通信布网，测试先行。在LTE网络迈向更高速率的同时，5G通信已经开始布局，并在测试验证方面取得阶段性的进展。在5G通信的候选技术中，使用3D MIMO、毫米波波束成形、Massive MIMO等技术已被视为5G技术的重要方向，而主流的测试厂商正在以应用场景为核心，对5G的相关技术做出测试验证，加速5G的商用进程。”
”远胜4G 指标量级 5G测试以应用场景为核心
与4G开始时标准化完成之后再进行测试不同，在5G测试先于标准制定，测试验证的解决方案也要先于设备和终端产品出现。今年年初，由国际标准组织与中国5G技术研发试验正式同步启动对新一代移动通信技术测试和验证，通过测试验证，将完成对5G关键技术验证和遴选，推动5G标准形成和完善，带动5G应用创新和发展。具体而言，中国5G技术研发实验将在2016到2018年进行，今年的重点是进行5G关键技术和部分技术方案的测试验证。
图：美国国家仪器有限公司（NI）射频与无线业务市场开发经理姚远
“从产业来说，5G技术在通信发展过程中将具有里程碑式的意义。”美国国家仪器有限公司（NI）射频与无线业务市场开发经理姚远在接受本刊记者采访时表示，虽然目前5G标准还在制定过程中，但我们在讨论技术标准与测试验证时，引入了5G通信所需要应对的不同的应用场景，除了数据传输高吞吐量外，还提出了包括低延时，海量设备接入等需求。
面对纷繁复杂的应用场景为导向的5G技术，与4G相比，将在技术上存在很大的突破。从测试的技术指标上看，要求大容量、高速率、高可靠、低时延等，这远胜于4G测试的指标量级。
MVG公司亚洲高级销售经理陈国荣在接受本刊记者采访时表示，5G的测试验证与4G LTE不同，从5G多天线技术的测试而言，5G天线和4G天线测试最大的测试技术不同主要来源于测试频率的变化和拓宽。4G天线测试频率集中在6GHz以下，5G天线的测试频率会非常复杂，频率上限可以达到几十GHz，甚者更高的频率。
图：MVG公司亚洲高级销售经理陈国荣
具体而言，以应用场景为核心的5G测试，存在多种技术需求。姚远告诉记者，国际电联(ITU)定义了三种5G典型的技术需求，包括增强的移动宽带，海量设备通信以及高可靠性设备通信。实际上，这三种技术需求为我们描绘了一个非常广阔的应用空间，从时下热门的车联网到智能工厂再到虚拟现实等等。
“5G的测试场景主要是需要更高速数据传输的场景，因为这种场景最能凸显5G天线的优势。”陈国荣认为，整个通信行业的发展一直遵循着更高数据传输速度的原则，这也是符合市场需求的。从通信领域基础的香农公式可以理解，更高的传输速度就意味着更高阶的调制信号以及更宽阔的传输频率带宽。因为频率占用的限制，所以5G通信就提供了有效的发展趋势，也显示出了它的优势。
姚远表示，在5G的测试场景中，伴随着测试场景的多样化，软件定义仪器功能的趋势将更加显著，软件在这些测试场景中将起到一个非常重要的作用。传统的仪器厂商提供的固定功能和固定测试模块的仪器将很难满足5G测试的需求，而软件定义的一个优势就在于，能够迅速将最新的通信标准融合进入现有的测试解决方案。
当一个标准正在诞生的时候，相关测试标准以及测试方案的推出往往能够促进该标准的技术发展。譬如，大规模天线（Massive MIMO）是一个5G的重要候选技术，其理论颇具有开创性，即大幅度提升基站端的天线数量，让其远大于用户端天线数，从而提升频谱利用效率。姚远告诉记者，这项技术在理论推演中获得了很好的性能，但却在原型验证阶段遇到了挑战，没有公司可以提供一个如此高通道复杂的射频系统。目前，NI与瑞典隆德大学教授一起设计出了全球第一套基于NI商用平台的Massive MIMO原型系统，为这项技术的进一步发展奠定了基础。通过软件定义仪器功能，可以将最新的通信技术融合到仪器功能中去，在通信技术早期就可以获得新技术的测试验证结果，这在传统仪器时代是无法想象的。
三大主流技术并驾齐驱 频谱效率显著增加
关键技术的测试与验证是5G标准化和产业化的重要步骤，是实现5G商用发展的基础，除了上述谈到的Massive MIMO技术，5G还有多种候选技术。是德科技（中国）有限公司无线通信市场拓展工程师马健锐在接受本刊记者采访时表示，Massive MIMO和毫米波波束成形被认为是5G很有应用前景的技术，大规模天线通过在基站侧部署远多于小区终端数量的天线阵列，实现在水平和垂直维度的灵活的波束控制。Massive MIMO及其早期技术3D-MIMO需要能够提供更窄更精确的指向性波束，提升SNR/SINR增益，增强小区边缘覆盖性能，并且可以利用空分复用，同时共享同一时频资源，提升频谱效率和系统容量。
图：是德科技（中国）有限公司无线通信市场拓展工程师马健锐
与Massive MIMO相仿的3D-MIMO是3GPP Release 13 增加的基于LTE的天线增强技术，应用于当前LTE频段以及5G规划的频段中。马健锐告诉记者，3D-MIMO是4.5G技术，基于3GPP LTE/LTE-A的架构，第一阶段先实现3D MIMO 64/128大规模天线阵列，然后提高传输流数量和用户容量，第二阶段即5G阶段，将应用改进的灵活OFDM和非正交多址接入，并实现Massive MIMO和Massive CA。
同时，毫米波(mmWave)也是一个重要的5G待选技术。姚远告诉记者，毫米波虽然因为其传播特性，使其在覆盖范围上存在瓶颈，但毫米波为我们提供了广阔的频谱资源以及极大的数据传输带宽，从而使得一些点对点高速率传输场景成为可能，尤其是在高频段上可以为热点地区提供广泛的连接支持。
陈国荣对此表示认同，并称，毫米波同样是天线研发设计测试的热点之一，目前MVG在这方面投入已经得到了很好的市场反馈，毫米波将通过波束成形、讯号处理等技术，使无线装置拥有几十个天线单元，基地台拥有成千上万个天线单元，提升网络容量。MVG认为，毫米波技术非常契合5G无线技术的演进方向，其无线千兆比特（WiGig）融合了WirelessHD和传统Wi-Fi技术的优点，在传输速度、高清度、安全性、兼容性等方面具有综合性优势。而WiGig作为5G的一个有效技术方案，在频率占用方面有很大优势，考虑到覆盖的问题，可以作为其他5G技术的覆盖补充。鉴于WiGig设备的巨大应用前景，以μ-Lab为代表的系统将为评估新兴的WiGig天线提供前所未有的便利。
“上述所说的三大技术的确是很热门的5G技术研究方向，其测试的基础是针对MIMO技术的测试。”姚远告诉记者，相比与传统单通道通信系统，多输入多输出（MIMO）通信系统有效地提高了信道容量并极大的提升了频谱效率。无论是蜂窝通信还是无线宽带通信，其最新的通信标准无一例外的使用了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十倍甚至更高。
从技术角度看，5G系统的频谱效率比4G系统有显著增加，能效和成本效率也将会大幅提升，同时要引入大规模天线、3D MIMO、毫米波波束成形、超密度组网、新型多址、非正交编码和全频谱接入等技术，并对技术和测试提出了新的需求和挑战。这就需要整个体积越来越小，集成度越来越高，按照传统天线的接入技术是达不到要求的，一般需要通过空中接口、空中无线的方式来测试，整个测试的理论、测试方法、测试仪器都是一个新的技术与挑战。
提供多种测试支持 2018年5G标准将统一
事实上，上述5G主流的技术已经确定了对应的测试规范，目前已开始进行测试工作，同时，包括网络切片、控制功能重构等5G网络技术，也在准备进入具体测试环节。
“MVG在3D MIMO、毫米波波束成形、Massive MIMO三种主流技术上都有深入的研究，目前在国内已经开展了实际的项目和实施工作。”陈国荣告诉记者，其中阵列天线与基站一体化设计是实现这三种技术的主流方向，2016年，MVG 对于天线与基站一体化的系统成功实现精确有源测量，为以上三种技术测量提供了奠基石。
马健锐坦言，Massive MIMO的研究和开发发生在各个方面，但是一方面由于5G标准还在演进，没有标准Massive MIMO基站可用，一方面Massive MIMO原型机仍然是只有少数领先设备厂商才能制造，数量有限并且造价昂贵，其实也未必足够灵活地适合研究开发的目的。针对这样的需求，目前是德科技 基于商用现货的测量级产品，推出了兼顾成本和性能的Massive MIMO Real Time Beamforming 原型机参考方案。该方案具有强大的功能和灵活的可扩展性，可根据天线阵列的形态提供灵活准确的波束赋型和闭环控制功能，模拟波束跟踪，精准的校准能力，具有+-1ps的定时可重复性，并且实时测量波束射频性能，解调波束信号，提供星座图，EVM，波束赋型权重等参数，实时显示波束赋型形状和效果、并开放FPGA接口，用户可以将自行开发的算法导入真实Massive MIMO环境中验证。相当于一套经过验证的可靠的Massive MIMO中射频物理层，非常适合在其基础上开展开放式算法的研究，或用做基带，与现有天线阵列、移相器系统结合扩展成更大规模、可以向毫米波延伸的Massive MIMO原型机。
不管是Massive MIMO还是3D MIMO，从测试角度来看，MIMO系统无疑在5G中将会变得更加复杂，测试验证更具有挑战性。姚远告诉记者，绝大多数的传统仪器都是单通道矢量信号发射或者分析，少数仪器可以扩展成双通道矢量信号分析，也都是独立射频信道，理论上无异于使用两*独台**立的台式仪器。使用独立的传统仪器进行MIMO测试，遇到的最大困难是，如何让各个射频通道进行同步相干采集，并针对原始信号做有效解调及分析。传统台式仪器通常是依靠共享同一参考时钟的方式来进行同步，其相位精度很难得到保证。这时，基于PXI平台的模块化仪器的优势就显现出来，由于模块化仪器其本振，上/下变频器，数字化仪以及任意波形发生器是分开的，我们可以很容易的将同一个本振信号共享给多个上/下变频器，获得一个更加精准的相位相干多路信号，或者针对MIMO系统的输出射频信号进行分析。另一方面，参考下图，我们可以看出在成本和体积上，基于PXI的模块化仪器系统也具有传统仪器无可比拟的优势。在国内，NI与上海无线通信研究中心合作，设计开发出了一个8通道并行MIMO信道测量系统，在不同场景下，获得了大量的信道原始数据，为后续的信道建模研究提供了大量的测试数据支持。
姚远进一步表示，NI提出的基于PXI平台的无线测试平台提供了一种“打破常规”的解决思路。一方面，在PXI平台上，可以更快享受到商业现成可用技术所带来的成本优势；另一方面，这种软件定义的模块化的解决方案具有极强的灵活性和可扩展性，可以很好的支持不断演进的通信标准。
陈国荣告诉记者，5G的商业化序幕将要开启，5G设备进行精准天线测量的需求应运而生。5G设备的精确天线测量涉及波束指向角度、方向性、增益值等指标。传统的天线测量系统通常造价高且需要空间和场地保障，而测试5G设备的现实情况是，测试系统要灵活适应各种设备的使用环境，满足高性能指标，还要兼顾成本。MVG的μ-Lab在这些方面都进行了创新。而有源天线系统（AAS）作为即将到来的5G蜂窝网络的组成部分，MVG主张一种新的测量方法来获得其在三维空间中的所有特性。为了准确获得有源天线系统的总体性能，必须依赖一个经过校准的空中*载下**（OTA）装置，这是因为空中*载下**装置可以测量空间定向功率和灵敏度曲线，使得5G网络有源天线的性能参数测试与现有微型移动设备的测试变得非常相似。
MVG在实验中使用支持LTE协议的移动手机8阵元天线来模拟AAS天线，在近场环境下对有效灵敏度、有效全向辐射功率等参数进行测量，实测结果符合预期，进一步证实相位补偿技术能够有效地测量大带宽调制信号（如LTE）在近场的相位，并且实现近场和远场转换。陈国荣认为，近场测量技术固有的优点使其成为精准测量和5G设备测试的最佳方法。
而对于5G测试的产品规划与支持，NI尤为看好软件平台的投入，软件也已经成为整个行业应用的趋势。姚远表示，NI希望能够提供一个开放式的软件平台，该软件平台首先需要能够简化客户对于整个系统的开发难度，其次，客户们可以在这个平台上进行分享，类似于智能手机的应用商店。客户将最终从这个软件的生态系统受益。另外，NI还会持续投入模块化射频硬件，随着半导体的发展，NI会提供更高带宽、更高频段的模块化射频产品，让更多的5G应用在PXI平台上成为可能。我们认为FPGA是模块化仪器发展的一个重要方向，仪器厂商不仅需要在硬件模块中加入FPGA，更重要的是要能够将FPGA的功能完全开放给客户，让客户可以最大限度的利用FPGA的运算能力，完成自己应用的创新。
当前，5G的发展路线尚未统一，技术方向主要分为两种，一种是基于6GHz以下LTE技术的演进，另一种是6GHz以上重新设计5G物理层和网络构架，而对于两种技术的测试验证已经展开。根据国际电联5G规划，这两种技术路径预计在2018年统一，而届时5G测量验证也将完备，5G产业链将会全面爆发。
马健锐告诉记者，5G实现超高数据传输目标的核心技术之一是采用毫米波60GHz以上的高频段和 2GHz 以上的超宽带信号调制。是德科技专门为 5G 先进技术研究开发而设计出一套完整的软硬件结合的 5G OTA毫米波宽带通信原型机系统及验证测试平台。该套方案基于是德科技灵活可靠的 SystemVue 系统设计仿真软件，M8190A 超宽带任意波发生器，E8267D 微波矢量信号发生器，N9040B UXA 宽带矢量信号分析仪或 63G 实时示波器，可以直接产生和分析高达 4GHz 带宽的诸如 F-OFDM、FBMC、Flexible-OFDM 等等为代表的 5G 物理层信号。
“从频谱上来看sub-6G与毫米波通信都是5G重要的组成部分。”姚远认为，在6GHz以内的LTE技术演进被认为是一个更加现实的演进方案，其实在3GPP Rel-13中，诸如LTE-LAA, 有源天线系统(AAS), 混合型波束塑形等技术已经被引入，这些已经被认为是4.5G的技术，在LTE技术的持续演进中，6G以内的频谱利用效率将会进一步提升。另一方面，毫米波是5G一个很重要的候选技术，通过毫米波的使用，可以极大的扩展频谱资源，从而获得极大的空口带宽，提高通信传输速率和质量。但毫米波的使用的确是碰到很多挑战，由于其在大气中衰减严重，无法被使用于传统的无线通信场景中。所以，目前针对毫米波技术有一项很基础也很重要的工作即毫米波信道测量，需要使用毫米波信道，就首先需要了解这些信道的特点并对其有合理的建模。目前对于毫米波信道的测量工作，国内外有很多领先实验室已经展开。
总之，在IMT-2020（5G）推进组的组织下，5G研发试验与测试验证正在按照规划的时间周期进行，在主流的测试厂商对5G关键技术测试与实验组织进行试验推进下，产业链将逐渐对5G的核心技术与演进方向形成共识。随着2018年5G标准的落地，韩国冬季奥运会和莫斯科世界杯都将成为5G试验应用的绝佳机会，届时5G发展将会迈向新的起点，转战2020年的商用步伐。
文章来自：华强智造创客空间兄弟杂志《华强电子》
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