一. 5G 概述

  随着移动通信系统带宽和能力的增加，面向个人和行业的移动应用快速发展。移动互联网和物联网的快速发展，成为 5G 的主要驱动力。面向 2020 年及未来，超高清、3D 和浸入式视频的流行，将会驱动数据速率大幅提升，同时用户还希望能够在体育场、演唱会等超密集场所，高铁、车载、地铁等高速移动环境下也能够获得一致的业务体验；物联网的广泛应用，智能家居、智能电网、视频监控、移动医疗、车联网等应用对移动通信技术提出了更严格的低延时、高可靠性、大容量等需求。在新一代移动通信网络中，能耗、每比特成本、部署和维护的复杂度等可持续发展要求也进一步加强。目前从 5G 标准化进程来看, 3GPP 第一个 5G 版本 Rel.15 已经于 2017 年 12 月份正式冻结,也就是NSA(非独立组网)核心标准已经冻结，并于 2018 年 6 月完成 SA(独立组网)规范，5G 关键技术主要包括以下四个方面：

1, 毫米波 

   所谓毫米波，即波长范围 10 到 1 毫米之间，也就是频率在 30GHz 到 300GHz 之间的无线电波。传统的移动通信工作频段主要集中在 3GHz 以下，使得频谱资源已经十分拥挤，而在高频段可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状，同时也可以实现高速短距离通信，支持 5G 容量和传输速率等方面的需求。不过毫米波频段传输存在着传输距离短、穿透力和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点，如果真正想要在毫米波频段实现 5G 的各种业务，还有待进一步研究和解决这些问题。

2, 大规模 MIMO 技术 

        MIMO 技术已经广泛应用于 LTE，WLAN 等技术上面，理论上，天线越多，频谱效率和传输可靠性就越高。作为近年来备受关注的技术之一，多天线技术经历了从无源到有源，从二维到三维（3D），从高阶MIMO 到大规模天线阵列的发展，将有望实现频谱效率提升至十倍甚至更高，是目前 5G 技术重要的研究方向之一。

3, 高带宽传输 

   根据香农定律可知，信道容量与带宽和信噪比成正比，为了满足 5G 网络 Gbps 级的数据速率，需要更大的带宽。频率越高，带宽就越大，信道容量也就越高，因此，高频段连续带宽将成为 5G 的主流选择。配合一些有效的提升频谱效率技术，比如大规模 MIMO 等，在高带宽模式下可以很容易实现 10Gbps 的传输速率。

4, 新型空中接口技术 

   为了进一步的提高频谱利用率以及应用的灵活性，3GPP Release 15 定义了新型的 5G NR 空口技术规范，新的空口技术规范包括新型编码技术和新型参数集和帧结构。新型编码技术，目前 3GPP 会议确定在增强移动宽带场景（eMBB）中的数据信道使用 LDPC 编码技术，控制信道使用 Polar 编码技术；提到新型参数集和帧结构，为了应对不同频段和场景，在 5G 系统中规定以 15KHz 为基础子载波间隔，可以将子载波间隔配置为 15*2^n KHz。同时，系统还需要支持灵活的帧结构设计，帧结构灵活配置，以支持上下行业务速率不同需求的场景。

   罗德与施瓦茨公司提供了 5G 几乎所有相关的测试解决方案，如下图所示，包括了宽带和毫米波矢量信号产生和分析、空中信道衰落特性测试、毫米波元器件测试、5G NR 信号产生和分析、Massive MIMO 传导和 OTA 测试、以及基站和终端测试等各个方向。

二. 自定义非标 OFDM 信号产生和分析

   在5GNR 标准未冻结之前，基站和终端芯片厂商都在研究自定义的 5G 新波形和多址方案，由于这一类的研究活动保密性较强，很少有公开文档来描述信号详细特征，并且过程中参数随时可能变化，具有很大的不确定性。这就要求信号源和频谱仪能够支持自定义的 OFDM 信号产生和分析，并且能够灵活地适配各种 OFDM 参数设置。

   自定义 OFDM 信号分析软件(VSE-K96)支持客户自定义子载波间隔、循环前缀长度、帧结构、参数集、调制方式等，按照被测信号形式生成配置文件，对被测信号进行解调和分析。

     VSE-K96 软件中可以在以时频域为基础，显示被测信号在时频域的资源分布，占用的子载波和时域符号，并且以不同颜色区分不同信号类型，帧结构解析示意图如下：

    同时针对 5G 系统采用的新型多址接入技术和新型编码技术，基于 R&S 公司的后处理软件也可以在解调分析的基础上进一步进行解码功能测试，示意图如下：

三. 3GPP 标准的 5G NR 信号产生和分析

   3GPP NSA 的 L1/L2 规范已于 2017 年底正式冻结，罗德与施瓦茨公司随之于 2018 年初提供完全符合3GPP 标准的信号产生和解调选件 SMW-K144 和 FSW-K144/K145，支持 Sub6G 和毫米波，支持协议中定义的各种带宽和参数集配置，满足 5GNR 发射机和接收机测试，以及像功放和终端 RFIC 研发测试需求。

    SMW 的 5GNR 选件 SMW-K144 提供了实时信号生成能力，无需通过电脑事先生成波形文件导入信号源，所有设置操作都可在带触摸屏的 SMW 上完成，另外频谱仪 FSW 的 5GNR 解调软件 K144/K145 其界面风格和 4G LTE 相近，给 5G 研发工作带来了极大的方便性。

四. 有源天线系统的 OTA 测试

   5G 的空分复用为多个用户提供数据，称 将使用多天线技术，通过结合增强为大规模 MIMO。一个结论是不能采用传导方式评估辐射方向图性能，因此必需通过 OTA 方式。本文在介绍使用 OTA 测试设备测量天线三维方向图的技术要点之后，介绍 OTA 的具体测试方案。

   5G 在获得更低运营成本（ OPEX）的同时确保更高的吞吐率、更多的容量和实现的灵活性。其它目标包括超可靠低延迟通信（uRLLC）和大规模机器类通信（mMTC）。软件定义网络（SDN）和大规模MIMO 多天线场景很可能是实现这些目标的技术选择。

   为了获得更高的吞吐率必须有更宽的带宽支撑， 5G 系统将使用厘米波和毫米波范围的频率。这种方案的一个缺点是自由空间路径损耗将更大。提供更高天线增益的天线阵列可以补偿自由空间路径损耗。与900MHz 相比，为了在 28GHz 频率上保持相同的接收功率，意味着天线增益要增加 30dB。使用大量天线单元并控制能量方向，这被称作波束赋形，可以实现这个目标。

   波束赋形技术通过分配给每个用户设备（UE）的信号只瞄准相应的单个用户设备，显著降低了能量消耗。而没有使用波束赋形的基站，未被 UE 接收的能量可能对相邻的多个 UE 产生干扰，或者被直接丢弃。诸如 LTE 或 WLAN 等的当前标准采用 MIMO，通过空分复用获得较高容量。多用户 MIMO 技术使用波束赋形，通过同时发送数据到不同的多个 UE，扩展了 MIMO。术语大规模 MIMO 描述了根据硬件配置和信道条件，波束赋形和多天线空间复用以动态方式的结合（图 1）。

图一：大规模 MIMO：波束赋形和空分复用组合

大规模 MIMO 面临的挑战 

虽然大规模 MIMO 具有许多优点，但也存在一些挑战，包括：

    1. 前传接口连接的高吞吐量

    2. 天线阵列校准

    3. 天线单元间的相互耦合

    4. 不规则的天线阵列

    5. 天线阵列的复杂性

大规模 MIMO 遭遇的挑战还来自如何表征信号，测量天线阵列功率的要求不曾在传统使用电缆传导接口的场合出现过。

   有意义的表征只能使用 OTA（Over-The-Air）测试实现。主要因为：成本、高频率下进行耦合带来的高插损等原因使得电缆测试方法不可行；以及大规模 MIMO 系统将无线收发器集成到天线中，这导致失去射频测试端口。具体的测试方法有以下几种。

近场测量和远场测量方案

   OTA 测量系统可以根据取样哪一部分辐射场来分类。近场区和远场区由 Fraunhofer 距离 R=2× D2/λ 定义，其中 D 是******天线口径或尺寸。在近场区，在小于 R 的距离处，场强由感应分量和辐射分量组成；而在天线的远场区仅有辐射分量场强。对于到远场区的数学变换，需要精确测量包围被测设备三维表面上的相位和幅度，由此产生天线的 2 维和 3 维增益图。远场区测量仅需要用幅度计算天线的波束图，如果需要也可以在 OTA 单点处测量。对于小型设备（取决于波长），例如用户设备，对于远场条件所需的暗室尺寸由测量波长决定。对于较大的设备，例如基站或大规模 MIMO，所需的暗室尺寸可能变得非常大。如果测量系统能够精确地对整个封闭表面上的电磁场的相位和幅度进行采样，则暗室尺寸可以大大减小。在远场区开展测量，需要直接测量平面波幅度，并且这样的暗室通常相当大，暗室大小要综合考虑被测设备尺寸和测量频率。

图 2：OTA 测试系统

   罗德施瓦茨提供完整的 OTA 测试方案，如图 2 所示。测试系统由微波暗室，放置待测物的转台，天线摇臂以及测试仪表（网分，信号源，频谱仪等等）。根据测试的项目，选择合适的测试仪表，基于高精度的 3D测试定位装置，在被测物周围的球面做自动化的采样测试，并记录所有的采样数据。采样完成后，测试软件会进行数据后处理，得到 5G 天线阵列的 3D 方向图等数据，并根据数据，分析得到其他的测量指标结果。

紧凑型测量方案

    虽然远场通常是在离开被测设备适当距离处测量，但是可以通过控制电磁场，使得近场暗室可以用于直接测量平面波幅度。有两种技术：• 紧凑型区域暗室，最经常用于大型被测设备，如飞机和卫星；• 平面波转换器（PWC）：在被测设备处创建平面波，这可以通过天线阵列替代测量天线实现。类似于在光学系统中使用透镜，天线阵列可以在被测设备区域内的目标区位置生成平面远场。下图为 2018 年 R&S 新推出的面向 sub-6G Massive MIMO 基站的测试系统：R&S PWC200。

         R&S®PWC200 平面波转换器由上百个宽带 Vivaldi 天线阵列组成，能够在原本辐射近场距离制定区域内形成平面波，从而达到远场测试的效果，因此大幅度的缩小远场测试空间。PWC200 可以实现实时辐射功率和收发器测量（EVM，ACLR，SEM 等），是测量 5G Massive MIMO 基站相控天线阵列的理想原则。

毫米波终端研发与一致性测量方案

    罗德与施瓦茨公司 2018 年推出的新型 R＆S ATS1000 测试暗室（图 4）能够帮助开发人员和产线工程师对天线模块，收发器，芯片组和无线设备进行 5G 空中（OTA）测量。 天线和收发器的测量可以在 18 GHz 到 87 GHz 的频率范围内进行。 因此该系统支持目前 5G 所关注的所有毫米波频段。 另外，紧凑的测试室设计仍然可以实现在远场情况下测量移动设备。

    - 用于天线阵列的快速 OTA 测试

           R＆S ATS1000 主要由一个 RF 屏蔽室，以及覆盖整个频率范围的宽带测量天线构成。屏蔽室体积为机架尺寸，并且装有脚轮，有利于待测物件与传感器的合理装配。 使用相关的测试和测量设备以及 R＆S AMS32 天线测量软件，可以在几分钟内完成 5G 天线阵列的辐射方向图的精确测量。 定位激光器有利于精确控制待测物件的摆放位置。 所有这些赋予了 R＆S ATS1000 天线测试系统快速，准确，可重复性强的特点，使其成为一套理想的测试环境。

          - 首例 3GPP 5G NR 射频测量

    通过结合 R＆S ATS1000 与 R＆S TS8980 5G RF 测试系统，用户可以从 OTA 的测量中得到相关的RF 参数（例如：功率，ACLR 和 EVM）。 这点对 5G 测试来说非常关键，因为许多 5G 组件没有任何射频接口，无法在传导模式下进行测试。 另外，该系统能够对 5G 器件进行全面的 3D 表征，验证测量和功能测试。 罗德与施瓦茨的一致性测试方案会结合业界成熟的 R＆S CONTEST 软件将结果以 3D 图形的形式呈现出来。

   结论

   天线阵列将在未来的无线通信中发挥重要作用。然而在它们的研发、设计和生产中遇到的挑战使得完整测试对于实现******性能至关重要。射频测试端口消失以及使用厘米波和毫米波频率，使得 OTA 测试成为表征大规模 MIMO 阵列和内部收发器性能的必要手段。这将会推动 OTA 暗室和测量设备的大量需求，以便满足测量天线辐射特性和收发器性能的严格要求。R&S 拥有传导测试和 OTA 测试完整的解决方案，可以满足 5G 阵列天线的测试需求。

五. 5G 网络覆盖测试

    针对国内已经开始部署 5G 小规模试验网，第一步就是基站选址及链路损耗测量。对此 R&S 公司提供可支持到 6GHz 的扫频仪，可用于 3.5GHz、4.8GHz 等频点的实测。具体的系统搭建是“信号源+放大器+发射天线”来模拟 5G 基站发射，“扫频仪+路测软件+接收天线”来模拟 5G 接收终端，按照路测的方式让扫频仪在不同地点测试链路的实际损耗，从而帮助客户优化基站选址，验证链路损耗仿真结果。

    伴随着 5G 小规模试验网的部署，干扰查找也是一个热门的话题。对此 R&S 发布了专用的干扰定位仪MNT100，MNT100 配备的强大的预选功能以及无与伦比的实时处理速度，能够快速的定位各种突发干扰信号。此外 MNT100 配合测向天线 ADD207 以及自动无线电定位软件 Mobile Locator，通过测量信号到达角度（AOA，Angle of Arrival）的方式有效的克服多径传播带来的干扰查找定位误差，从而实现快速的自动化干扰查找。

六. 5G Sub6G 方案特点及优势总结：

SMW200A:

单表选配双通道射频信号产生，避免了多表之前连线同步和多表设置，极大简化和方便了5GNR 接收机如邻信道选择性或接收互调等测试

单表选配信道衰落模拟，支持 5GNR 38.901 衰落场景，满足 5G 第 8 章接收机性能验证

支持或可升级支持 2*100 MHz 的 5GNR 信号同时产生，满足在 3.5G 和 4.9 GHz 的 200MHz总带宽测试需求

单表支持业界******的 2GHz 射频带宽，******的 2GSa 存储深度 -- Sub6G 比较难找超大带宽应用场景

无需电脑实时信号产生

FSW:

 射频第一段到 8 GHz，8GHz 在以上才使用 YIG 滤波器，而竞争对手 3.5GHz 开始使用 YIG 滤波器，在 3.5 ~ 8 GHz 范围内频响指标值远不如 FSW，影响在 3.5 和 4.9GHz 等 5G 频段测量的功率准确度

 150 MHz 到 8 GHz 频率范围内底噪典型值可达-169 dBm/Hz，满足共址共站对仪表底噪能力的高要求

 电子衰减器支持频率至 13.6 GHz(KS 只能到 3.6 GHz)，自动化测试频繁切换也不惧磨损老化

 业界最高的+15 dBm 的 1dB 压缩点，满足高动态范围的信号测试

 2GHz内置分析带宽好像联系不大上

内置免费的MSRA功能，得确认下现在是否已经集成进去了5GNR160MHz 分析带宽到 320MHz 分析带宽软件激活即可，方便从 100MHz 的 5G 解调升级到 200MHz的 CA 解调

七. 总结

    本文介绍了 5G NR 标准化状态以及业界遇到的测试测量挑战，同时介绍了 R&S 公司针对 5G 研发/生产/一致性/认证一整套测试解决方案。目前第一个 5G 版本 Rel.15 的非独立组网和独立独网核心标准已经冻结，所以通信厂商对于 5G 设备研发测试需求开始爆发。罗德与施瓦茨公司的矢量信号发生 SMW200A，矢量信号分析仪 FSW，矢量网络分析仪 ZVA/ZNBT，同时 R&S 公司也将紧跟 5G 标准，力争为 5G 技术的发展提供完整优质的测试方案。