5G测试：与电缆说再见
Testing5G: Time to Throw Away the Cables
Moray Rumney
是德科技，英国苏格兰爱丁堡
早在2010年8月，《Microwave Journal》就曾发表过一系列名为《MIMO主宰者（Masters of MIMO）》的文章，以我的概述性文章《MIMO天线：尚未被发现、尚未被关注、尚未被测试！（The MIMO Antenna: Unseen, Unloved, Untested!）》作为开篇。当时我就预测到，MIMO空中（OTA）测试是我在长达20年的标准开发经历中所遇到的最大挑战。回顾过去的六年，我现在可以看到，我低估了这一挑战，因为在CTIA和3GPP内部开发MIMO OTA测试方法的工作仍处于验证的最后阶段。同时，MIMO标准的复杂程度也已经显著增长，从最初的LTE第8版发展到了第14版中的LTE-Advanced Pro。就在我写作本文的时候，天线设计人员仍未确定支持第8版标准的设备接收机的基本2x2 MIMO性能要求。
本文的重点是展望未来，对新一代（即第五代）标准测试挑战进行说明。由于我们曾经低估了4G（LTE）基础MIMO OTA测试的标准化难度，因此很难在早期对新一代标准做出预测。但是，下面是我做出的尽量准确的猜想：第五代移动通信的出现将彻底改变我们对蜂窝系统设计、测试和运行的认识。其主要原因在于，为了实现众多关键的5G目标，我们需要一种新的空中接口，这种接口能在毫米波（mmWave）频段（即28GHz及以上）运行，信道带宽约为1GHz或更高。为了克服这些工作频率上的无线传播路径损耗，我们假定基站和移动设备都需要结合中型或大型天线阵列（在基站一侧有时称为大规模MIMO）才能维持可用的链路预算。其结果是得到一种依赖于链路两端波束控制天线的5G空中接口，应用于稀疏和高动态的3D窄波束传播环境。
对于4G，MIMO OTA测试是由传统电缆测试演变而来，它既明显又实用，但MIMO OTA从来不是4G的关键，因为支持MIMO的设备已经面世多年。未经测试的静态天线至少起了作用，尽管我们并不知道其作用有多大。然而，具有大量天线阵列的毫米波设备不能使用电缆进行测试，因为不可能为每个天线元件添加连接器。此外，天线阵列的动态（有源）性质意味着不可能从单个天线元件的测量外推端到端的性能。所以，为了进行5G测试，不管我们想还是不想，现在真的是到了跟电缆说再见的时候了！
4G MIMO OTA测试采用基本的2x2传输模式和静态2D几何图形，相比其测试挑战，我们似乎可以肯定地预测，5G测试将面临更大的困难。如果说我们所看到的由3G到4G的过渡是一次演进的话，那么5G将是一场革命。最后我想要说的一点是，我们没有多少时间了！业界的目标是在2020年内部署5G，这就对毫米波OTA测试解决方案和要求提出了需求，而期限只有开发当今所用的基础4G MIMO OTA测试方法时的一半多点——即使不考虑性能要求。
转向辐射测试
表1对整个行业需要解决的、跨越产品生命周期的各种类型设备测试进行了汇总。每个区域都有对成本和复杂性的特定需求。设计验证和生产测试将在标准机构之外进行，而射频/基带一致性和辐射性能测试方法和要求将由3GPP规定。
除了2009年开始实施的UE MIMO OTA工作之外，3GPP还于2011年开始执行用于基站有源天线阵列系统（AAS）的辐射测试标准1。通常来说，与移动设备一样，所有基站射频的参数，例如输出功率、灵敏度、阻塞/杂散和误差矢量幅度（EVM）都已在天线连接处进行了测量；实际的基站天线影响不予考虑。然而，随着第13版中FD-MIMO的引入，基站天线的有源特性意味着不含天线的有线测试不再足够满足要求，这一点已形成共识。这使得3GPP要开发用于基站的第一批辐射测试方法。
目前，仅定义了总辐射功率（TRP）和总辐射灵敏度（TRS）测试，更多测试将在第14版演进的AAS（eAAS）工作项目中开发出来。当今的AAS使用四种定义的测试方法之一来表征静态视距信道中的天线，这四种方法均比UE MIMO OTA测试方法更简单。然而，AAS工作的方向是，当工作频率接近毫米波时（此时会有多个天线元件，而没有天线连接器），基本的5G设备测试将发生什么。
在进行OTA测试时，使用电缆直接进行测试变得更加复杂。以阻塞为例：阻塞的要求源于2D空间系统仿真，并且基站阻塞水平是从三个空间分离的移动设备的功率求和得出。在传导域中，这看起来像是添加到有用信号的全向功率。然而，如果我们回到辐射域，应如何构建阻塞信号？重建系统级参数意味着空间分离阻塞信号与定向基站天线相互作用，因此需要对所有空间组合和频率进行详尽测试，这将使得当今已经时间很长的测试更加费时。因此，对于如何开发AAS和最终的毫米波OTA测试，我们仍需做出艰难的选择。
毫米波信道模型
在AAS和eAAS中我们遇到了挑战，要用视距辐射等效测试替代当前的射频和解调测试，在现实无线环境中，性能测试领域也存在最大的测试挑战。这一测试领域自2009年以来一直由UE MIMO OTA占用，它也是下文的重点。有用性能测试的核心是正确理解无线电传播环境。传统的有线性能测试对接收机而言就像是全向衰落信号，并且这类测试的某些方面可以保留用于毫米波接收机。更重要的是辐射性能测试，它必须考虑链路两端的天线方向图以及传播环境，所有这些都是高度动态的。相比之下，UE MIMO OTA甚至都比不上在公园散步，而是像坐在公园的长椅上。
对于低于6GHz的4G系统，选择2D空间信道扩展模型（称为SCME）就已足够2，而实施这些模型的测试方法已经开发出来。在毫米波频率上，我们需要开发新的信道模型，这是3GPP开发5G新无线电（即目前所称的NR）的第一批任务之一。首次公开的这些6至100GHz频率范围内的模型3以现有随机模型为基础扩展而来，而现有随机模型系针对低于6GHz的频率开发。这是3GPP面对国际电联IMT-2020（5G）项目的紧迫时间表而做出的务实反应，以便新无线电开发的下一阶段可以开始。除了随机模型之外，初始的信道模型集包括备选的混合模型。其基础为使用环境中的静态大规模参数，基于地图进行确定性建模，并针对行人或车辆这类能在统计上更好建模的小规模参数采用随机建模。
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