5G终端测试关键技术研究_王国奇.pdf

73技术交流2023.01 广东通信技术DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2023.01.0155G 终端测试关键技术研究王国奇陈健明林煜森李小兵当前 5G 终端发展迅速，测试是验证终端产品性能是否达标的主要手段，对保障产品质量具有重要意义。对 5G 终端的一致性测试、OTA 测试、互操作测试的关键技术与方法进行研究，首先分析了协议一致性、无线资源管理一致性、射频一致性的测试目的与测试指标，其次介绍了 SISO OTA 与 MIMO OTA 的主流测试方法及各方法的优缺点，并对测试方法的标准化现状进行了简要说明，最后对互操作测试的内容及不同测试方式的特点进行了分析。王国奇助理工程师，硕士毕业于广州大学，现任职于工业和信息化部电子第五研究所，主要研究方向为无线通信技术、基站与终端测试等。陈健明工程师，现任职于工业和信息化部电子第五研究所，主要从事通信产品检测工作。林煜森助理工程师，硕士毕业于广东技术师范大学，现任职于工业和信息化部电子第五研究所，主要研究方向为智能通信、信号检测等。李小兵正高级工程师，博士毕业于吉林大学，现任职于工业和信息化部电子第五研究所、广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，主要研究方向为装备可靠性。关键词：5G 终端 一致性测试 OTA 测试 互操作测试（IOT）摘要1 引言5G 作为新一代移动通信技术，具有高带宽、低时延、大连接的技术特点，是全球科技进步和经济发展的重要引擎，也是我国新型基础设施建设的重要内容。而终端既是连接用户和新技术的桥梁，也是用户感知新技术的载体，是 5G 成熟商用的关键组成部分。截至 2022 年 8 月底，全球已发布的 5G 终端型号数量达 1521 款，其中已上市1175 款，涉及终端厂商超过 193 家，产品类型包括智能手机、无线 CPE、路由器、网关、移动热点、电脑等1。2022 年是我国 5G 正式商用的第 3 年，根据工信部发布的2022 年前三季度通信业经济运行情况显示，截至 2022 年9 月末，我国 5G 基站总数达 212 万个，5G 移动终端用户已达 5.1 亿户2。伴随着 5G 网络建设加速前行以及 5G 产业应用的蓬勃发展，5G 终端的数量也将继续增长。74技 术 交 流技术交流5G终端的核心产业链环节包括通信芯片、通信模块、天线和射频等部分，其发展应用与质量保障离不开测试认证，除了各生产厂商在研发生产阶段对产品进行测试外，5G终端在上市前还需要进行入网测试与运营商入库测试。其主要测试内容包括无线通信能力、硬件性能可靠性、软件可靠性、业务应用能力 4 个方面，其中无线通信能力测试一般包括一致性测试、互操作测试（Interoperability Test，IOT）、网络兼容性测试等，硬件性能可靠性测试包括 OTA（Over The Air）测试、硬件结构、功耗测试等，软件可靠性测试包括本地功能、终端安全能力、系统管理功能等测试，业务应用能力测试内容和具体业务类型密切相关，如语音、视频、通话、数据收发业务等。与 4G 相比，5G 终端的工作频率更高、产品性能更强、技术要求更高、软硬件复杂度更大，对测试体系也提出了更严苛的挑战，为保证终端功能及性能能够满足商用需求，对 5G 终端测试的关键技术与方法研究尤为重要3。在 5G 终端测试中，一致性测试具有非常重要的作用，是保证终端和系统设备稳定通信的关键，但一致性测试通常只针对某一特性和功能，在理想网络环境下对终端的信令面进行测试，测试级别是在协议级，关注的是被测实现是否与协议规范一致，而对终端其他方面的性能指标关注较少4。互操作测试的测试级别是在功能级，可通过在不同网络配置环境下对终端的用户面指标进行测试，相比一致性测试更接近真实网络，可通过特定场景的用例弥补一致性测试用例的不足，从而满足不同运营商特定业务的测试需求。在实际测试中，一致性测试通过并不能保证互操作测试一定可以通过，而互操作测试也不能替代一致性测试，二者是互为验证、互为补充的关系5。另外，在一致性测试中，传统的传导测试方法无法将天线因素对终端整机性能的影响考虑在内，因此，为验证终端的整机性能还需进行 OTA 测试，OTA 测试可用于评估终端的天线效率及终端整体的接收和发射性能，是衡量终端整体辐射性能的重要方法。4G 与 5G FR1 频段的终端在进行射频/基带一致性和辐射性测试时，通常采用传导测试结合 OTA 测试的混合测试方法，而 5G 毫米波频段终端由高度集成化的特点，所有的射频性能指标都将采用 OTA 测试，OTA测试在终端的研发和认证环节中占比逐渐增多，也成为5G 毫米波终端测试的必选方案。本文将对 5G 终端的一致性测试、OTA 测试、互操作测试的测试指标与测试技术方法分别进行分析研究。2 终端一致性测试终端一致性测试包括协议一致性测试、无线资源管理（Radio Resource Management，RRM）一致性测试和射频一致性测试和 3 个部分6。目的是验证终端设备实现与相应协议标准的一致性，保证不同终端在网络中表现一致并且能够互联互通。2.1 协议一致性测试协议一致性测试是对空口协议信令交互一致性进行测试，目的是验证终端无线通信协议栈实现的正确性。5G协议栈分为接入层（Access Stratum，AS）与非接入层（Non Access Stratum，NAS），其中 AS 层包括层 1（PHY 层）、层 2（MAC/RLC/PDCP 层）和层 3（RRC 层），NAS 层包括移动性管理（5G Mobility Management，5GMM）和会话管理（5G Session Management，5GSM）两个子层，用于实现终端和网络间信令的传输7。5G 控制面协议栈如图 1 所示，协议一致性测试关注的是 AS 层的层 2 与层3 以及 NAS 层的功能实现，如各层协议的控制面和用户面的数据包封装、消息交互流程。图 1 5G 控制面协议栈协议一致性测试内容主要包括空闲模式操作、层 2 测试、RRC 层测试、NAS 层测试等8。空闲模式操作是指UE在NR网络环境下的PLMN选择、小区选择及小区重选；层 2 测试是指用户面所有协议层的功能测试，包括 MAC层的随机接入过程、上下行数据传输、不连续接收，RLC层 TM、AM、UM 实体的功能，PDCP 层的加解密与完整性保护、路由、重排序等；RRC 层测试验证 UE 处理 AS层信令的能力，包括连接建立、测量管理和切换等；NAS75技术交流5G 终端测试关键技术研究2023.01 广东通信技术层测试验证 UE 处理移动性管理和会话管理信令的能力。2.2 RRM 一致性测试无线资源管理是无线网络和终端的关键功能，指对移动通信系统的空中接口资源的规划和调度，其目标是在有限带宽条件下，为网络内无线用户终端提供 QoS 保证9。RRM 一致性测试是对终端无线资源管理能力进行测试，验证终端在变化的无线环境中的性能，主要关注终端重选、切换、测量等过程的精度、时延和成功率是否达标。其测试主要考察两大指标：处理时延、测量精度，其中处理时延是指从执行可触发终端进行某项无线资源管理行为的外部环境变化或空口信令开始，到终端完成该无线资源管理操作所经历的时间，该指标反映了终端物理层测量能力、数据处理能力、决策算法性能等多方面能力。RRM 一致性具体测试项目包括以下 6 类10：（1）空闲态移动性：验证终端处于 RRC_IDLE 状态下重选的能力，包括不同制式下同频、异频的小区重选，测量指标为时延。（2）连接态移动性：验证终端处于RRC_CONNECTED 状态下的系统内切换与系统间切换、RRC 连接移动控制以及条件切换的能力，其中 RRC 连接移动控制包括无线链路重建、随机接入过程的测量、RRC 重定向。（3）定时：包括 UE 上行发射时间、UE 定时器精度、UE 定时提前量等。（4）信令特性：包括无线链路监测、链路中断、单小区激活和去激活延迟等，测量指标一般为时间量。（5）测量过程：包括各制式下、同频、异频等情况下的测量，通常是通过测量终端上报的各种测量报告时间来评定终端的测量过程。（6）测量性能要求：指终端上报各种功率精度的测试，如 RSRP、RSRQ、SINR 的测量精度等。2.3 射频一致性测试射频一致性测试用于验证终端射频性能和基带解调性能，通过测试来评估终端射频性能指标和标准的符合性和偏离度，测试内容包括终端发射机性能指标、接收机性能指标、解调性能指标、信道状态信息（Channel State Information，CSI）上报四部分1114。如图 2 所示，发射机指标主要包括输出功率、输出功率动态范围、传输信号质量、输出射频频谱辐射以及发射互调。接收机指标包括参考灵敏度、最大输入电平、邻道选择性、阻塞特性、杂散响应等。信道解调性能主要测试终端在静态传播条件和多径衰落的条件下对相关物理信道的解调能力、如 PDSCH、PDCCH、PBCH 信道的解调，主要关注指标为吞吐量。CSI 上报主要测试信道质量指示（Channel Quality Indicator，CQI）、预编码矩阵指示（Precoding Matrix ndicator，PMI）、秩指示（Rank Indication，RI）的上报能力。图 2 终端射频一致性测试指标4G 终端及 FR1 频段终端的射频测试，除总辐射功率（TRP）和总全向灵敏度（TIS）外，其余指标通常采用传导测试方式，该方式采用射频线缆将测试设备直连到测试仪表实现测试，可避免空间辐射的干扰信号对测试的影响。而在FR2频段，5G毫米波终端采用了大规模天线阵列，天线和射频一体化的设计使天线和射频通道高度集成且通道数目众多，导致传统的传导测试方法不再适用于 5G 毫米波终端一致性测试。因此，5G毫米波终端的射频一致性、辐射与整机性能测试均需要采用 OTA 测试的方法，即空口测试，OTA 测试时信号从空口发送或接收，而不是采用传导线连接，通过整机性能测试，终端的发射和接收性能可得到更真实的反映15,16。3 OTA 测试当前，OTA 测试越来越受到终端厂商和运营商的关注和重视，根据天线端口的数量，OTA 测试分为 SISO OTA测试和 MIMO OTA 测试17。SISO OTA 测试主要对终端的射频指标进行测试，MIMO OTA 测试在系统中加入衰落信道环境来模拟真实的无线传输环境，主要对终端的吞吐量等性能指标进行测试。3GPP 定义了 5G 网络的两个频段：450 MHz7.125 GHz 为 FR1 频段，24.2552.6 GHz 为 FR2 频段。FR1 频段为我国目前 5G 商用的主流频段，76技 术 交 流技术交流FR2 频段即毫米波频段，用于满足 5G 对于大容量与高速率的传输需求。下面对 5G 终端在 FR1 与 FR2 频段的 SISO OTA 测试和 MIMO OTA 测试的指标和方法分别进行概述。3.1 SISO OTA 测试5G 终端 FR1 频段的 SISO OTA 测试与 LTE 阶段的基本一致，只是在参数设置上存在一定差异，其主要测试指标有两个：总辐射功率（Total Radiated Power，TRP）和总全向灵敏度（Total Isotropic Sensitivity，TIS）。其中TRP 通过对整个辐射球面的发射功率进行面积分并取平均得到，反映的是终端发射功率特性。TIS 表征终端接收弱信号的能力，反映了在整个辐射球面终端接收灵敏度指标的情况。在独立组网（SA）模式下，5G 终端射频辐射功率的测试要求保证被测设备（DUT）在整个测量过程中以最大发射功率发射并测试总全向辐射功率；接收机性能测试要求上行功率控制采用闭环功率控制模式，令 DUT 以最大功率发射，测量此时的 DUT 端下行链路功率值计算总全向灵敏度。在非独立组网（NSA）模式下，NR FR1与 LTE 处于双连接状态，射频辐射功率测试要求对 NR FR1 与 LTE 的总辐射功率都进行测试，可同时测试也可先后测试；在接收机性能测试中