5G概述及R&S测试解决方案

冯宇 罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司

罗德与施瓦茨技术专栏

5G概述及R&S测试解决方案

冯宇 罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司

编者按：虽然目前还没有明确的5G标准规范，不过预计5G技术会渗透到未来社会的各个领域，将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息盛宴。目前，很多运营商及设备制造商已积极加入到5G技术的研究中。罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司冯宇所撰《5G概述及R&S测试解决方案》一文介绍了5G系统的关键技术，同时介绍了R&S公司针对5G系统中毫米波和大规模MIMO技术的测试方案。虽然目前5G技术还处在预研和标准制定阶段，不过各个厂家对于5G技术的测试需求已经越来越明显，罗德与施瓦茨公司的矢量信号发生器、号分析仪、矢量网络分析仪等仪表可以满足目前5G预研的需求，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。

5G即第五代移动通信技术，是4G技术之后的延伸。虽然目前还没有明确的5G标准规范，不过预计5G技术会渗透到未来社会的各个领域，将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息盛宴。目前，很多运营商及设备制造商积极加入到5G技术的研究中，本文将简单介绍5G研究中的典型关键技术以及R&S公司针对5G系统的测试解决方案。

5G MIMO 毫米波 大规模MIMO

1 引言

在移动通信技术的演进历程中，依次经历了1G、2G、3G和4G阶段。从技术角度来看，1G是模拟式通信系统，主要用来解决语音通信问题；2G是数字调制系统，以GSM和CDMA技术为主要代表，可以支持窄带的分组数据通信；3G标准以CDMA为技术基础，存在WCDMA/TD-SCDMA/cdma2000/WiMAX4种技术，发展了诸如图像、音乐、视频流等高带宽多媒体通信，解决了部分互联网相关网络及高速数据传输问题；4G通常被用来描述相对于3G的下一代通信网络，以LTE/ LTE-A技术为主要代表，可以提供100Mbit/s设置更高的传输速度，从网速、容量、稳定性上面相比之前的技术都有了很大的提升。

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。

如图1所示，中国IMT-2020（5G）推进组对5G网络的性能要求和效率需求通过一株绽放的鲜花来进行定义，其中花瓣代表5G的六大性能指标，体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力，花瓣顶点代表了相应指标的最大值；绿叶代表效率指标，是5G可持续发展的基本保障。

图1 5G性能和效率需求

25 G关键技术介绍

截至目前，5G技术还处在预研阶段，其技术规范还没有统一定义，所以各大公司都在对5G技术进行积极的研究和讨论，现阶段基本得到业界认可的关键技术主要包括以下方面：

（1）毫米波

所谓毫米波，即波长范围1～10mm之间，也就是频率在30～300GHz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10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

根据香浓定律可知，信道容量与带宽和信噪比成正比，为了满足5G网络Gbit/s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10Gbit/s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，业界普遍认为在5G系统中会采用不同于4G的空中接口技术。目前，被广泛研究的主要包括非正交多址接入技术（NOMA）、滤波组多载波技术（FBMC）、全双工技术（FullDuplex）等。各个厂家都在积极地推动各自主导的新技术，希望能够在5G标准中脱颖而出，成为5G标准技术，不过这些技术是否能够在5G系统中发挥更有效的作用，还有待进一步研究和验证。

（5）密集网络

在5G通信系统中，无线通信网络朝着网络多元化、宽带化、综合化和智能化的方向演进，随着各种智能终端的普及，数据流量将发生井喷式的增长。传统的宏蜂窝网络覆盖，已经无法满足这些需求。预计在5G时代，将会采用立体分层网络，也就是在宏蜂窝网络层中布放大量的微蜂窝、微微蜂窝、毫微微蜂窝等接入点，同时随着物物连接网络的增加，将会采用更加密集的网络覆盖方案，部署有可能达到100个以上小区/扇区。

3 5G测试方案

虽然目前5G技术标准尚在讨论中，但是作为测试仪表厂商的代表罗德与施瓦茨公司已经开始积极地投入到相关测试技术及方案研究中。针对5G广泛认可的毫米波、大规模天线阵、高带宽等关键技术，罗德与施瓦茨公司可以提供完整的测试解决方案，以帮助设备厂家进行相应的5G技术研究。本文将分别介绍R&S公司针对5G技术相应的测试方案。

3.1 毫米波测试方案

毫米波的频率一般是从30～300GHz间，针对5G技术热点频率集中在30～100GHz左右。R&S公司针对毫米波频段信号的产生和分析主要通过矢量信号发生器和矢量信号分析仪来完成，目前R&S公司的高频矢量信号发生器SMW200A单台仪表最高可以实现40GHz信号的产生，如果配合相应的外接混频模块则可以实现高达100GHz的矢量信号产生。同时高带宽的测试需求在5G预研中也很明显，SMW200A自身可以产生160MHz带宽的信号，可用于802.11ac、LTE-A等信号产生，如果通过外部的模拟IQ输入，SMW200A可以实现高达2GHz带宽信号的产生，完全满足目前5G研究的需求。SMW200A典型特征如图2所示。

如果通过外部任意波形发生器生成基带信号，可以产生带宽高达2GHz的基带信号，同时配合相应的混频模块，可以实现更高频率信号的产生。图3为73GHz频率，2GHz带宽信号产生测试环境。

R&S公司的矢量信号分析仪FSW最高频率可达到67GHz，同样配合混频模块可以实现高达100GHz信号的接收和分析，FSW自身的分析带宽为500MHz，该仪表目前已经广泛应用在各大厂家的5G研究中。图4为40GHz频率，500MHz带宽信号的产生及分析测试环境。

对高于67GHz频率的信号可以通过外接混频器方式扩展FSW的接收频率，从而实现对更高频率毫米波信号的发射机测试，具体参见图5。

图2 微波频段高端矢量信号发生器SMW200A

图3 73GHz信号产生示意图

图4 毫米波信号产生及分析测试环境

图5 72GHz毫米波信号分析测试环境

FSW不仅可以在频域上对毫米波信号进行测试，还可以通过相应的矢量解调选件，对信号的调制质量（EVM等参数）进行分析，图6所示为频率62GHz，符号速率450MHz信号的分析测试结果。

同时，R&S公司的矢量网络分析仪ZVA也可以对毫米波器件实现完整的测试，图7为其测试示意图。

3.2 MassiveMIMO测试方案

MIMO技术已经广泛应用在无线和移动通信系统中，不过在5G系统中，对MIMO技术又做了进一步增强，首先天线数目已经不局限在4G阶段的2或者4根天线，将会有大规模的天线阵列出现，比如8、16或者128根天线；其次，三维天线的波束赋形等技术也将有可能成为现实。

图6 毫米波信号解调分析结果

图7 毫米波器件测试环境

R&S公司的矢量信号发生器SMW200A为MIMO系统测试提供了理想的选择，它可以产生满足标准要求的无线和移动通信信号，目前通过扩展可支持八根接收天线，频率最高可达到20GHz（见图8）。同时，SMW200A还可以模拟完整的MIMO传输信道，最大支持16条衰落通道，带宽高达160MHz。

图8 20GHz八天线信号产生测试环境

如果只需要对6GHz以下频率的八天线接收机进行测试，那么一台SMW200A配合6台外接的SGT100A射频扩展单元就可以实现，图9为其示意图。

对于MIMO系统发射机的测试，基本都是选择多个矢量信号分析仪来完成，比如测试2×2MIMO发射机，需要两个信号分析仪才能进行完整测试。R&S公司针对MIMO发射机的测试，不仅可以通过多台信号分析仪来完成，还提供了多通道数字示波器测试方案，可以大大降低测试成本。以4×4MIMO为例，传统的测试方案如图10所示。

使用多台信号分析仪测试MIMO方案，虽然可以对射频和信号调制质量进行完整的测试，但是随着天线数目的增多，需要更多的信号分析仪，这样会带来测试成本的增加。为了帮助客户节约测试成本，R&S公司推出了使用多通道数字示波器（RTO），配合相应的解析软件来测试MIMO信号调制质量的方案。目前，一台示波器可以测试四天线MIMO信号，具体参见图11。

图9 6GHz八天线信号产生测试环境

图10 4×4MIMO信号测试示意图

大规模MIMO系统中除了传统的发射机和接收机测试项目之外，还需要对天线阵列性能进行测试。R&S公司的最新多端口矢量网络分析仪ZNBT可以实现24端口天线的测试，频率可以达到8.5GHz，具体参见图12。

如果需要更高频率天线阵列的测试，可以通过R&S公司的矢量网络分析仪ZNB配合相应的射频开关箱来实现，并且开关箱可以由ZNB自动控制，测试过程中无需人工改变链路，其测试最高频率可达24GHz，图13为其测试示意图。

图11 RTO测试4×4MIMO信号

图12 ZNBT测试示意图

图13 ZNB测试示意图

同时，在针对大规模MIMO系统中的OTA测试，R&S公司也有完整的测试解决方案。R&S公司最新推出的频率高达40GHz的暗室，可以满足目前5G系统OTA测试的需求，图14为其示意图。

图14 40GHz频段OTA测试示意图

4 结束语

本文介绍了5G系统的关键技术，同时介绍了R&S公司针对5G系统中毫米波和大规模MIMO技术的测试方案。虽然目前5G技术还处在预研和标准制定阶段，不过各个厂家对于5G技术的测试需求已经越来越明显，罗德与施瓦茨公司的矢量信号发生器SMW200A、矢量信号分析仪FSW、矢量网络分析仪ZNB等仪表可以满足目前5G预研的需求，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。

1 IMT-2020推进组.5G技术白皮书.2014,5

2 5 G通信核心关键技术及各国研究进展.微波射频网

3 尤肖虎等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术.中国科学.2014

4 VectorSignalGeneratorR&SSMU200ASpecifications

5 SpectrumAnalyzerR&SFSWSpecifications