高,带内400M、800M,带外可能上G了,针对带外进行了相应的优化,这些优化使得我们实现业内最高的测试效率,即使现在的测试效率下,我们100小时不间断的测试效率,目前只能完成3GPP四分之一的测试例覆盖,整个业界还需要共同努力进一步提升整个测试效率,支持毫米波产业的发展。

这是毫米波目前的一个测试结果,大家可能听得多sub 6GHz 64通道,128天线,512天线,现在测试结果已经可以测到4通道不少于512阵子的测试,做到60dBm的EIRP。

这是梳理了一下毫米波跟3GPP的对应情况,功能上全部覆盖了所有毫米波的测试进展。虽然毫米波商用还需要一段时间,但是现在信通院已经具备了毫米波的测试能力。

测完了基础的射频,需要测基站的性能,为什么要做基站性能测试,刚刚终端同事也提到了,最后无论是基站还是手机都要放在实际外场用,实际的传播环境用。实际传播环境会对无线信号有遮挡、衰减,这些遮挡和衰减的效果不能只依赖于室外,需要在室内去做相应的测试验证,在室内去做相应的测试验证它的性能好坏。

从2017年到现在经历了接近三年时间,也完成了三种测试方案的一个统一,也提出了全新的基于球面探头墙的OTA测试方式,完成了三家系统厂商的方案验证。

经过几轮的迭代,目前基站厂家在低速情况下吞吐量效果其实是符合理论预期的,仿真结果是依据3GPP信道建模再加上链路级仿真给出的,通过的标准希望达到仿真值的70%,目前来看三家结果远高于目前仿真值的70%。

但是目前有几个问题,第一个问题就是高速,5G要求500公里每小时,可能现在120、300或者更高移动速率的测试仍比较困难。这是第一个问题。

第二个问题,大家在理解4G传播的时候,我们认为有的时候能够看到这个时候性能是最好的,但是5G为了打出多流的效果,可能利用一些反射体降低相关性,实现比较好的多流复用。

另外在测试过程中也发现,在测用户真正在移动的时候,基站的波束也应该跟着用户走。在跟踪能力上,各个厂家的基站能力还是有细微差别的。

刚刚说的sub 6GHz的性能测试已经完成,毫米波的性能测试预计会在明年年初具备测试条件,这个难度相当大。因为现在别说在产业界,在学术界连怎么测,以什么依据建这个场都没有讨论清楚,IEEE没有讨论清楚,论文没有讨论清楚,我们就要做相应的测试验证,这个也面临巨大的问题,包括算法问题、环境问题、仪表器件的问题。但是我们将努力克服上述问题,在明年年初具备相应测试能力。

下面看一下终端的测试能力。终端的Sub 6GHz测试我们认为和现在的4G测试并没有太大的区别,这里不再做赘述。

我们认为到毫米波的终端测试会有一个比较大的变革。

首先要测毫米波的射频指标,目前看大家基本上都统一到了紧缩场的测试方案,也针对了领先厂家的芯片和终端进行了相应的先期验证,也发现了一些终端小的问题。这是紧缩场,现在已经具备了相应基站终端毫米波测试能力。

终端还有一个非常重要的在毫米波的技术叫做波束跟踪,原来基站终端在走,基站的波束在跟着终端走,现在终端在走,终端的波束也要跟着基站,我们怎么看终端的赋形能力,我们也做了一个波束跟踪测试系统,一个球面的测试系统,近期会向产业界发布。

终端的性能我们认为未来也是很大的问题,刚才像VIVO秦总也讲到了,5G虽然号称能够测到1点几个G的速率,但是在外场的性能问题也是很大的,怎么在实验室预先验证,这需要产业界共同努力。

我们认为在手机上的挑战是比较巨大的,主要是四方面的挑战。

第一方面是下行4天线,4天线手机很早就发布了,像三星早期的L系列的手机都支持4天线,但是原来4天线的用法是用在分级,也就是两流,用4天线接收,其实只能在差点能够看出4天线的好坏,好点看不出来。

现在5G上来就要接收四流,同时接收,如果手机的天线做得不好,会发现大家的差别非常大。

第二个是传统手机上行是单发的,现在手机要变成双发,如果两个同时发送,互相之间的干扰是非常严重的,怎么预先测试出来这个干扰也是相应的问题。

第三个是波束,传统只有数据波束,现在广播包括参考信号都有波束,测量怎么走,还有5G和4G的互操作怎么做。我们回顾一下现在的MIMO数据怎么走,因为它只支持下行,不支持上行,5G的massive MIMO现在支持不了。

我们现在提供了相应的测试解决方案,目前信通院具备了整个5G的端到端的OTA测试解决能力,我们利用真实的基站,利用信道模拟运维,我们可以做到上下行完全互异的信道。上午韦总也讲了,上行可能要测3M,我们在实验室已经打通10几M的测试,传统的MIMO OTA系统是不能做到这样的能力。

同时我们也有波束跟踪、波束扫描等的能力,所有基站的功能可以在OTA的情况下为终端提供。

刚刚的测试够了吗,其实远远不够,因为传统的信道建模其实有很大问题,它是做了很多的测量,测量之后再把相应的进行数学的一个建模,它肯定会丢失很多数据的信息,其实我们手机在优化的后期问题往往是信道建模中忽略掉的个别现象,个别现象其实对后来手机的优化更重要。

信通院提供了完整的一个外场整体环境路测的能力,可以搬到室内,并且在OTA环境进行释放。打一个比方,我们可以精确模拟一个手机在长安街上运动的传播环境,只要事先录制回来,你的手机直接在我的暗室内里面进行测试,把2G、3G、4G和未来的5G手机信号全部搬到室内,你的手机会看到多模环境,在室内做到一个精确的端到端的性能验证。

我的讲解就到这儿,谢谢大家!