5G毫米波终端测试方法及分析_宫剑.pdf

工程与应用 5G 毫米波终端测试方法及分析 宫剑1，张宇2（1.国家无线电监测中心检测中心，北京 100041；2.中国信息通信研究院，北京 100191）摘 要：在 5G 毫米波终端空口（over the air，OTA）射频一致性测试中，等效全向辐射功率（effective isotropic radiated power，EIRP）和总辐射功率（total radiated power，TRP）类测试是重要的 OTA 测试项。目前依靠 3GPP 定义的随机扫描锁定最大波束的方式决定最大 EIRP 和 TRP，但该方法既耗时又缺乏准确性。提出一种非信令的测试方法，相比于目前的 EIRP、TRP 测试方法，不仅提高了准确性，而且使得非方向性 OTA 场地作为测量环境成为可能，进一步降低了测试成本和时间成本，并增加了测试环境选择的灵活度。关键词：等效全向辐射功率；总辐射功率；最大波束方向搜索；波束编号；混响室 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A doi:10.11959/j.issn.10000801.2023025 5G millimeter wave UE test method and analysis GONG Jian1,ZHANG Yu2 1.The State Radio Monitoring Center Testing Center,Beijing 100041,China 2.China Academy of Information and Communications Technology,Beijing 100191,China Abstract:In the 5G millimeter wave UE OTA RF conformance test,EIRP and TRP type of tests are important OTA items.Currently,this method relying on 3GPP-defined random scan to lock the beam to determine the maximum EIRP and TRP,but this method is time-consuming and lacks accuracy.A non-signaling test method was proposed,which could not only achieve more accurate measurements compared with the current EIRP and TRP test methods but also make it possible to use the non-directional OTA site as the measurement environment,further reducing the test cost and time cost,and increasing the flexibility of the test environment selection.Key words:EIRP,TRP,beam peak search,Beam ID,reverberation chamber 0 引言 随着国际电信联盟 2019 年世界无线电通信大会（WRC-19）确定 5G 毫米波标识的频段 24.2527.5 GHz（26 GHz）、3743.5 GHz（40 GHz）、6671 GHz 用于 5G 及国际移动通信系统（IMT）未来发展1，各国加快 5G 毫米波的频率特性研究2和频段规划部署及研发试验。我国工业和信息化部无线电管理局起草了中华人民共和国无线电频率划分规定修订征求意收稿日期：2022-09-13；修回日期：2023-02-01 工程与应用 172 见稿，并于 2022 年 7 月 31 日前向社会公开征求了意见。其中也包含若干对毫米波频段用于IMT 的修订。由于我国在国际 5G 发展中的持续引领地位，毫米波作为 5G 向 6G 的过渡，以及其在 5G 组网和应用上的重要体现，各设备厂商、测试机构、标准组织也在积极地推进与5G 毫米波相关的研究和实验。由于 5G 毫米波设备已经不存在传导测量的天线连接口，所有的测试项均需要在空口（over the air，OTA）的环境下进行，基于 OTA 的射频测试将迎来更大的挑战，在原理、方法、效率等方面都需要进行新的探索3-4。近年来，学术界和产业界已对 5G 毫米波 OTA 射频测试和性能测试的若干关键问题开展积极的探索研究，探索精确、高效、实用的测试方法和测试系统5-6。3GPP 中对 5G OTA 测试系统进行了定义，目前真正可用于 OTA 测试的场地主要有：远场、紧缩场、平面波合成器（PWS）、混响室和近场等。对于不同的被测设备以及测试项，选择上会有些不同。对于5G 毫米波终端的测试环境，3GPP 目前规定了远场、紧缩场、近场等，但仍然不成熟，还在不断地研究和改进。由于没有一种场地可以兼容所有的测试例，因此测试成本提高，测试方法复杂化。EIRP 和 TRP 类测试是重要的 OTA 测试项，在 3GPP TS38.521-2 5G 毫米波终端 OTA射频一致性总辐射功率（total radiated power，TRP）类测试项的测量步骤中7，规定了在波束锁定模式（beam lock mode）下进行测试，测试指标为 TRP。具体操作为，在方向性暗室中，扫描整个球面上各角度点并锁定当前波束，得到各点锁定波束下的 EIRP 的搜索值，将最大搜索值作为等效全向辐射功率（effective isotropic radiated power，EIRP）最大值结果；在测量 TRP 时，将最大 EIRP 所对应的波束锁定，重新扫描球面各点再积分得到 TRP。因此，无论是最大 EIRP 还是 TRP 的测量都是非常耗时的测试。本文首先对 3GPP 标准定义的测试方法进行了研究，分析了这种方法的局限性。后提出了一种新的测试方法并与 3GPP 方法进行了对比分析。1 3GPP 标准中规定的 EIRP/TRP 测试方法及问题 3GPP TS38.521-2是对5G毫米波终端的OTA射频一致性的测试要求和测试方法的标准规定。其中，最大带内 TRP 输出功率、带外辐射（out of band emission）（包括频谱发射模板（SEM）和邻道泄漏比（ACLR），以及杂散发射等都需要测量 TRP 作为衡量指标，它们被统称为 TRP 类测量项。对于 TRP 类测试项，在方向性暗室紧缩场或远场8中需要扫描整个球面的若干点的 EIRP，再根据式（1）计算出 TRP 的最终结果：()()()Estimate11p1p210TRPEIRP,EIRP,sin2NMnmnmnnmNM -=+（1）其中，p1EIRP(,)nm 和p2EIRP(,)nm 分别表示两个极化在相应角度点的EIRP测量结果。(,)nm 为球坐标系中不同点的方位和极化角度。角度的步进间隔取决于波长 和被测终端尺寸 D，如式（2）所示。refcyl180min,15D=（2）ref180min,15D=（3）其中，D为包围所有被测天线辐射单元的最小球体的直径，Dcy1为包围所有被测天线辐射单元的最小Z向圆柱的直径。EIRP在三维球面的采样点网格示意图和二维平面采样点网格示意图如图1所示。173 电信科学 2023 年第 2 期 图 1 EIRP 在三维球面的采样点网格示意图和 二维平面采样点网格示意图 然而，应该选取哪一种波束方向图进行这一扫描呢？在3GPP TS38.521-2的附录K1.1中定义了发射波束峰值方向的搜索过程，在扫描带内TRP之前，需要先进行最大波束方向的搜索。然后根据一次性扫描的结果，选中测得的最大EIRP功率的波束所对准的方向进行波束锁定，同时将此EIRP作为最大EIRP的结果，并基于此波束锁定的方向图进行带内TRP及带外辐射、杂散等射频项的测量。K1.1的最大EIRP波束搜索的测量结果部分见表1，是一个实测扫描的记录表格，由于总共需要进行266个点（实际还要考虑下行和上行天线极化，实为26622=1 064个测量值）的波束锁定扫描，所以表格过长，这里仅截取部分结果进行说明。表1是在以15为间隔下进行扫描的，在不同的(,)nm 角度下，分别进行下行和上行两个天线极化的扫描和测量，将图1中的所有266个点扫描完毕后，找到最大的扫描点，即表1中方框所框出的数值，当(),(60 120)nm=，时，在下行天线的H极化上取得EIRP最大值29.052 dBm，那么在此角度和极化下进行波束锁定，并将其对应的波束方向图作为测量带内TRP及其带外指标的波束方向图。上述3GPP规定的测试方法存在以下问题：传统意义上的最大发射功率及带外辐射或杂散测试，都应是基于带内最大发射功率的前提。由于5G毫米波终端可能会存在多于一个的天线模组和阵列，5G毫米波终端天线模组示例如图2所示。表 1 K1.1 的最大 EIRP 波束搜索的测量结果部分 俯仰角度 水平角度 测量的俯仰角度 EIRP/(dBmIBW-1)测量的水平角度 EIRP/(dBmIBW-1)测量的总 EIRP/(dBmIBW-1)15 180 20.643 783 57 19.265 953 06 23.019 581 47 15 180 20.637 414 93 19.237 966 54 23.004 117 38 15 195 19.488 574 98 17.191 644 67 21.500 524 54 15 195 14.953 868 87 8.7930 822 37 15.895 291 33 60 135 27.348 026 28 21.880 941 39 28.433 617 18 60 135 27.26 658 63 21.870 090 48 28.367 888 72 60 120 27.007 026 67 24.798 971 18 29.052 141 44 60 120 26.368 812 56 25.11 602 02 28.797 734 09 工程与应用 174 图 2 5G 毫米波终端天线模组示例 仅通过一次K1.1扫描确定峰值（peak）EIRP的波束方向图，无法保证当前测量的峰值EIRP一定是毫米波终端的最大EIRP，其所对应的方向图扫描计算出来的TRP也同样无法保证是最大的。因为每一次扫描所确定的所谓的最大EIRP，可能只是在不同的天线模组中随机选取的某个Beam ID所对应的值。某终端在同一频段带宽下，不同天线ID在不同Beam ID情况下的最大EIRP测量值举例见表2。对于天线ID1、ID2、ID3，所测量出来的最大EIRP值分别为：29.29 dBm、28.21 dBm和33.50 dBm。所以3GPP中K1.1的搜索方法，只是在某一个角度位置上，触发了码本（codebook）中的某一个Beam ID，然后进行锁定并测量，无法保证所触发并测量的EIRP就是所有波束中最大的EIRP，也无法保证锁定的波束方向图经过扫描后，对应了最大的TRP。表 2 不同天线 ID 在不同 Beam ID 情况下的 最大 EIRP 测量值举例 频段/带宽 天线 ID Beam ID 测量的最大 EIRP/dBm n258/100 MHz 1 1 24.98 n258/100 MHz 1 2 29.29 n258/100 MHz 1 13 25.32 n258/100 MHz 2 3 25.35 n258/100 MHz 2 9 23.93 n258/100 MHz 2 14 28.21 n258/100 MHz 3 5 26.46 n258/100 MHz 3 8 33.50 n258/100 MHz 3 16 27.24 2 非信令的 EIRP/TRP 测量方法 根据上述分析