第5代移动通信测试技术

针对第五代移动通信（5G）技术发展的趋势，分析了5G的发展为测试系统带来的新需求和挑战。针对挑战，提出了可持续发展的测试生态系统的概念，从软件和硬件两个方面具体探讨了“以软件为核心”和“以大规模多输入多输出空口（MIMO OTA）为基础”两大特征。在以软件为核心测试方式部分详细探讨了基于现场可编程门阵列（FPGA）的知识产权部署到测试管脚（IP to the PIN）和支持并行测试和海量信号处理的异质计算两项技术。

测试生态系统；异质计算架构；大规模多输入多输出空口测试

目前亟需研究适合5G总体目标的评估指标体系及评估方法；根据5G无线网络和传输关键技术的特征[3]，研究5G仿真方法；通过并行计算、图形处理器、现场可编程门阵列（FPGA）硬件板卡等加速方法和动态建模等手段，建设5G测试平台和进行5G候选关键技术评估；研究5G移动通信网络和传输技术的评估与测试方法，完成对5G移动通信关键技术评估与测试研究[1-3]。

1 5G测试需求与挑战

（1）大规模多输入多输出多通道测试需求

中国5G技术定义未来5G基站侧协作天线数不少于128个。这种大规模多输入多输出（MIMO）技术对天线数量的要求大大超过传统技术对天线数目的要求，天线个数上升到百位级，无论是测试通道数，多通道间的同步、隔离，多通道数据的存储都对测试提出了严峻的挑战与考验。

（2）高速、海量数据测试需求

中国5G技术定义未来5G频谱及功率效率较4G提升10倍。同时，5G时期移动视频、网页浏览以及P2P业务等将成为移动数据的主要部分，因此，终端设备相关数据急速增长。如何实时捕获、分析、存储和管理这些海量数据是对5G测试系统的考验。

（3）多应用场景与多技术标准共存测试需求

未来5G中不但包括现有3G、4G等无线接入技术，还可能将增添诸如设备间直接通信（D2D）、机器间通信（M2M）等物联网技术。5G的高融合性不但是多种接入技术的融合，也意味着应用场景也将丰富多样[4]。同样测试系统所支持的技术标准和应用场景也将随之大幅增加。

（4）高频段和绿色通信测试需求

目前，6 GHz以下低频段基本被分配完毕，三星公司率先在28 GHz高频段上进行了研究[5]。同时未来无线通信中更加注重对能耗的分析[6-7]，国际上已经开展诸多绿色通信的前期研究[8-11]。因此，5G技术不但对高频段技术测试，也对系统能耗测试提出了相应需求，所以，5G测试技术所支持的范围较前几代有了很大的扩展。

每一代移动通信的技术发展都有一个生命周期，在周期内发展和演进直至被新技术吸收或淘汰。同样测试技术也要支持通信技术的整个生命周期的测试需求。由于被测技术的飞速发展，测试技术或系统也不再是一个一成不变的系统，取而代之的是一个无论在硬件还是在软件方面都超前被测技术的可持续发展和演进的集成测试平台。5G集成测试平台是一个可持续发展的测试生态系统，它将继承可扩展性、灵活性、可自定义等的优点。

其中，“以软件为核心”和“支持大规模天线空口（OTA）”测试是这个生态系统的两大关键特征。

2 以软件为核心的测试

生态系统

如何跟上多种通信技术和标准快速发展的步伐、如何提高高昂的测试预算性价比、如何灵活而可重定义测试需求或方法、如何有效利用多核技术、如何采用实时处理技术提高测试吞吐量等问题的参考答案都会聚焦到“以软件为核心”的解决方案上。

2.1 基于FPGA的IP to the PIN技术

几十年来，电子和通信行业一直追求：设计与测试齐头并进的理想状态。鉴于设计和测试领域的不同，这个目标一直难以达到。在设计阶段，最新的电子设计自动化（EDA）软件被应用于系统级的设计，而测试领域则略显独立和滞后。因此，当针对最新的以软件为中心的电子通信设备时，还需要重新寻找测试解决方案。

采用系统级的方法，设计和测试的概念融为一体，以及将软件架构向FPGA扩展是平衡两个领域发展，提高通信测试效能的有效手段之一。实现设计与测试集成的方法是将设计的知识产权（IP）内核同时部署到被测设备（DUT）与集成测试平台上，这种部署过程被称为知识产权部署到测试管脚（IP to the Pin），因为它使测试者自定义的软件IP能够尽可能地接近集成测试平台的硬件I/O引脚。这些软件IP可以包括：数据采集、信号生成、数字协议、数学运算、射频及实时信号处理等。

无论是单个设备的原始数据处理吞吐量还是功耗，FPGA均已胜过数字信号处理器、传统处理器甚至图形处理器。

IP to the Pin技术的具体实现可用“V型图”来表示，如图1所示。设计的每个阶段都有相对应的验证或测试阶段。通过共享IP，设计和测试团队可以沿着V图两个边分别前进，从最顶层的建模、设计到最底层的实现，在每个阶段进行对应的测试。

2.2 支持并行测试和海量信号处理

的异质计算技术

异质计算架构是一个用于在不同的计算节点之间分配数据处理任务以及程序执行任务的系统，让每个节点来处理最恰当的测试和计算任务。这项技术用来应对5G移动通信与日俱增的复杂测试计算量；用于存储和处理MIMO以及大规模天线（Massive MIMO）在射频后端的海量数据；用于多节点同时频谱感知与探测，以及物理（PHY）层与媒体访问控制（MAC）层的协同测试。例如，采用异质计算架构的MIMO RF测试系统，可以使用一个中央处理器（CPU）来控制程序的执行，采用FPGA进行在线的解调，同时采用图形处理器（GPU）进行多天线测试参数的计算，最后将所有的处理结果存储在远程服务器上。一种可适用于5G通信测试的异质计算架构如图2所示。

伴随着5G移动通信的高带宽、高速率的飞速发展，异质计算架构和多核并行编程技术相结合将会是5G测试应对海量数据处理和提高测试并行化所不可或缺的主要技术。

3 大规模天线空口测试技术

为了满足极高吞吐量的需求，第5代移动通信将采用大规模天线技术，天线特性成为影响无线系统性能的关键技术指标之一。目前，MIMO OTA测试技术已经开始在包括第3代移动通信合作计划（3GPP）组织、欧洲科学和技术合作（COST2100）组织和移动通信和因特网协会（CTIA）在内的多个标准化组织和机构中研究及讨论，其中，3GPP TR 37.976对各种MIMO OTA技术备选测试方案进行了总结。以下分别说明了3种不同的MIMO OTA测试方案[12]：

（1）基于吸波暗室的测试方案

基于吸波暗室的测试方案或者称之为空间衰落模拟（SFE）的测试方案。该方案将射频信道模拟器连接到一个圆环探头阵列，即多探头测试，从而在被测物位置可重复地模拟产生复杂的多径衰落的无线环境。

（2）混响室测试方案

混响室测试方案采用一个独立的混响室或者是一个连接信道模拟器的混响室。混响室的目的在于在被测物（DUT）周围产生一个统计上的均匀功率分布，而天线和信道模拟器可用于生成所需的延迟特性。混响室测试方案受限于有限的不同衰落环境的模拟能力，所以只能对终端提供有限的性能评估。

（3）两阶段法

两步法测试流程如图3所示。两步法测试方案包含两个测试阶段。第一阶段，在各向同性的环境下，使用传统的吸波暗室为基础的测试系统和一个综测仪测量复杂的有源天线阵列；第二阶段，通过下述两种手段把天线阵列的信息与信道模型结合起来：使用信道模拟器进行传导测试，或利用测试地得到的天线阵列信息通过理论计算得到一个理论上的信道容量性能。因此，在这一点上，两阶段方法只能获得有限的数据，还需要进行进一步的研究以得到准确的性能指标。

大规模天线OTA测试技术中关键的挑战是如何在电波暗室中产生一个最接近真实环境的空间、角度和极化行为的射频信道模型，这种复杂性使得MIMO OTA测试平台研发需要大量场地和设备资金的投入，这对于广大的终端设备厂商而言，成本过于昂贵。在讨论的3种MIMO OTA测试方案中，两步测试方案是一种快速、精确、经济又高效的MIMO OTA测试方法，研究表明，相对于传统的多探头测试方案，两步法仅简化了接收分集性能而非信道相关特性，获得的测试结果也基本一致[13]；其次，两步法可重复利用测试得到的天线方向图模拟二维或三维的信道模型，而不需要重复使用电波暗室测试，进而提高了测试的灵活性，另外，两步法可充分利用LTE阶段建设的测试平台资源迅速扩展实现MIMO OTA测试，是一种快速经济的测试解决方案。

4 结束语

本文根据5G移动通信的技术特征，分别从软件和硬件两个方面分析了应对的测试解决方案和方法。这些方法主要集中在物理层和射频部分，未涉及协议的测试方法的讨论。

致谢：

本文的撰写得到了上海无线通信研究中心徐景研究员、西安交通大学任品毅教授和中国科学技术大学周武教授的支持和帮助。

伴随着5G移动通信的高带宽、高速率的飞速发展，异质计算架构和多核并行编程技术相结合将会是5G测试应对海量数据处理和提高测试并行化所不可或缺的主要技术。

3 大规模天线空口测试技术

为了满足极高吞吐量的需求，第5代移动通信将采用大规模天线技术，天线特性成为影响无线系统性能的关键技术指标之一。目前，MIMO OTA测试技术已经开始在包括第3代移动通信合作计划（3GPP）组织、欧洲科学和技术合作（COST2100）组织和移动通信和因特网协会（CTIA）在内的多个标准化组织和机构中研究及讨论，其中，3GPP TR 37.976对各种MIMO OTA技术备选测试方案进行了总结。以下分别说明了3种不同的MIMO OTA测试方案[12]：

（1）基于吸波暗室的测试方案

基于吸波暗室的测试方案或者称之为空间衰落模拟（SFE）的测试方案。该方案将射频信道模拟器连接到一个圆环探头阵列，即多探头测试，从而在被测物位置可重复地模拟产生复杂的多径衰落的无线环境。

（2）混响室测试方案

混响室测试方案采用一个独立的混响室或者是一个连接信道模拟器的混响室。混响室的目的在于在被测物（DUT）周围产生一个统计上的均匀功率分布，而天线和信道模拟器可用于生成所需的延迟特性。混响室测试方案受限于有限的不同衰落环境的模拟能力，所以只能对终端提供有限的性能评估。

（3）两阶段法

两步法测试流程如图3所示。两步法测试方案包含两个测试阶段。第一阶段，在各向同性的环境下，使用传统的吸波暗室为基础的测试系统和一个综测仪测量复杂的有源天线阵列；第二阶段，通过下述两种手段把天线阵列的信息与信道模型结合起来：使用信道模拟器进行传导测试，或利用测试地得到的天线阵列信息通过理论计算得到一个理论上的信道容量性能。因此，在这一点上，两阶段方法只能获得有限的数据，还需要进行进一步的研究以得到准确的性能指标。

大规模天线OTA测试技术中关键的挑战是如何在电波暗室中产生一个最接近真实环境的空间、角度和极化行为的射频信道模型，这种复杂性使得MIMO OTA测试平台研发需要大量场地和设备资金的投入，这对于广大的终端设备厂商而言，成本过于昂贵。在讨论的3种MIMO OTA测试方案中，两步测试方案是一种快速、精确、经济又高效的MIMO OTA测试方法，研究表明，相对于传统的多探头测试方案，两步法仅简化了接收分集性能而非信道相关特性，获得的测试结果也基本一致[13]；其次，两步法可重复利用测试得到的天线方向图模拟二维或三维的信道模型，而不需要重复使用电波暗室测试，进而提高了测试的灵活性，另外，两步法可充分利用LTE阶段建设的测试平台资源迅速扩展实现MIMO OTA测试，是一种快速经济的测试解决方案。

4 结束语

本文根据5G移动通信的技术特征，分别从软件和硬件两个方面分析了应对的测试解决方案和方法。这些方法主要集中在物理层和射频部分，未涉及协议的测试方法的讨论。

致谢：

本文的撰写得到了上海无线通信研究中心徐景研究员、西安交通大学任品毅教授和中国科学技术大学周武教授的支持和帮助。

伴随着5G移动通信的高带宽、高速率的飞速发展，异质计算架构和多核并行编程技术相结合将会是5G测试应对海量数据处理和提高测试并行化所不可或缺的主要技术。

3 大规模天线空口测试技术

为了满足极高吞吐量的需求，第5代移动通信将采用大规模天线技术，天线特性成为影响无线系统性能的关键技术指标之一。目前，MIMO OTA测试技术已经开始在包括第3代移动通信合作计划（3GPP）组织、欧洲科学和技术合作（COST2100）组织和移动通信和因特网协会（CTIA）在内的多个标准化组织和机构中研究及讨论，其中，3GPP TR 37.976对各种MIMO OTA技术备选测试方案进行了总结。以下分别说明了3种不同的MIMO OTA测试方案[12]：

（1）基于吸波暗室的测试方案

基于吸波暗室的测试方案或者称之为空间衰落模拟（SFE）的测试方案。该方案将射频信道模拟器连接到一个圆环探头阵列，即多探头测试，从而在被测物位置可重复地模拟产生复杂的多径衰落的无线环境。

（2）混响室测试方案

混响室测试方案采用一个独立的混响室或者是一个连接信道模拟器的混响室。混响室的目的在于在被测物（DUT）周围产生一个统计上的均匀功率分布，而天线和信道模拟器可用于生成所需的延迟特性。混响室测试方案受限于有限的不同衰落环境的模拟能力，所以只能对终端提供有限的性能评估。

（3）两阶段法

两步法测试流程如图3所示。两步法测试方案包含两个测试阶段。第一阶段，在各向同性的环境下，使用传统的吸波暗室为基础的测试系统和一个综测仪测量复杂的有源天线阵列；第二阶段，通过下述两种手段把天线阵列的信息与信道模型结合起来：使用信道模拟器进行传导测试，或利用测试地得到的天线阵列信息通过理论计算得到一个理论上的信道容量性能。因此，在这一点上，两阶段方法只能获得有限的数据，还需要进行进一步的研究以得到准确的性能指标。

大规模天线OTA测试技术中关键的挑战是如何在电波暗室中产生一个最接近真实环境的空间、角度和极化行为的射频信道模型，这种复杂性使得MIMO OTA测试平台研发需要大量场地和设备资金的投入，这对于广大的终端设备厂商而言，成本过于昂贵。在讨论的3种MIMO OTA测试方案中，两步测试方案是一种快速、精确、经济又高效的MIMO OTA测试方法，研究表明，相对于传统的多探头测试方案，两步法仅简化了接收分集性能而非信道相关特性，获得的测试结果也基本一致[13]；其次，两步法可重复利用测试得到的天线方向图模拟二维或三维的信道模型，而不需要重复使用电波暗室测试，进而提高了测试的灵活性，另外，两步法可充分利用LTE阶段建设的测试平台资源迅速扩展实现MIMO OTA测试，是一种快速经济的测试解决方案。

4 结束语

本文根据5G移动通信的技术特征，分别从软件和硬件两个方面分析了应对的测试解决方案和方法。这些方法主要集中在物理层和射频部分，未涉及协议的测试方法的讨论。

致谢：

本文的撰写得到了上海无线通信研究中心徐景研究员、西安交通大学任品毅教授和中国科学技术大学周武教授的支持和帮助。