0 引言

    從20世紀(jì)80年代第一代（1G）移動(dòng)通信開(kāi)始到今天的4G,，移動(dòng)通信及其衍生技術(shù)極大地改變了人類的物質(zhì)和精神生活。從話音通信到數(shù)據(jù)通信,，特別是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,，預(yù)計(jì)2010年到2020年，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)將超過(guò)200倍,，我國(guó)將超過(guò)300倍,，移動(dòng)通信技術(shù)自然也會(huì)出現(xiàn)新的演進(jìn)。目前,，5G已經(jīng)成為全球的研發(fā)焦點(diǎn),，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）、第三代國(guó)際計(jì)劃（3GPP）和電子電氣工程師協(xié)會(huì)（IEEE）都已牽頭開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的研究和制訂,，我國(guó)也相應(yīng)成立了IMT-2020（5G）推進(jìn)組^[1-5],。

    IMT-2020推進(jìn)組將5G應(yīng)用分為四大場(chǎng)景，即移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的連續(xù)廣域覆蓋場(chǎng)景和熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景,、移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的低時(shí)延高可靠場(chǎng)景和低功耗大連接場(chǎng)景,，相應(yīng)的峰值網(wǎng)速指標(biāo)達(dá)到10～20 Gb/s，時(shí)延在1 ms,，工作頻段也提高到6 GHz以下（目前選定3.5 GHz）的低頻段和高達(dá)毫米波（6～100 GHz）的高頻段^[1-6],。

    5G不僅僅是一次技術(shù)上的升級(jí)，也是一個(gè)催生新應(yīng)用新技術(shù)的廣闊平臺(tái),。雖然工作在較4G移動(dòng)通信更高的頻段,，同樣的相對(duì)帶寬意味著更大的絕對(duì)帶寬，但由于移動(dòng)通信工作在自然物理環(huán)境中不可避免的多徑效應(yīng)導(dǎo)致的衰落,，使得既定的高網(wǎng)速很難達(dá)到,，需要采取多種新技術(shù)來(lái)提高帶寬，其中大規(guī)模多輸入輸出（Massive MIMO）技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù),。Massive MIMO對(duì)低無(wú)源互調(diào)（PIM）,、低互耦、通道幅相一致性好的大規(guī)模相控陣天線的陣列,、單元及其饋電電路,、功率放大器等射頻技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)^{[3,，5，7-9]},。

    從Massive MIMO天線陣列的設(shè)計(jì)研發(fā),、生產(chǎn)調(diào)配到系統(tǒng)性能認(rèn)證等各個(gè)環(huán)節(jié)，都需要有射頻測(cè)試技術(shù)來(lái)保證,。從測(cè)試的指標(biāo)來(lái)看,，5G的射頻測(cè)試的指標(biāo)包括元器件級(jí)的傳統(tǒng)分立射頻有源/無(wú)源指標(biāo)(如無(wú)源互調(diào))和有源無(wú)源集成的空口(OTA)測(cè)試(如有效輻射功率(EIRP))，以及反映系統(tǒng)級(jí)性能的指標(biāo)(如吞吐量),。從測(cè)試的場(chǎng)地來(lái)看,，可以分為室外測(cè)試和室內(nèi)測(cè)試^[10-14]。

    室內(nèi)測(cè)試是在電磁暗室內(nèi)利用電磁波幅相調(diào)控產(chǎn)生,、測(cè)量以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換計(jì)算,，模擬室外微波遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的特性或真實(shí)復(fù)雜工作場(chǎng)景的測(cè)試方法。室內(nèi)測(cè)試方法相比于室外測(cè)試方法,，成本小,，測(cè)量不確定度更低，適合從設(shè)計(jì)研發(fā),、生產(chǎn)調(diào)試到符合認(rèn)證等各個(gè)階段的應(yīng)用^[15],。

    本文介紹和分析了5G射頻測(cè)試的室內(nèi)微波遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)模擬方法、室內(nèi)真實(shí)工作場(chǎng)景模擬方法和無(wú)源互調(diào)測(cè)試方法,，并重點(diǎn)分析了其中陣列天線法平面波模擬器,、5G信道模型等關(guān)鍵技術(shù)。

1 室內(nèi)微波遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)模擬方法

    當(dāng)前適用于5G移動(dòng)通信基站測(cè)量的方法主要包括室內(nèi)準(zhǔn)遠(yuǎn)場(chǎng),、緊縮場(chǎng)場(chǎng),、球面近場(chǎng)和平面波模擬器等幾種，如圖1所示,。其中,，室內(nèi)準(zhǔn)遠(yuǎn)場(chǎng)在測(cè)量距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，一般認(rèn)為對(duì)天線方向圖的測(cè)量不確定度最小,，主要缺點(diǎn)在于需要完全滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件對(duì)應(yīng)的暗室尺寸大,，建設(shè)成本高，如廣東通宇通訊建設(shè)了70 m長(zhǎng)大暗室,。室內(nèi)準(zhǔn)遠(yuǎn)場(chǎng)如果不能完全滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件,，也會(huì)引起天線方向圖副瓣及零深測(cè)量的精度，另外由于路徑損耗大,，部分射頻指標(biāo)測(cè)量受限,。緊縮場(chǎng)能夠在近距離滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，基站天線方向圖的測(cè)量和射頻指標(biāo)的測(cè)量簡(jiǎn)單直觀,，當(dāng)前主要受限于建設(shè)成本和使用維護(hù)的成本較高,。球面近場(chǎng)測(cè)試效率高,，適用于6 GHz以下頻段的天線方向圖測(cè)量，由于不直接滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件,，部分射頻指標(biāo)不能直接測(cè)量,。

    平面波模擬器是一種能夠在一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生準(zhǔn)平面波的裝置，該準(zhǔn)平面波的電場(chǎng)幅度,、相位波動(dòng)能夠滿足天線測(cè)試所需要的遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境。典型平面波模擬器的構(gòu)成如圖1(d)所示,，采用陣列天線的近場(chǎng)合成技術(shù)對(duì)一個(gè)二維平面陣列天線的各個(gè)單元進(jìn)行調(diào)控,，將電磁場(chǎng)聚焦到空間中一片很小的區(qū)域。進(jìn)一步通過(guò)對(duì)陣列各單元天線的幅度和相位乃至位置進(jìn)行加權(quán)和優(yōu)化設(shè)計(jì),，使得空間中某一區(qū)域的場(chǎng)分布均勻波動(dòng)甚小^[16-19],。

    平面波模擬器相比于其他測(cè)量方法的最大優(yōu)勢(shì)在于對(duì)暗室空間需求小，對(duì)于5G移動(dòng)通信中的6 GHz以下頻率測(cè)試暗室外尺寸約為3 m×3 m×4 m,。待測(cè)天線處于平面波環(huán)境中,，不需要進(jìn)行變換，能夠?qū)芏嗌漕l指標(biāo)進(jìn)行直接測(cè)量,。平面波模擬器能夠測(cè)量的天線及射頻指標(biāo)主要包括：天線方向圖,、天線增益、天線效率,、交叉極化,、EIRP（等效全向輻射功率）、TRP（總輻射功率）,、TIS（總?cè)蜢`敏度）,、EIS（有效全向靈敏度）、EVM（誤差向量幅度）,、ACLR（鄰道干擾）,。平面波模擬器還能夠支持更高層的系統(tǒng)測(cè)試，如吞吐率,、誤碼率測(cè)試等,。

    平面波模擬器的具體配置方法如圖2所示，一個(gè)N_e=N_x×N_y個(gè)天線單元的平面陣列,，單元間距分別為dx和dy,，在法向距離為d的一定區(qū)域產(chǎn)生準(zhǔn)平面波。假設(shè)單元為理想點(diǎn)源,，平面陣列在靜區(qū)采樣點(diǎn)(x_m,，y_m，d)（共M個(gè)采樣點(diǎn)）的電場(chǎng)表達(dá)式^[20]為：

    通過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)E(x_m,，y_m,，z)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)所需要的準(zhǔn)平面波條件,。

    結(jié)合以上分析，本文仿真了一個(gè)20×20單元的平面波模擬器,，單元間距為λ,，在1.8 m遠(yuǎn)處形成的1 m×1 m靜區(qū)內(nèi)，幅度波動(dòng)<1.0 dB,，相位波動(dòng)<10°,，該平面波模擬器在3.5 GHz電場(chǎng)分布情況如圖3所示。

2 室內(nèi)真實(shí)工作場(chǎng)景模擬方法

    Gbps量級(jí)的網(wǎng)速帶寬是5G的特征之一,。無(wú)線信道中不可避免的多徑衰落效應(yīng)造成的多徑散布譜制約著實(shí)際帶寬的實(shí)現(xiàn)^[21],。MIMO技術(shù)通過(guò)空時(shí)編碼技術(shù)，充分利用多徑中各個(gè)子徑的非相關(guān)性,，可以大幅度提高系統(tǒng)實(shí)際帶寬容量,，這個(gè)測(cè)試獲得的帶寬稱為吞吐量（Throughtput）。5G的Massive MIMO技術(shù)通過(guò)增加更多的基站端天線,，除了可以大幅度提高實(shí)際帶寬,，還可以獲得更好的波束賦形能力，提高網(wǎng)絡(luò)容量并抑制小區(qū)內(nèi)干擾,。這一技術(shù)對(duì)于信道建模,、預(yù)編碼和導(dǎo)頻設(shè)計(jì)等提出了更高的要求。

    室內(nèi)空口（OTA）測(cè)試是美國(guó)無(wú)線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)（CTIA）提出的系統(tǒng)性能測(cè)試方法,，在MIMO等多天線系統(tǒng)OTA測(cè)試方法中,，3GPP37.977文件中介紹了MIMO OTA吞吐量的定義，并給出了多探頭暗室方法（MPAC）,、混響室方法和兩階段（2-stage）方法等可選方案,，如圖4所示^[22]。

    Massive MIMO系統(tǒng)吞吐量的室內(nèi)OTA測(cè)試的核心問(wèn)題是如何在室內(nèi)模擬5G移動(dòng)通信的真實(shí)工作場(chǎng)景,，復(fù)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景中多徑效應(yīng)造成的電磁波信號(hào)在空間域,、時(shí)間域、極化域和頻率域上的特性^[23],。

    從這一角度出發(fā)去分析3個(gè)可選方案,，如圖4（b）所示，混響室方法是利用混響室的特點(diǎn)模擬幅度高斯分布,、相位均勻分布的瑞利信道,；圖4（c）所示的兩階段法是，首先測(cè)得天線方向圖,，然后將計(jì)入了天線方向圖影響的信道模擬器利用傳導(dǎo)法接入被測(cè)設(shè)備,。以上兩種方法實(shí)際上都沒(méi)有全面模擬電磁波相對(duì)于被測(cè)天線陣列的空間分布特性，從而無(wú)法考察不同基站-終端方向夾角下的系統(tǒng)性能差異,，也無(wú)法考察Massive MIMO陣列的空間波束賦形能力^[22-23],。

    在圖4（a）所示的多探頭測(cè)試方法中,，每一個(gè)雙極化探頭天線都連接兩個(gè)對(duì)應(yīng)不同極化信號(hào)的信道模擬器。信道模擬器是用來(lái)模擬經(jīng)過(guò)真實(shí)工作場(chǎng)景中多徑效應(yīng)后的衰落信號(hào),，因此從探頭天線上發(fā)出的信號(hào)是符合衰落信道模型的隨機(jī)信號(hào),，從而較好地解決了真實(shí)工作環(huán)境信號(hào)的室內(nèi)重建，更全面地考察了被測(cè)系統(tǒng)的吞吐量,。

    可以看到,，信道模型無(wú)論是在Massive MIMO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還是在MIMO系統(tǒng)級(jí)性能的室內(nèi)測(cè)試中,，都是最關(guān)鍵的技術(shù)之一,。由于天線方向性的特點(diǎn)，終端的信道模型目前一般采用幾何模型或稱基于子徑的擴(kuò)展模型（SCME）,。SCME模型將多徑信號(hào)假設(shè)為從固定的若干條具有不同強(qiáng)度、時(shí)延,、到達(dá)角的路徑到達(dá),，由于帶寬越寬越能辨析更多的路徑，因此,，路徑的數(shù)目與工作的帶寬成正比,。SCME模型適用的場(chǎng)景是郊區(qū)宏小區(qū)環(huán)境、城市宏小區(qū)環(huán)境和城市微小區(qū)環(huán)境,，不同環(huán)境假設(shè)的直達(dá)信號(hào)（LOS）信號(hào)不同,。對(duì)于基站而言，由于安裝位置和天線陣列的特點(diǎn),，多徑信號(hào)的來(lái)波方向應(yīng)該更加集聚^[24-25],。

    事實(shí)上，信道模型不僅取決于環(huán)境的幾何因素,，更與工作頻率,、收發(fā)天線的位置高度和方向圖特性、環(huán)境的材料因素密切相關(guān),。3GPP,、ITU定義的信道模型較為簡(jiǎn)單，無(wú)法體現(xiàn)系統(tǒng),、終端,、芯片在真實(shí)場(chǎng)景下的性能。我國(guó)的新一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)重大專項(xiàng)2018年度課題中專門設(shè)立了課題1-22“基于大數(shù)據(jù)的5G信道模擬與性能驗(yàn)證”,，研究室內(nèi)精確模擬室外傳播環(huán)境的方法,。綜合利用海量的信道測(cè)量數(shù)據(jù)，引入數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),，構(gòu)建涵蓋多小區(qū)和多用戶的無(wú)線傳播環(huán)境,，研發(fā)切換,、峰值吞吐量、切換等關(guān)鍵技術(shù)的性能仿真和測(cè)試平臺(tái),。

3 無(wú)源互調(diào)的測(cè)試

    當(dāng)無(wú)源器件中輸入多個(gè)頻率的信號(hào)時(shí),，由于器件的非線性在信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生互調(diào)干擾，從而對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生影響,。未來(lái)5G移動(dòng)通信中,，大功率、多頻帶,、高靈敏度已成為一種發(fā)展趨勢(shì),，需要更加重視PIM的設(shè)計(jì)和干擾測(cè)試^[26-35]。

    無(wú)源互調(diào)表征有兩種方法：一種是絕對(duì)功率電平表示法,，用以dBm為單位的互調(diào)產(chǎn)物電平值來(lái)表示,；一種是相對(duì)功率電平表示法，即用互調(diào)產(chǎn)物絕對(duì)功率電平與一個(gè)輸入載波功率電平的差值來(lái)表示,，單位為dBc,。IEC62037建議實(shí)驗(yàn)端口處采用2×20 W（43 dBm）功率，這一標(biāo)準(zhǔn)已被業(yè)界廣泛采用,。比如基站天線互調(diào)要求一般為-107 dBm@2×43 dBm,，等同于-150 dBc@2×43 dBm。

    目前,，國(guó)際上已經(jīng)制定了無(wú)源互調(diào)失真測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)IEC 62037,，IEC 62037系列標(biāo)準(zhǔn)基于雙載波測(cè)試方法，包括輻射式互調(diào)測(cè)試和傳輸式互調(diào)測(cè)試兩種基本標(biāo)準(zhǔn),，主要針對(duì)于單端口器件（如天線）,、多端口器件（如功分器）及雙端口器件（如同軸接頭、波導(dǎo)等）,。輻射式測(cè)試原理圖如圖5所示,，用于單端口器件的測(cè)量中，天線和負(fù)載等都可以采用這種測(cè)量方法,。雙端口器件使用如圖6所示的傳輸式測(cè)試系統(tǒng),。由于互調(diào)信號(hào)電平較低，一般要求測(cè)試系統(tǒng)保持一定的穩(wěn)定性,。

    以輻射式測(cè)試系統(tǒng)為例,，測(cè)試系統(tǒng)由三部分組成(發(fā)射部分、被測(cè)部分,、檢測(cè)部分),，發(fā)射部分由大功率頻綜信號(hào)源、定向耦合器、功率計(jì),、頻率合成器,、Tx-Rx雙工器組成。被測(cè)信號(hào)由大功率頻綜信號(hào)源產(chǎn)生,，兩個(gè)載波經(jīng)頻率合成器合成,，合成后的信號(hào)經(jīng)過(guò)Tx- Rx雙工器到達(dá)被測(cè)件，檢測(cè)部分由低PIM帶通濾波器,、低噪聲放大器,、頻譜儀組成。對(duì)產(chǎn)生的PIM信號(hào)進(jìn)行濾波,、放大并顯示,。通常用輻射測(cè)量法對(duì)包含喇叭在內(nèi)的輻射型被測(cè)件進(jìn)行測(cè)量, 需要一個(gè)無(wú)PIM的吸波室。

    該方法可以測(cè)量PIM水平在典型值(高于-110 dBm)的微波器件,，而當(dāng)PIM很微弱時(shí)(低于-110 dBm),，測(cè)試系統(tǒng)中信號(hào)源帶來(lái)的雜散與互調(diào)強(qiáng)度接近甚至高于互調(diào)，經(jīng)過(guò)帶通濾波器很難濾除信號(hào)源雜散,，導(dǎo)致檢測(cè)到的PIM信號(hào)不準(zhǔn)確,。采用Massive MIMO技術(shù)的5G移動(dòng)通信基站功率比43 dBm大大增加、終端工作頻段擴(kuò)展,、接收機(jī)靈敏度不斷提高，對(duì)無(wú)源互調(diào)測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確性,、靈活性,、高效率和穩(wěn)定性也提出了更高的要求。

4 結(jié)論

    5G移動(dòng)通信中天線和射頻技術(shù)的發(fā)展將極大地推進(jìn)天線,、射頻前端及系統(tǒng)級(jí)測(cè)量方法的進(jìn)步,。更加適用于5G移動(dòng)通信測(cè)量的平面波模擬器等新技術(shù)將會(huì)獲得廣泛應(yīng)用。針對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)特性測(cè)量的5G信道仿真技術(shù),、無(wú)源器件的互調(diào)仿真方法將會(huì)得到新的發(fā)展,。

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文獻(xiàn)33-35略

作者信息：

謝擁軍,，王正鵬，苗俊剛，萬(wàn)國(guó)龍

（北京航空航天大學(xué) 微波感知與安防應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，北京100191）