Virtual Cable Calibration for OTA Testing of 5G mmWave Devices

Taro Eichler、Ute Philipp和Lorenz Rädler，罗德与施瓦茨，德国慕尼黑

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5G新空口(NR)是首个使用毫米波频率范围实现最高数据传输速率的标准。高度集成的前端和阵列天线导致在评估当前和未来的移动通信时，不得不使用先进的空口(OTA)测试方法和新的射频测试指标。此类测试指标包括对可再现且可靠的OTA吞吐量测试开展必不可少的虚拟电缆校准(VCC)。就涉及到模拟衰落的性能测试而言，比如无线资源管理(RRM)一致性和解调测试，VCC方法对评估定义的天线相关性并最大限度减少来自OTA链路的串扰至关重要。本文列出的测量结果证明，现提出的VCC概念可以用于确保设备符合3GPP标准。

5G率先采用具有大带宽的毫米波频率，来实现可靠的高数据传输速率，满足要求严苛的实时低延迟应用的需求。为增加系统容量、提高数据速率并处理多种服务，5G NR部署了远高于LTE的频率和带宽，并且支持高度灵活的配置。在5G NR中，信号带宽最高可达400MHz，而在LTE中信号带宽最高仅达到20MHz。鉴于6GHz以下的频谱已被广泛采用，高带宽只能在更高的频率下实现。目前已确定两种毫米波频率范围（图1）。用于5G NR的所有频段有：

l 频率范围1 (FR1)的频率跨度为410MHz至7.125GHz。

l 频率范围2 (FR2)为24.25至52.6GHz的频谱。

l 就未来扩展而言，指定频率范围FR2+将覆盖52.6至71GHz的频率。

大规模MIMO和波束成形等5G技术会进一步增加测试用户设备(UE)（见3GPPTS38.521-4中的定义）¹的复杂性，导致高度集成的天线需要使用辐射测试方法。

面向5G MIMO的VCC

对于测试与测量设备制造商来说，面临的最大挑战之一是如何在可重复且符合实际的条件下实施能够可靠用于批量生产流程的标准化UE评估和验证方法。在进行LTE和5G NR FR1测试时，MIMO设备通常采用传导测试方法。测试期间，被测设备(DUT)的天线与天线端口断开，并使用同轴电缆将DUT直接连接至测试系统（图2）。但是，在测试FR2频段的UE时，这种方法就显得不太实用，因为UE上具有大量用于空间多路复用和波束成形的集成天线，需要在不连接电缆的情况下测试。

OTA测试会带来诸多挑战。空中信道中传播的传输信号（用图2中的OTA信道A表示）受其他信号和噪声的影响，会变得失真。要获得与传导测试中相似的定义明确且可重现的条件，必须消除OTA信道的影响。解决这个问题的一种方法是通盘考虑整个OTA环境，包括发射机和接收机天线特性，计算未知传输矩阵A。这种方法非常复杂，而且在大多数情况下并不可行：没有任何规定要求UE制造商提供有关天线特性的详细信息，包括应用此方法所需的相位信息。

本文介绍的另外一种方法是，仅使用根据3GPP标准的FR2 UE中获取的分支参考信号接收功率(RSRP-B)反馈参数来均衡信道矩阵。如此一来，便可以在FR2辐射测试环境中实现准传导或“虚拟电缆”连接或“虚拟布线”。²该方法为开展切合实际的5G UE最大吞吐量性能测试以及在各种信道条件下（比如衰落）执行测试奠定了基础。在执行RRM测试所需的衰落一致性测试时，也需要使用均衡信道。

使用RSRP-B反馈的信号质量

辅助同步RSRP-B (SS-RSRP-B)指的是承载辅助同步信号的资源元素的分支线性平均功率，单位为瓦。对于FR2，每一接收机分支的SS-RSRP-B根据与该接收机分支对应的天线单元的组合信号进行测量。RSRP-B是评估信号质量的一个重要参数，而UE需要计算SS-RSRP-B和满足准确度要求。每一资源元素的功率由在符号的有用部分（即排除循环前缀）接收的能量确定。在5G NR中，RSRP测量在层1物理层和层3无线资源控制(RRC)层执行和上报。例如，支持5G的设备可以在发送信道状态信息时在层1，以及在向下一代节点B (gNB)发送RRC协议测量报告时在层3提供SS-RSRP测量。

第1级测量与以下实现方法有关，SS-RSRP-B报告范围为-140至-40dBm，分辨率为1dB。RSRP-B是在DUT的每一接收机分支测量的线性平均功率。根据3GPP的要求，5G NR FR2设备需要支持RSRP-B，以便确定信道矩阵。

校准方法

传播条件和天线特性是决定MIMO设备外场性能的最重要因素，因此，移动接收机性能测试必须包括这些参数。这些条件通常通过衰落模拟器或信道仿真器模拟。信道仿真器是一种测量仪器，用于重现矩阵F(f,t)所示的实际无线电波传播环境，其中包括移动环境中的动态场景。它可以重现3GPP定义的衰落环境以及多个MIMO信道的虚拟环境。

如图3所示，UE放置在受控无线环境中（例如电波暗室）以最大限度降低多径传播和反射造成的失真。图中设置展示的是2×2 MIMO情况；但这一概念可以拓展到N×N情况，其中N>2。

对于开发和一致性测试，基站仿真器可以模拟移动5G基站的运行，使DUT能够执行网络接入过程并建立通信链路。然后调制信号通过具有不同衰落和传播参数的信道仿真器，模拟真实场景。

如果是电缆分支之间无任何串扰的完美传导情况，则OTA信道矩阵A与单位矩阵完全相同。就OTA测量来说，校准程序的目标是确定校准矩阵H，以确保校准矩阵H和OTA信道矩阵A的组合信道K尽可能接近单位矩阵：K=A•H≈I₂。校准后，组合信道矩阵K将大约等于单位矩阵，从而能有效地利用S₀和S₁建立虚拟电缆连接与UE天线直接相连。

演示结果

为演示此过程，我们使用5G无线通信测试仪作为基站仿真器生成了一个频率为39GHz的5G NR信号（频段为n260），然后使用该测试仪的信道仿真器生成预编码矩阵H来模拟衰落。产生的信号通过两根正交极化天线，在包含紧缩场(CATR)反射器的暗室中传输。CATR具有一个抛物面反射器，并在其单焦点处安装有一根馈送天线，用于将球面波转换成平面波，或者将平面波转换成球面波。在此例中，平面波会影响DUT，而DUT将返回每个分支（即与两根天线对应）的RSRP-B值。

VCC程序需要在DUT和基站仿真器之间建立信号连接。为找到满足准传导条件要求的合适矩阵H(K≈I₂)，我们对矩阵H进行了定义，以确保应用于来自两个输入信号贡献的相位可由每一分支的单一复杂因子（即辅助对角元素）控制。校准本身包含三个主要步骤：初始化增益因子、搜索最佳相位以及最终调节增益。两个分支可以通过禁用目前尚未校准的输入信号分别校准。在完成这一过程后，即可执行可选的分支均衡步骤。

图4显示的是扫描第一个分支的相位倍增器的测量示例。顶部RSRP-B0曲线表示DUT天线Rx1处的测量功率；底部RSRP-B1曲线表示DUT天线Rx2处的功率，以及来自Tx1的串扰。3GPP规定，虚拟线缆之间的串扰必须低于12dB。^1,3测量结果显示，峰值隔离度为19dB，已超出3GPP虚拟电缆要求。

测试系统中实施的这种校准方法采用“智能”搜索算法，以在最短时间内确定信道参数，而这对于实现高效的设备验证至关重要。上述方法和结果证实，此校准方法可以非常有效地实施具备可重复且定义明确的信道条件的准连接测试环境，执行吞吐量性能测量，并评估衰落条件下的性能。

结论

虽然3GPP规定了虚拟电缆之间的串扰限值，但并未对使用哪种校准方法作任何规定。从理论上讲，可以使用重新调整DUT位置这种方法，但在实际中，这种方法太过缓慢、缺乏系统性，并且可能并不适用于所有DUT。本文介绍和演示的VCC方法为确定对FR2测试至关重要的预编码校准矩阵参数，提供了一种快速收敛的系统性方法。对于用于评估多个基站之间切换的RRM测量，可使用具有多个CATR的设置对该方法进行扩展。⁵

随着6G研究将目光投向大于100GHz的频率，天线更加集成化的大趋势还将继续，因此也需要同样的OTA测试。这一测量方法还可以拓展用于110至170GHz的D频段（6G研究的频段之一），因为CATR的频率上限为200GHz。

鸣谢

本文作者特此感谢罗德与施瓦茨同事Heinz Mellein、Jimson Eng和Oussema Harguem就概念和测量展开的富有成效的讨论。

图1 指定5G NR频段（FR1、FR2和FR2+）以及未来可能投用的频段。

图2 信道衰落下2x2 MIMO的UE测试，显示连接方法(FR1)和OTA(FR2)方法。OTA测试会引起不需要的串扰。

图3 2x2 MIMO OTA测量校准设置。

图4 暗室中的商业UE测量，显示RSRP-B功率电平与一个分支的校准相位间的对比关系。

参考文献

1.3GPP Technical Specification (TS)38.521-4 Version 16.6.0 NR; User Equipment (UE) conformance specification;Radio transmission and reception 3rd

Generation Partnership Project (3GPP), 3rd Generation Partnership Project

3GPP, 2020

2.Ibid, Appendix H

3.3GPP Technical Specification (TS) 38.509 Version 15.9.0 5GS; Special conformance testing functions for User Equipment (UE) 3rd Generation Partnership

Project (3GPP), 3rd Generation Partnership Project (3GPP), 2020

4. R&S “5G New Radio: Fundamentals, Procedures, Testing Aspects“, January 2021, Online: www.rohde-schwarz.com/5g-ebook

5.Corbett Rowell, Benoit Derat, Adrian Cardalda Garcia, “Design of a Multiple CATR System for Multiple Angles of Arrival Measurement of 5G mmWave Devices,” Microwave Journal, March 2021