5G无线测试：新加的测试内容

MIMO从LTE到5G有所不同，加上5G增加了毫米波频率和波束控制。两种力都会在仿真通道中发生变化。

作为改善通信质量和可靠性的技术，多输入/多输出（MIMO）传输在4G无线网络中得到了重视。MIMO在基站和用户设备（UE）上都使用多个相关天线，以提高两个方向上的用户数据吞吐量。

5G通过在较低频率下引入高阶MIMO和在较高频率下在天线阵列中进行波束成形，将MIMO提升到一个新的水平。测试这些加强的功能对于5G的核心参数来说至关重要-带宽，速度和吞吐量的提高。

首次同时引入空中传送（OTA）和LTE，是一种以可重复的系统方式测试设备性能和可靠性的方法。OTA测试包括将设备放在室内（图1）并测试其组成部件-包括天线，RF前端和基带。

图1.空中5G无线电测试需要使用一个腔室，以将被测设备与外界信号和干扰隔离开。

OTA测试是全方位的，将设备视为一个复合单元。相比之下，传统的子系统测试仅考虑有限的独立单元，例如基带和RF信号。OTA测试需要考虑多径效应和设备的工作条件。

使用MIMO的设备的OTA测试将标准OTA与实际操作条件相结合，以对设备性能进行严格的评估。实际操作条件至关重要。毕竟，这是UE必须执行的任务-不是在实验室中，而是在用户的实际环境中。

这些现实条件可能差异很大。例如，在人口稠密的城市地区，难以维持视线，并且信号会从许多表面反射出来。农村环境提供的保护很少。室内办公室和家庭环境通常意味着墙壁上的信号阻塞很大。有效的MIMO OTA测试可以对这些条件进行建模，并以可重复和系统的方式呈现出来。

与LTE相比，随着5G复杂性的增加，也增加了MIMO OTA测试的难度。大规模MIMO和波束成形技术进一步使操作复杂化。图2显示了具有64 + 64个天线元件的具有波束形成能力的天线阵列。

图2.此可视化显示了具有64×64个天线元件的具有波束成形能力的天线阵列的辐射方向图。

对MIMO OTA的进一步研究

所有主要标准（例如3GPP）和移动网络运营商都要求对用户和网络设备进行MIMO OTA测试。MIMO OTA测试以UE和基站为作为特征，均配备了MIMO技术。UE从基站接收视线传输和反射信号。OTA测试涉及以下步骤：

1.隔离被测设备（DUT）– UE –和基站。

2.在两者之间创建一个通道模型（包含所有反射的模型）。信道模型估计多个部分之间的延迟，信号被发送和接收的角度以及不同的路径损耗分量。信道模型除其他参数外，还取决于频率，并且取决于一个人在哪个频率范围内工作。信道仿真器是一种实验室仪器，可重新创建设备在其下工作的无线电条件。

3.用网络仿真器替换基站，以创建具有一组定义的参数的可重复小区信号。

最终，通道仿真器，网络仿真器和多探头微波暗室以原始设置将信号提供给DUT。腔室有助于隔离DUT并感知信号。这些设备一起构成了MIMO OTA设备评估的可重复环境。

功率延迟曲线

无线电信道模型是具有反射，延迟和路径损耗的环境的重建。简而言之，具有相似特性的反射信号被采集为一类，并且每个类具有特定的时间和方向。图3显示了在等效各向同性辐射功率（EIRP）中对发射波束强度进行OTA测量的3D图形表示。

图3. 3D图显示了以等效各向同性辐射功率（EIRP）测量的发射束强度。

在图3中，方向是指离开角度和到达角度。由于路径损耗，反射信号在不同的时间到达并以不同的功率电平进入。该具有延迟的功率分布图称为功率延迟分布图，它作为时间的函数映射到腔室中。总之，将此模型映射到腔室中会以不同的功率和时间呈现信号，即功率和延迟。太空中的不同动作会重新创建实验室内的无线电条件。

拥有信道仿真器和一组探针以使用无线电信道条件执行设备评估至关重要。

MIMO OTA标准

对于5G频率范围1（FR1），3GPP要求使用16个探头和120 cm范围长度的MIMO OTA设置。该结构与LTE MIMO的设置类似，尽管它在某些关键方面有所不同。

首先是频率覆盖。在LTE中，大多数测试是在2.7 GHz以下进行的。如今，借助5G新无线电（NR），该频率范围可扩展到7.2 GHz。随着频率的增加，针对FR1的MIMO OTA测试还使用了不同的信道模型。LTE具有最多包含六个延迟集群的城市宏和城市微通道模型。3GPP在5G信道模型上的规范38.901指定了具有24个群集的城市宏和城市微集群延迟线（CDL）信道模型，因此它们本质上是不同的模型。

另一个重要变化是MIMO阶数。即使4×4 MIMO天线配置支持LTE，用于OTA的MIMO OTA测试规范也定义了2×2 MIMO配置的测试。相比之下，对于5G NR，MIMO阶数具有4×4 MIMO的应用潜力。

LTE和FR1 MIMO OTA测试之间的另一个有意义的变化是基站天线配置。LTE基站利用专用的交叉极化偶极天线。但是5G基站上的天线配置要复杂得多。首先，5G大规模MIMO引入了波束成形和波束控制的概念，以及用于选择两个最强波束的密码本。在LTE中，这都不存在。

最终，LTE仅使用了在腔室内实现的八个双极化探头。但是5G FR1使用16个探针。这意味着在腔室基础结构保持不变的情况下，探针的数量增加了一倍。测试仍然是二维的，但是信道模型，MIMO阶数和基站天线配置发生了重大变化。这些更改需要新的通道仿真器以及新的通道模型。

FR2 MIMO OTA的一些工作还在研究中

尽管FR1的MIMO OTA测试与LTE的MIMO OTA测试相似，但针对5G频率范围2（FR2）的MIMO OTA测试没有参考依据。FR2测试是全新的，需要新的假设才能得出新的系统定义。

FR2的信道模型也取自3GPP 38.901。它们包括城市微通道模型和室内办公室通道模式。两者均具有均方根微延迟扩展-在城市微通道模型中为60 ns，在室内办公室中为30 ns。

FR2测试的基站具有一个8×16天线阵列，用于总共128个固定波束。测试设置包括用于FR2 MIMO OTA测试的六个探头，实际的探头位置尚待确定。

FR2的MIMO OTA测试的其他方面也尚未确定。但是，基本假设已经到位，并且有一些建议可以推动系统设计向前发展。有明确的路径来确定下一步。

MIMO OTA的目标是什么

最终，5G MIMO OTA测试的最关键方面是获得可靠且一致的结果。要做到这一点，至关重要的一点是要长期保持和在两次重启之间保持低的测量不确定度，仪器线性度和相位稳定性。

5G MIMO OTA测试使用统计上正确的方法获得快速测试结果和设备排名也至关重要。

最后，5G MIMO OTA必须发展为通过全天候测试，降低的校准要求，高相位稳定性和快速支持来提供更高的可用性和稳定性。