5G基站射频传导测试研究与应用

刘传利，桂丽，杨波

（中国信息通信研究院泰尔系统实验室，北京 100191）

0 引言

截止2019年底，全球已经有39个国家/地区的75家运营商建设了5G商用网络，5G基站出货量已超100万台，5G用户数预计已超6 000万[1]。基站作为网络接入的关键设备，其射频性能的优劣直接关系到网络容量、覆盖范围、吞吐量等指标，与用户体验息息相关。

5G基站的射频性能测试可以分为传导测试和OTA（Over The Air，空口辐射）测试两类。射频OTA测试作为新引入的测试需求，已经有大量人员进行过相关研究[2-4]。射频传导测试作为传统测试项目，其测试过程中存在发射机测试模式的选取、接收机参考测量信道配置、测试项目间关联性、测试结果与设备性能的相关性等多个关键点值得进行深入研究。当前除3GPP系列标准中对传导测试方法进行规范性说明外，国内外对相关测试方法或实施方案详细介绍的文献资料很少。射频传导测试系统方面，现有的测试系统仅针对5G终端，并无针对5G基站的成熟的传导测试系统。本文主要通过对5G基站射频传导一致性测试项目的梳理归纳，分析不同测试项目的配置、考量的设备指标及其对实际网络的影响，并结合实际测试的经验，提出了5G基站射频传导一致性测试的方案。

1 5G基站类型

5G基站主要用于提供5G空口协议功能，支持与用户设备、核心网之间的通信。按照逻辑功能划分，5G基站可分为5G基带单元与5G射频单元，二者之间可通过CPRI（Common Public Radio Interface，通用公共无线电接口）或eCPRI（enhanced Common Public Radio Interface，增强型通用公共无线电接口）接口连接[5]。

从射频测试的角度考虑，5G基站可以分为1-C、1-H、1-O、2-O四种类型。不同类型基站的主要区别见表1：

表1 基站类型的区别

2 5G基站射频测试标准

目前5G基站射频一致性测试标准主要有第三代合作伙伴计划（3GPP,The 3rd Generation Partnership Project）制定的国际标准和中国通信标准化协会（CCSA,China Communications Standards Association）制订的国内通信行业标准。

3GPP组织制定的5G基站射频一致性标准包括：射频技术要求[6]、射频传导测试方法[7]和射频OTA测试方法[8]，是基站射频指标的基本要求。

国内5G基站的行业标准包括《5G数字蜂窝移动通信网 6GHz以下频段基站设备技术要求》和《5G数字蜂窝移动通信网 6GHz以下频段基站设备测试方法》两本。行业标准是结合国内移动通信频率规划情况，考虑在不同通信制式共存共址的场景下，对3GPP规范中的部分测试项目和测试指标进行适当调整后的国内版本，更加适应国内的实际使用需求。

3 射频测试项目

5G基站的射频传导测试分为发射机、接收机和性能测试三个部分。

3.1 发射机测试项目

发射机的射频传导测试包括基站输出功率、输出功率动态范围、发射机开/关功率、发射信号质量、非期望辐射、发射互调等测试项目，具体的子项目见图1。

基站输出功率项目主要测试基站在常温环境和极限环境下输出功率的准确性和稳定性，评估基站在不同环境长时间工作的性能。

输出功率动态范围项目主要测试基站在最大功率输出模式和最小功率输出模式下的准确性，以保证在满负荷和最低负荷时均能进行准确的信号传输。

发射机开/关功率测试项仅针对TDD（Time Division Duplexing，时分双工）制式的基站，主要测试在收发时隙切换的过程中，时隙开关打开和关闭的时机控制是否符合要求，以及时隙开关关闭后的底噪是否符合要求。

信号质量测试包含频率误差、调制质量和时间对齐误差三个子项目，主要测试发射信号在频域、时域、调制域上的准确度[9]。

非期望辐射包含占用带宽、邻道抑制比、频谱发射模板、发射机杂散四个项目，主要保证基站发射信号时不对工作频带内或带外其他频段产生影响。

图1 发射机测试项目

发射机互调项目主要考察发射机抑制自身信号与干扰信号产生非线性产物的能力。当有干扰信号注入天线连接器时，干扰信号会与基站自身发射的信号产生非线性产物，该非线性产物可能会干扰其他频率的发射信号或接收信号。干扰信号来源可能是共址基站的共址发射互调，也可能是本基站其他发射单元的系统内发射互调。

3.2 接收机测试项目

如图2所示，接收机的射频传导测试项目包括参考灵敏度电平、动态范围、邻道选择性、信道内选择性、阻塞、接收机杂散、接收机互调等。

图2 接收机测试项目

接收机测试项主要测试基站接收机对上行信号解调的能力以及滤波器对干扰的抑制能力。参考灵敏度电平是对基站上行解调性能的直接体现，良好的接收机灵敏度可有效降低终端上行信号的发射功率，使终端耗电更少；动态范围指接收信号能被检测且不失真的功率范围，该范围反映接收机接收强/弱信号的能力范围；邻道选择性体现接收机对邻道干扰的抑制能力，良好的邻道选择性将扩展基站的邻频组网能力；信道内选择性体现接收带内不同幅度信号的能力，其性能优劣将影响基站抑制蜂窝网络远近效应的能力；阻塞体现接收机抗带内带外连续波干扰的性能，主要考察接收机低噪放和滤波器的性能；接收机杂散是衡量接收机正常工作时对其他频段的影响，是共存共址应用场景的要求；接收机互调重点关注的是多个载波信号同时输入到接收机后，由于非线性产生的互调产物对接收机的影响。

3.3 性能测试项目

传导的性能测试项目包括PUSCH（Physical Uplink Share Channel，物理上行共享信道）性能要求、PUCCH（Physical Uplink Control Channel，物理上行控制信道）性能要求、PRACH（Physical Random Access Channel，物理随机接入信道）性能要求等。具体的测试子项目见图3：

图3 性能测试项目

性能测试针对三个重要的上行物理信道（PUSCH、PUCCH、PRACH），测量其在多种传播条件下的解调性能，传播条件包含了网络应用中的常见场景。性能测试关注的是基站基带单元的解调能力。

4 射频测试方法与测试结果

射频传导一致性测试中，需要精确测量幅度电平、频率、时间、吞吐量等参数，主要用到的测试仪表有：频谱仪、信号源、噪声信号发生器、多径模拟器等。本节将以发射机和接收机的部分测试项目为例，搭建测试环境，对基站进行实际测试，并对测试结果进行分析与研究，给出可行的测试方法。

4.1 发射机测试

发射机传导测试连接示意图如图4所示，该配置可以进行基站输出功率、输出功率动态范围、频率误差、调制质量、占用带宽、邻道抑制比、频谱发射模板等项目的测试。测试过程中，为防止外界干扰对测试结果的影响，可将测试系统搭建在屏蔽室中。

图4 发射机测试连接图

发射机测试的基本流程如下：

（1）按照图4搭建测试链路，将基站天线连接器通过射频线缆经合适的衰减器连接至信号分析仪；

（2）配置基站按照最低工作频率、最大工作带宽、测试模式1.1发射信号；

（3）在信号分析仪上，使用Channel Power模式读取基站发射功率的数值，使用ACP模式读取邻道抑制比的数值，使用SEM模式完成频谱发射模板的测试。

（4）更改基站的测试模式，完成该模式对应项目的测试。

（5）更改基站工作的频率、带宽，重复进行步骤（3）、（4），直到完成所有频率、带宽、测试模式的测试项目。

根据测试需要，可将被测基站的时钟、同步信号通过线缆连接至信号分析仪，并在信号分析仪上进行外部时钟、外部触发的相应设置，以使信号分析仪的解调更加准确。

4.2 接收机测试

接收传导测试连接示意图如图5所示，该配置可以进行除接收机杂散外的所有接收机项目的测试，其中参考灵敏度电平、信道内选择性只需要一个信号发生器即可完成测试，接收机互调需要用到三个信号发生器，其余测试项目用到两个信号发生器。接收机杂散的测试连接示意图可参考图4，将图中的衰减器更换为衰减幅度合适的即可。

图5 接收机测试连接图

以邻道选择性为例，接收机测试的基本过程为：

（1）按图5所示连接测试链路，配置有用信号发生器在指定频点、带宽、速率和指定功率电平上发射射频信号；

（2）配置基站在指定频点、带宽、速率等参数下进行接收统计，确保链路畅通，误块率（BLER）符合要求；

（3）打开调制干扰信号发生器，按测试要求配置信号频率、带宽、功率电平等参数；

（4）再次对基站接收机的BLER进行统计，记录测试结果并进行判断。

为保证测试结果的准确，整个测试环境应在屏蔽室环境内进行，以杜绝外界干扰的影响。

4.3 发射机测试结果

结合生产厂家、基站类型、频段、端口数量等因素的差异，选取了两个生产厂家的不同类型、不同频段共8个基站设备进行实际测试，被测基站的主要参数见表2，发射机的测试结果见表3、表4。

发射机测试中基站需要配置两种测试配置：NR-FR1-TM1.1 和NR-FR1-TM3.1，其中NR-FR1-TM1.1 对应的测试项目有：基站输出功率、发射机开/ 关功率、时间对齐误差、占用带宽、邻道抑制比、频谱发射模板、发射机杂散；NR-FR1-TM3.1 对应的测试项目有：总功率动态范围、调制质量、频率误差。本文的测试中，两种测试模式均选择100 MHz 带宽，30 kHz 子载波间隔。

从表2中测试数据可以看出，在统一的测试模式下，8个基站的发射功率误差均未超过±2.5 dB的范围，调制质量（EVM）均未超过8%，符合规范要求。测试的频率误差均远优于指标要求，这与测试过程中使用时钟同步被测基站和测试仪表有直接关系，时钟同步能够保证两者的本振频率严格一致，减小测试环境带来的误差影响。

表2邻道抑制比的测试结果中，所有基站的测试结果均高于45 dB，符合指标要求。与发射载波频偏一倍带宽处的数值比频偏两倍带宽处的数值稍差，这与宽带调制的频谱特性一致，即频谱上距离载波越远，受调制载波的干扰影响越小。1号基站的测试结果相比其他基站略差，这与1号基站的发射功率（46 dBm/端口）最大有直接关系，发射功率越大，需要射频链路中的增益越大，引起底噪抬升，从而导致对邻道（频偏BW）、次邻道（频偏2BW）的抑制越差。

表2 被测基站主要参数

表3 基站发射机测试结果

表4 发射机杂散辐射测试结果

表3杂散辐射测试结果中，类型1-C基站的发射功率均高于类型1-H基站，其杂散数值也略高，可知发射功率的大小对杂散辐射有直接的影响。9—150 kHz、150 kHz—30 MHz频段的杂散为低频范围，主要受被测设备电源特性的影响，实际测试中通过更换品质更好的电源可以改善该段的测试结果；30 MHz—fc（载波频率）频段范围的杂散与被测基站的功放、滤波器特性密切相关，通过更换过渡带更窄的滤波器，能显著改善发射信号频带边缘处的杂散性能；在2fc（载波频率的2倍）以上频段，杂散产生的主要原因是射频链路非线性产生的互调、谐波等次生产物，通过改善基站射频输出端元器件在工作频段上的线性度能降低该频段的杂散。

4.4 接收机测试结果

对发射机测试中的8个基站，均进行了接收机灵敏度的测试，测试结果见表5。接收机测试配置均为：系统带宽100 MHz，子载波间隔30 kHz，物理资源块使用数量51，参考测量信道G-FR1-A1-5。

表5 基站接收机测试结果

在标准规定的参考灵敏度电平下，8个基站的吞吐量都达到了该参考测量信道理论速率的100%，即在物理层无任何误块产生，判定该项测试合格。为进一步测量基站接收机的极限状态，在此配置环境下继续降低有用信号发生器的输出功率，使基站接收到的电平逐步降低，直到误块率达到5%，吞吐量达到理论值的95%，记录各基站的灵敏度极限值。从表5中数据可以看出，类型1-C的基站大约降低7 dB达到灵敏度极限值，类型1-H基站降低4～6 dB即达到极限值，因此同样网络覆盖条件下1-H基站的覆盖范围略低于1-C基站；在实际使用中，类型1-H基站通道较多，可以通过波束赋形提高覆盖范围，最终两者的实际覆盖范围基本一致。

除杂散外，接收机的其他测试项目均可在接收机灵敏度测试的基础上增加不同类型的干扰即可实现，不再一一列举。接收机杂散的测试连接与步骤与发射机杂散一致，此处不再赘述。

5 结束语

本文基于5G基站射频传导测试，介绍了相关测试标准和测试项目，对发射机、接收机的测试项目进行分析研究，指出其对网络应用的影响，给出了射频传导发射机和接收机测试的连接图及测试环境搭建的过程。通过对多个基站的实际测试，分析了影响测试结果的主要因素以及测试中的注意事项。

随着5G网络的建设，多通道基站的使用越来越多，导致射频传导测试的工作量大幅增加，传统手动测试单通道基站的方式已经很难满足需求；通过引入开关矩阵并配合自动化测试系统进行射频测试，能够高效、准确地测试多通道射频性能，是一个重要的发展方向。另外随着天线一体化基站的应用，通过OTA方式测试所有射频项目是一个必然趋势，如何准确、高效地进行射频OTA测试是一个值得研究的课题。