技术专栏 | 5G OTA 的挑战与方案(上篇)

芯师爷2020-06-29 12:54:04

文章来源:是德科技

5G作为下一代移动通信的标准,行业内的标准化组织和厂商都在非常积极地推进5G的研发工作。

5G的目标是要提供和目前3G、4G完全不一样的用户体验,其中包含了我们在人群非常密集的区域依旧能保持一个高速的传输体验,还有低时延、高可靠性的通信。


ITU-R确定了5G的三大典型应用场景


为了使得网络能够达到这些典型场景的能力,我们需要一些新的技术来实现。新的技术,其中包括一些演进型的技术,目前LTE里在做的,Sub 6GHz、WiFi等无线网络的技术,频谱共存。

也有一些是革命性的技术。比如说使用毫米波频段的宽带通信来提高传输速率,也包括Massive MIMO大规模天线阵这样的技术。

在这里,我们会分为两期,和各位聊聊业界都非常关心的Massive MIMO技术和5G OTA测试方案。这个报告,包含了↘↘↘

1、Massive MIMO技术介绍
2、Massive MIMO系统架构
3、传导测试与OTA测试的区别
4、OTA测试环境-远场、近场以及紧缩场的各自优势和所面临的挑战
5、5G OTA生产测试方案的特点和挑战
6、是德科技应对5G OTA的测试方案



{  第一部分  }

 什么是Massive MIMO 技术? 


Massive MIMO大规模天线阵技术,主要是在基站侧使用了大量的天线,这个数量是远远大于在蜂窝网络中使用的终端天线的数目。该技术在5G中可以极大地提高频谱的利用效率,降低用户之间的干扰。


【小课堂】

Massive MIMO和Beamforming的关系

通常很多人会把Massive MIMO和Beamforming关联到一起。对此我们可以有一个简单的认知,如果都是在直达路径的情形,我们就能够使用Beamforming这样的技术,形成一个很窄的波束来服务于各个用户,来保证客户同时段、同频段来共享资源。


倘若是在多径的场景下,Massive MIMO技术的应用可以达到类似多个用户同时同频共享频谱资源的效果。关于Massive MIMO 大规模天线在数学理论上的进展,当我的天线数目非常大的时候,通过理论的推演,这时候用户的信道存在着正交性,对于多用户传输属于有利信道。满足这样的一个信道场景,我们就可以在用户之间同时共享频谱资源而不会出现干扰。

另外一个Massive MIMO所要考虑到的问题是,需要对信道进行估计来得到信道的状态。我们可以想象一下,在基站侧有很多天线,假如在天线端发射导频资源的话,会占用大量的信道资源。因此,大家更倾向于UE端发送导频信号,而BTS端来估计信道的状态,再利用信道的互易性来得到信道信息。因此,Massive MIMO 系统更喜欢用TDD的方式。Massive MIMO技术是结合了基带算法,多通道的射频前端,以及Massive MIMO阵列技术,来实现高容量、高可靠的通信,和支持多用户的同时传输的一项非常复杂的通信技术。


{  第二部分  }

 Massive MIMO系统的架构 


>>>复杂的Massive MIMO系统的架构

这里面包含了基带算法处理的部分,把基带的数据流映射到模拟端天线合并的部分。也包含数据从数字转化到模拟之后,然后把模拟信号进一步分配到天线阵列的部分。

 Massive MIMO Structure and Different Test Reference Points


所以,在这个系统中,我们就有多个参考点,不同的参考点可以去验证Massive MIMO系统的不同部分的功能和性能。

1、 我们可以在基带的处理单元之后,在数字到模拟转换的参考点上去验证基带数字信号处理的算法。
2、 我们可以在射频和天线连接的参考点之间去验证射频收发信机的性能;
3、 我们也可以在天线之后,用OTA的方式,去验证整个系统OTA的性能。



{  第三部分  }

 Massive MIMO系统测试的关键技术 

如同之前所说,整个Massive MIMO系统的性能 包括基带、射频和天线联合决定的。因此对于Massive MIMO系统的测试,我们认为有以下这些关键技术。

首先,在最前面提到过的,Massvie MIMO系统的一个假设,是用户之间的信道是正交的,或者有一个有利信道,所谓有利信道,就是用户之间所用信道之间的关联性越低越好,但是在实际的真实系统中,由于基站的天线不可能是无限个,同时由于真实场景的复杂性和多径的情况。真实的信道是否符合正交性,以及在多大程度上能满足正交性的要求,对Massive MIMO系统有非常大的影响。因此,在massvie mimo系统的测试中,对于信道的测量和仿真是非常关键的一个环节。

另外,我们可以看到在Massive MIMO系统里面,我们有基带部分、射频部分和天线部分。在系统性能验证中,对于不同部分的性能验证,就需要从不同的参考点进行。Massive MIMO的系统搭建是非常复杂的。通常情况下,做Massive MIMO算法研究的人,可能没有时间去搭建整个Massive MIMO的硬件系统。所以对于Massive MIMO的研发,提供相应的一个原型化平台,能够让设计系统各个不同部分的研发工程师,能够快速地搭建一个原型系统,来做整个系统的验证,也是一项非常关键的技术。


{  第四部分  }

 Massive MIMO系统测试的关键技术 

我们总结了刚才所说的这些需求,把Massive MIMO的测试需求分为三类。

>>> 第一类是设计和仿真的需求。

研发工程师需要有系统设计和仿真的方案。或者说利用已有的设备和算法,包括用户自己去快速搭建系统的需求。这些属于一类需求。

>>> 第二类是在Massvie MIMO 原型系统开发的过程中,射频的验证和测试需求,这里面包括:

一方面是对多通道射频的校准。

大家知道,Massive MIMO 系统是一个相参系统。如何去做多通道的相参校准是一个非常关键的要求。那么对于阵列设计的工程师,他对于无源阵列做测试的解决方案。当这个阵列和射频单元都集成到一起的时候,对于这个阶段的研发工程师,他需要对有源天线阵列的校准和射频指标测试的方案。这都是射频校准和测试的需求。

另一方面,当我们的有源天线阵列做好了之后,需要和基带集成在一起的时候,还需要涉及到对于系统功能和性能的验证方案。

这其中就包括如何对于整个系统在一个特定的信道场景下,去进行验证。这时候,我们一方面要对信道进行测量,需要建模和模拟这样的解决方案。另外,我们在实际测试里面,也需要对这个系统中不同方面的功能进行测试。比如说,在Massive MIMO中,Beamforming是一个很重要的能力,这个时候,Beam是否能动态地跟踪用户设备的移动,是不是能够发现用户,Beam动态的测试解决方案,是很关键的。

此外,刚才也提到,Massive MIMO是一个多用户的系统,多用户的系统的性能测试解决方案是非常关键的。

>>> 第三类是在Massive mimo的系统测试中,真实场景的测试和验证时非常重要的环节。

但是在真实的场景中进行测试有非常大的实际条件的限制,包括信道的不可控性,测试结果的不可重复性,还有测试的成本。如何能将这些测试在实验室中复现出来,这样的方案也是有需求的。

所以我们可以看到,对于Massive MIMO 系统的测试测量。我们有非常多的测试需求。这些需求,覆盖了产品整个研发的不同阶段。从研发到认证测试,再到产线测试,到最终的网络部署安装的测试。


{  第五部分  }

 Massive MIMO测试的挑战 

下面我们就来讨论一下,Massive MIMO系统的测量究竟有哪些挑战?刚才谈论的是需求,接下来是挑战。

 壹  对于测试测量的指标。目前面临的困难是这些测量的指标并没有完全得到定义。大家知道,3GPP在定义整个5G终端和基站测试测量的规范和指标。现阶段对于Massive MIMO系统,基站这一侧,它的测试测量的指标,该怎么去定义,标准化的过程还没有完成。

 贰  3GPP定义的是系统级的性能指标,对于真正做Massive MIMO系统开发的工程师而言,比如天线工程师,射频发射机的工程师而言。他们更关心的是这些部件的性能指标的要求。如何把系统级的性能指标,分解到对于天线阵列、射频发射机的要求,这部分在行业中是一个持续在研发和讨论的工作。另外,我们提到对于Massive MIMO的系统,我们需要把系统放在真实的场景下测试会遇到非常多的困难。如何把设备放在实验室里进行测量,是一个被大家所认可的方式。

但是,在实验室中测量的结果和在现实场景中测量的结果,它们之间会有什么样的关系。是不是实验室的测试结果和在真实场景中的测量结果有高度的相关性,实验室的测量性能表现好,实际中的表现也好,这也是目前的一个问题。

 叁  对于5G基站,对于基站而言,传统指标的测试,主要是依赖传导测试来进行。对于Massive MIMO系统,由于天线阵列是整个系统里非常关键的一部分,大家都比较倾向于使用OTA的方法,传统的传导测试的结果和OTA测试的方法的结果,它们之间是一个什么样的关系。这也是需要研究清楚的问题。

 肆  测试测量方法的困难。大家知道Massive MIMO的通道数远远大于传统的系统。我们从测试测量的角度出发,需要一个可以扩展的、低成本、测试速度又非常高的方案,来解决Massive MIMO测试系统效率的问题。另外,在Massive MIMO的系统中,天线阵列和功放往往集成在一起,系统在校准的时候,这些有源器件对于系统校准的影响应该怎么去考虑,这也是测试方法中需要解决的问题。

 伍  Massive MIMO系统由于天线阵列的影响非常大也很关键。对于高频段来说,实际上射频和天线阵列是集成在一起的,没有射频接口来做传导测试。所以OTA测试是行业中大家比较公认的一种比较主要的方式。但是对于如何使用OTA来进行5G基站射频指标的测试,这个里面还有很多需要解决的问题。另外,如何把真实场景在实验室中复现出来,来进行测试。

 陆  测试速度的问题。我们知道当我天线数目变得很多的时候,我使用Beamforming的时候,Beam会非常得窄。如果要进行OTA测试,如果我需要准确的测到这个Beam,我就需要测量空间的分辨率。这个对于测试速度带来了非常大的困难。当我们使用Massive MIMO阵列的时候,我可以灵活地把beam指到特定方向,同时在不同的方向上我们也都需要这样的测试。这个带来了一个更大的困难,庞大的测试量的问题。

 柒  测试接口的变化。之前提到,在Massive MIMO中,射频前端和天线的集成是一个趋势,尤其是毫米波频段,现在的天线和射频前端都直接集成在一起。那么,没有了我们传统的端口做传导测试,必须采用OTA的解决方案。另外一个变化是对于5G的基站,它的BBU和RRU之间的接口有了很大的变化。这些接口,也都是私有接口。对于测量来说,如果能够使用这些接口进行测量,对问题的解决肯定是非常有帮助的。但是我们不确定能否使用这个接口来进行测试。


{  第六部分  }

 Keysight在5G Massive MIMO OTA的方案 


首先是射频指标的测试,下图是我们的一个基本配置。大家可以看到,在这个测试系统中包括几个关键的部分。

之前我们提到过,OTA暗室的选择是一个非常重要的考量。Keysight会支持我们的客户,根据不同的需求,来选择不同的OTA暗室。第二部分是仪表,在OTA测试中,射频仪表的选择也是一个非常重要的考虑。这个测试系统究竟是只需要支持Sub 6GHz,还是说要兼顾mmWave频段测试的需求,那么在这方面Keysight都提供了多种不同的仪表来供选择。另外一部分,是测试系统中的自动化软件。在整个OTA测试系统中,我们需要解决待测件的射频校准问题,需要解决测试自动化的问题,需要解决射频指标测试中信号的生成和分析问题。Keysight也提供了多种不同的软件,并且和OTA测试自动化软件集成在了一起。

针对系统校准和整个链路预算方面的考虑,在这部分我们的基本结论是,系统的集成和优化是整个测试系统的一个关键。整个测试方法和校准方法。在这一块,Keysight非常愿意和大家来讨论具体的需求,并为大家提供优化的解决方案。




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