5G無線通信終端空中接口測試研究
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摘要：移動通信系統(tǒng)中，空中接口的性能測試至關重要。只有測試指標滿足量產(chǎn)標準，相關的產(chǎn)品才能投入使用。在5g商業(yè)化的道路上，空中接口的協(xié)議完善是一項重要工作。它將規(guī)定5G無線通信的具體標準，設置5G產(chǎn)品的準入門檻。因此，從當前熱議的5G領域出發(fā)，分析了5G無線通信終端空中接口性能測試的要點。
關鍵詞：5G；空中接口；通信終端
引言
通信系統(tǒng)包含有線通信和無線通信兩大類。有線通信的載體是有形的線纜，而無線通信的載體是無形的電磁波。有線通信和無線通信有著各自的協(xié)議規(guī)范，定義了移動終端和基站之間的通信規(guī)則。信息化時代移，動通信技術已發(fā)展到第五代，也就是人們常說的5G。5G將采用全新的組網(wǎng)架構(gòu)模式，如圖1所示，提供了兩種架構(gòu)圖[1]。在全新的架構(gòu)下，移動終端和基站之間的通信協(xié)議需要重新制定。因此，5G無線通信終端空中接口性能的測試也是開發(fā)者和企業(yè)一直研究探討的話題。
1空中接口的定義與架構(gòu)
空中接口（Over-The-Air，OTA）是一個定義化概念，是相對于有線通信中的線路接口來說的，沒有實體。在有線通信系統(tǒng)中，線路接口對物理尺寸、電信號以及光信號的規(guī)范進行定義。在無線通信系統(tǒng)中，空中接口則對終端設備和基站之間的電磁波連接技術規(guī)范進行定義。空中接口存在的意義是使無線通信和有線通信一樣標準且可靠。空中接口是移動通信的關鍵模塊，指的是用戶終端接入無線網(wǎng)絡的接口?？罩薪涌谑腔竞鸵苿与娫捴g的無線傳輸規(guī)范，定義每個無線信道的使用頻率、帶寬、接入時機、編碼方法以及越區(qū)切換。在GSM/UMTS中，各種形式的UTRA標準便是空中接口，也就是一種接入模式AccessModes?？罩薪涌诘募軜?gòu)是維持通信系統(tǒng)穩(wěn)定運行的核心，主要包含天線配置、信號調(diào)制以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g?？罩薪涌诘姆謱又饕ㄎ锢韺印?shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層，且更多傾向于物理層。物理層是無線通信系統(tǒng)的基礎，也是其中最重要的一層，而控制接口的標準也主要集中在物理層。數(shù)據(jù)鏈路層則同時處于用戶平面和控制平面，在用戶平面負責數(shù)據(jù)傳輸和加密，在控制平面負責無線承載信令的傳輸、加密和完整性保護。網(wǎng)絡層則主要是控制無線傳輸資源，負責整個移動通信系統(tǒng)的空中接口資源的規(guī)劃和調(diào)度，以確保系統(tǒng)的覆蓋、容量和QoS。
2空中接口測試標準的發(fā)展
國外的空中接口測試標準主要由標準組織來完成指定，如第三代合作伙伴計劃（3GPP）和美國無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會（CTIA）[2]。美國無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會是最早制定關于空中接口測試標準的組織之一，制定的《TestPlanforMobileStationOvertheAirPerformance》和《TestPlanfor2×2DownlinkMIMOandTransmitDiversityOvertheAirPerformance》都是強制性的空中接口測試標準。前者主要針對單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)，后者則主要針對多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)。國內(nèi)的空中接口測試標準是由中國通信標準化協(xié)會Over-The-Air（OTA）TestfortheFifthGenerationWirelessCommunication（CCSA）負責完成制定的。CCSA制定相應的無線測試標準對無線資源的使用和無線設備的性能指標進行調(diào)控，保障電磁環(huán)境和通信的安全性。國內(nèi)的空中接口測試的標準還有多個研究院和企業(yè)單位參與完成，主要包括工業(yè)和信息化部電信研究院、華為技術有限公司、中興通訊股份有限公司、中國移動通信集團公司以及深圳市通用測試系統(tǒng)有限公司（GTS）等。
35G無線通信終端空中接口性能測試方式
3.1SISO測試
SISO是SingleInputSingleOutput的縮寫，即單輸入單輸出，是傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的顯著特點是發(fā)射天線和接收天線均為一根，模式如圖2所示。OTA是OverTheAir的縮寫，中文名稱為空中下載技術。OTA是一種通過移動通信的空中接口實現(xiàn)對終端設備進行遠程管理的技術。目前的SISO測試指的是SISOOTA，包含總輻射功率測試和總接收靈敏度測試兩部分。無線行業(yè)的認證標準要求所有的入網(wǎng)無線設備必須通過總輻射功率測試和總接收靈敏度測試。然而，這兩種測試的環(huán)境要求很高，導致實際工作中設備測試與認證的周期很長，加大了企業(yè)的人力成本和設備成本。標準測試方式和備用測試方式均可以得出結(jié)果，而備用測試方式更快速高效，卻無法保證測試結(jié)果的準確性。因此，研發(fā)人員創(chuàng)造出了一些新型測試方式來同時滿足快速性和準確性的要求，如快速OTA測試方法、收發(fā)同頻的測試方法等，均可有效縮短測試時間并保證精度。這些方法已經(jīng)開始在移動通信行業(yè)使用，未來也會在5G領域普及。
3.2MIMO測試
MIMO是MultipleInputMultipleOutput的縮寫，即多輸入多輸出。這個系統(tǒng)采用多重天線進行同步傳送數(shù)據(jù)，并使用多重天線進行數(shù)據(jù)接收，模式如圖3所示。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，為了避免不同信號間的干擾，它們的傳播路徑各不相同，導致到達接收天線的時間存在差異，需要利用DSP重新計算接收數(shù)據(jù)來得到正確的數(shù)據(jù)流。MIMO技術在4G中已經(jīng)得到了廣泛應用，也將在5G中被應用于無線終端和基站。MIMO測試是對無線終端的射頻特性進行測量，在特定條件檢測并判斷設備的通信速率。特定條件指的是不同環(huán)境下的通信數(shù)據(jù)模型。這些數(shù)據(jù)模型包含了很多無線設備使用情況的模擬，因此可以真實反映無線設備MIMO的使用情況。在標準MIMO測試文件中明確指出將吞吐量作為判斷的關鍵。受國際認可的測試方法主要有混響暗室法、多探頭法和輻射兩步法[3]?；祉懓凳曳ㄊ鞘褂貌痪邆湮ú牧系钠帘蜗錅y試設備，系統(tǒng)簡單，成本低，但是受限大，無法測量很多特定場景。多探頭法則是利用多種環(huán)繞式天線和信道模擬器測試設備，方法簡單有效，但成本高，工作難度大。輻射兩步法是把被測設備的天線方向圖和傳播信道模型融合，用模擬器將融合信號進行計算并傳輸?shù)浇邮諜C。這種方法測試結(jié)果與多探頭法接近，且成本較低。對比上述3種方法，輻射兩步法的應用性價比最高，且能分開測試天線性能和接收機輻射靈敏度。
3.3容量測試
無線通信系統(tǒng)構(gòu)成復雜，包含很多組成部分，且數(shù)據(jù)吞吐量龐大，需要對其進行容量測試。容量測試是整個空中接口性能測試最重要的部分，因為它直接決定了通信設備可實際應用的場景。需求確認后，開始對設備進行相關的性能測試和容量測試。測試的目的是保障網(wǎng)絡的最大效率，獲取最大的比特傳輸量信息。隨著區(qū)域內(nèi)用戶數(shù)量和傳輸數(shù)據(jù)容量的不斷增加，需要不停優(yōu)化通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能，還需要使用專業(yè)設備實時監(jiān)測并合理調(diào)節(jié)容量。
45G空中接口測試面臨的挑戰(zhàn)
5G相比較于4G，有著更高的頻率和更高的帶寬。因此，它的發(fā)射及接收天線數(shù)量成倍增加，波束賦形工作模式更加復雜。5G無線通信中，空中接口測試面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾個方面[4]。（1）更大的微波暗室。為了滿足5G無線產(chǎn)品的遠場測試，微波暗室的大小要達到幾十米甚至上百米。這樣的測試環(huán)境造價高，且實現(xiàn)困難。（2）更大的路徑損耗。5G的高頻特性勢必會帶來更大的路徑損耗。在5G的工作頻率下，幾十米的測試距離引起的路徑損耗會給空中接口的測試帶來極大挑戰(zhàn)。（3）更復雜的測試系統(tǒng)。因為5G基站的天線陣列是由成百上千個單元天線組成的，空中接口測試要對每一個天線都進行精確的3D方向測試，所以測試系統(tǒng)的復雜度會呈幾何倍增加。（4）更長的測試時間。5G應用中，天線大多是波束賦形工況，而其具體的工作模式不可枚舉。要想完整評估所有條件下的工作情況，需要耗費的測試時間會非常長。
5結(jié)論
5G已經(jīng)獲得了商業(yè)許可，各大通信運營商積極建設5G通信系統(tǒng)，5G相關的接口協(xié)議與測試規(guī)范也在同步確立并投入使用。無線通信作為5G中的重要部分，必將在未來各大領域大放異彩，而終端空中接口性能測試則是其開拓前路的可靠保證。
參考文獻：
[1]邱新平.面向5G無線通信系統(tǒng)的關鍵技術探討[J].中外企業(yè)家，2020，（9）：143.
[2]熊波.5G移動通信技術在電力通信系統(tǒng)的應用研究[J].通信電源技術，2020，37（4）：178-179.
[3]張長青.TD-LTE空中接口的技術分析[J].移動通信，2013，37（14）：31-36.
[4]陳長猛，曾維軍.LTE空中接口在衛(wèi)星通信中的適用性[J].無線通信技術，2011，20（4）：20-23，27.
作者：李登國 單位：玉樹州無線電監(jiān)測站