5GNRR15R&S信号产生与分析方案

1 引言

第五代移动通信技术（5GNR）是继目前4GLTE部署后移动通信标准的下一个主要阶段。3GPPR15于2017年12月冻结成为第一版本5G NSA（Non-Standalone）标准，重点放在了两大应用场景——增强的移动宽带（eMBB）和超可靠的低延迟通信（URLLC），主要是实现更高的数据速率、改善连接并达到更高的系统容量，除了使用低于6GHz的频率，也会使用毫米波（mmWave）波段。

在5GNR中有几种不同类型的子载波间隔可选，包括15、30、60、120和240kHz。为了实现不同Numerologies之间的高复用率，3GPP确定了Δf×2^u的原则，指5GNR最基本的子载波间隔与LTE一样15kHz，但可根据15×(2^u)kHz，u∈{0,1,...,4}灵活扩展。

3GPP在5GNRR15之前提出了许多波形选项，需考虑与MIMO的兼容性、频谱效率、低峰均功率比（PAPR）、URLLC用例、实现复杂度等因素。目前，3GPPR15已确定，CP-OFDM支持5GNR的上行和下行，引入了DFT-S-OFDM波形与CP-OFDM波形互补用于低峰均比的上行。CP-OFDM波形可用于单流和多流（即MIMO）传输，而DFT-S-OFDM波形只限于针对上行链路峰均比较低的情况的单流传输。

5G NR的下行OFDM调制方式为：QPSK、16QAM、64QAM和256QAM；上行DFT-s-OFDM调制方 式 为 ：π/2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM 和256QAM。上行增加了π/2-BPSK，主要考虑在mMTC场景下，数据速率低，以实现功放的更高效率。除了π/2-BPSK，5GNR与LTE-A使用的调制阶次是相同的，不过3GPP正在考虑将1024QAM引入。

不管采用哪种参数集，5G无线帧和子帧的长度都是固定的，即一个无线帧的长度固定为10ms，1个子帧的长度固定为1ms，与LTE相同，从而更好地保持LTE与NR间共存，利于LTE和NR共同部署模式下时隙与帧结构同步。不同的是，5GNR定义了灵活的时隙和符号，长度根据子载波间隔大小可变，因此5G帧结构划分为由固定结构和灵活结构两部分组成。一个时隙里的符号数量14个在不同子载波间隔取值时都不变，变化的是一个子帧Subframe里时隙的个数会呈2^u倍数变化。

LTE中一个RB（Resource Block）定义为12个子载波，1个时隙为1RB；而NR中一个RB仍然为12个子载波。相比4G最高仅90%的信道带宽利用率，5GNR进一步提高信道带宽利用率，最高可达98.28%，需要各厂家自主实现对占用带宽设计和带外抑制并没有统一标准，可采用Filter、Windowing技术等。

5G NR在频域上引入了一个新的Carrier Bandwidth Part（载波带宽分块，BWP）。根据3GPP38.211章节4.4.5，将载波带宽分块定义为：一组连续的物理资源块，从给定载波上给定的参数集的公共资源块的一个连续子集中选择，每一个BWP内的Subcarrier Spacing、Symbol Duration、Cyclic Prefix Length 可以不同。UE可以在下行、上行链路中被配置多达4个BWP，但在给定时间内只有一个DL/UL BWP处于激活状态。5GNRR15物理层的关键参数汇总参见表1。

为5G提供信号生成和信号分析仪器特别具有挑战性，硬件上需要面对高频率和高带宽的挑战。同时，还要保证信号质量，需要测试仪器能产生接近理想的信号，分析仪也要有极低的残余误差，并能提供可扩展的分析带宽。信号发生器同样也必须能够处理高频信号，并且可以扩展为5G提供信号生成和信号分析仪器特别具有挑战性，硬件上需要面对高频率和高带宽的挑战。同时，还要保证信号质量，需要测试仪器能产生接近理想的信号，分析仪也要有极低的残余误差，并能提供可扩展的分析带宽。信号发生器同样也必须能够处理高频信号，并且可以扩展。

2 5G基站测试组网图和组成仪器介绍

以典型的5G基站作为待测设备，如图1所示测试组网中包括高端矢量信号源SMW200A和高端信号与频谱分析仪FSW，其它测试仪器可以提供干扰信号和交调、阻塞信号。R&SFSW信号和频谱分析仪支持最高可达85GHz的频率上限，内置分析带宽是2GHz。配合R&SRTO2066数字示波器，分析带宽可轻松扩展到5GHz带宽。R&SSMW200A矢量信号发生器频率范围可达40GHz，提供高达2GHz的内部调制带宽。信号源和分析仪都内置宽带信号的均衡功能，信号源能产生接近理想的信号，分析仪能正确地分析宽带信号（残余误差极小），无需复杂的校准和调整，使用极其方便。

3 5GNR信号源主要功能和特点

表1 5GNRR15物理层的关键参数

图1 5G基站测试组网图

R&SSMW200A高端矢量信号源的5GNR信号产生选件SMW-K144特性与3GPPR15保持一致，根据3GPP规范[1-4]实现，包含以下物理层信号和特性：Downlink信号产生、Uplink（CP-OFDM and DFT-SOFDM）信号产生、Numerologies、Channel BWs、Sync（SS/PBCH）、Multi-BWPs、User/BWPCORESETs、Time Plan。

5GNR信号产生软件可用于产生符合3GPP的5G NR信号用于接收机的系统测试和组件硬件测试。它能生成3GPP5GNR标准信号（包含LDPC编码和极化码信道编码）用于接收机测试（见图2），支持上行和下行配置的灵活子帧分配、不同的参数集（子载波间隔——15、30、60、120、240kHz）和多用户通道生成与PUSCH和PDSCH。也支持单载波、多载波和多天线端口传输，包括空间多路复用和传输分集。用户能自定义数据PN9、PN15、数据包等用于BLER测试。

图2 SMW200A5G NR信号配置界面（左）和时频资源图（右）

此外，SMW-K144软件5GNR提供了用于元器件和发射器的功率和调制性能测试信号。可用于信道功率、频谱发射模版和杂散发射测试，查看CCDF、频谱、时域和功率包络图来研究效果功率坡度、调制格式、功率变化、削峰调整峰均比（PAPR），降低波峰因子。

4 5GNR信号分析主要功能和特点

使用基于高端信号与频谱分析仪的5GNR测量应用选件FSW-K144，可以对gNB和UE器件发射机性能在时间、频率和调制域进行测量，符合基于3GPP TS38.104和141规范。

通过对5GNR信号进行解调设置（见图3），可以配置SS块（添加/删除SS块）、BWP（多个BWP设置）、多用户和PDSCH设置以及无线帧结构PDSCH/PDCCH。

图3 信号与频谱分析FSW解调配置界面

图4是一个5G NR下行信号调制域解调分析结果，包括256QAM显示星座图、频谱、帧结构、EVM。P-SS、S-SS、PBCH-DMRS、PDSCH、PSDCH-DMRS频道/信号结果被单独列出，以方便问题查找和定位。也可显示每个BWP、子帧、时隙的物理信号和物理信道详细信息，例如功率、调制方式、EVM。

图4 信号与频谱分析FSW解调结果显示——EVM、星座图等（左）与物理信号和物理信道详细信息（右）

FSW-K144解调功能主要用于符合TS38.141的基站下行信号射频测试，测试项目和测试方法汇总参见表2。

本文介绍了R&S公司用于符合5GNR规范的测试设备及相关信号产生和分析软件，并以一个典型基站设备为例，使用信号源和频谱仪对5GNR基站发射机和接收机射频性能进行测试。

表2 TS 38.141的基站下行信号射频测试项目与测试方法