5G终端测试关键技术研究

5G终端测试关键技术研究

［王国奇陈健明林煜森李小兵］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。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（InteroperabilityTest，IOT）、网络兼容性测试等，硬件性能可靠性测试包括OTA（OverTheAir）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5GFR1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（RadioResourceManagement，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（AccessStratum，AS）与非接入层（NonAccessStratum，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（5GMobilityManagement，5GMM）和会话管理（5GSessionManagement，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15G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；NAS层测试验证UE处理移动性管理和会话管理信令的能力。2.2RRM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（ChannelStateInformation，CSI）上报四部分[11～14]。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（ChannelQualityIndicator，CQI）、预编码矩阵指示（PrecodingMatrixndicator，PMI）、秩指示（RankIndication，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]。3OTA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SISOOTA测试和MIMOOTA测试[17]。SISOOTA测试主要对终端的射频指标进行测试，MIMOOTA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：450MHz～7.125GHz为FR1频段，24.25～52.6GHz为FR2频段。FR1频段为我国目前5G商用的主流频段，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SISOOTA测试和MIMOOTA测试的指标和方法分别进行概述。3.1SISOOTA测试5G终端FR1频段的SISOOTA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（TotalRadiatedPower，TRP）和总全向灵敏度（TotalIsotropicSensitivity，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，NRFR1与LTE处于双连接状态，射频辐射功率测试要求对NRFR1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，NR总全向灵敏度测试要求LTE下行链路功率设置需保持稳定连接且无误码，同理，LTE总全向灵敏度测试要求NR下行链路功率设置需保持稳定连接且无误码[18]。由于5G毫米波天线与射频高度集成化的特点，不再保留射频测试端口，因此5G终端FR2频段的所有射频性能测试都将采用OTA测试的方式进行。设备基本的射频性能指标包括发射机性能指标和接收机性能指标，如等效全向辐射功率（EIRP）、等效全向灵敏度（EIS）、误差向量幅度（EVM）、邻道抑制比（ACLR）、杂散发射等。目前，毫米波SISOOTA测试方法有直接远场法（DirectFarField，DFF）、紧缩场法（CompactAntennaTestRange，CATR）、近远场转换法（Near-FieldtoFar-FieldTransformation，NFTF）3种典型的方式，不同的测试方法各有优缺点[19～22]，具体见表1。表1三种SISOOTA测试方法优缺点比较（1）直接远场法（DFF）：要求被测设备（DUT）与测试天线的距离需满足条件R≥2D2/λ，其中R表示DUT的旋转中心到测试天线相位中心的距离，D为辐射天线口径，λ为工作波长。直接远场法是传统的OTA测试方法，其入射波在接收面上近似于平面波，并且几乎可覆盖所有测试用例，是最简单直接的测试方式。但测试系统对测试距离的要求随着工作频率的增大而显著增加，导致在测试5G毫米波或大尺寸终端设备时要求微波暗室尺寸非常大，成本非常高，同时随着测试距离的增大，路径损耗也逐渐增大，影响系统的动态范围与测试指标的准确性。因此，直接远场法在FR2频段被广泛认为适用于测试天线孔径较小的终端。（2）紧缩场法（CATR）：利用高精度反射面将原始信号发射的球面波在近距离转换为平面波，可在空间较小的微波暗室实现等效远场的测试环境，是属于间接远场法的一种测试方式。该方法可显著减小测试距离、节省暗室空间、降低测试成本和空间损耗，同时也能够降低对毫米波放大器的性能要求。目前，紧缩场法已作为5G毫米波SISOOTA测试的主要方案。但测试中反射面仅能模拟单波束锁定场景，无法进行多波束测量，不能覆盖全部测试用例，另外高精度反射面的制作工艺要求高，会增加后期维护成本。（3）近远场转换法（NFTF）：利用高精度扫描架在近场区测量采集被测设备天线的幅度、相位及频谱等信息，再通过近远场转换算法将采集的数据转换成远场方向图，从而得到被测设备的远场辐射特性。该方法所需测试测试距离较小，占用空间小，同时受外界环境干扰小，空间损耗小，并且能基于已有的暗室进行升级。近远场转换法面临的主要问题是在测试过程中难以对有源天线的带宽信号的相位信息进行准确测量，另外，为达到近远场转换的精度要求，需要在近场以较高的空间分辨率进行采样，导致测量耗时较长，测试成本较高。目前，近远场转换法已被3GPP采纳，可用于毫米波终端发射性能的测试，但不适用于接收性能的测试，适用范围较窄。3.2MIMOOTA测试MIMO（多输入/多输出）技术利用多天线特性来对抗信道衰落，提高信号的链路性能，能在不增加带宽的情况下成倍地提高无线通信系统的容量和频谱效率，是5G的关键技术之一。MIMOOTA测试则通过在实验室复现终端周边多径的无线环境，测试终端在衰落信道下的MIMO吞吐量，间接衡量天线相关性。主要测试方法有多探头暗室法（MultipleProbeAnechoicChamber，MPAC）、混响室法（ReverberationChamber，RC）、辐射两步法（RadiatedTwoStage，RTS）[23～26]。3种测试方法的优缺点如表2所示。表2三种MIMOOTA测试方法优缺点比较（1）多探头暗室法（MPAC）：通常在暗室的不同位置布置多个天线探头，模拟接近真实的无线信道环境，基站模拟器发出的信号经过信道模型后，通过多探头天线辐射至被测设备，并测试吞吐量情况。与LTE类似，5GFR1频段的MIMOOTA测试也是采用传统的2D多探头结构，但探头数量由8个升级为16个，呈环形均匀分布，探头间隔为22.5°，易于拓展新的信道模型。而5GFR2频段的MIMOOTA则需要采用3D信道模型，需要在三维空间的不同旋转平面布置更多天线，系统的校准与测试也将更复杂。MPAC测试效率较高，但硬件比较复杂，建设成本也较高，系统校准和操作相对困难。多探头暗室法已被3GPP确定为MIMOOTA的测试方法之一。（2）混响室法（RC）：使用机械搅拌器对金属腔内的电磁波进行扰动以改变电磁场结构分布，电磁波在金属腔内经过多次反射实现统计随机化，从而模拟多径环境。RC法的测量系统和测试方法较为简单，可有效地分析与角度扩展无关的天线辐射参数，适合大型样品测试，但RC法可模拟的信道模型数量有限且无法准确模拟空间角度，也无法满足5G毫米波终端测试要求，目前还不是MIMOOTA测试的国际标准方法。（3）辐射两步法（RTS）：是属于间接测试终端吞吐量的方法之一，将测试拆分成天线测试与接收机测试两部分。第一步需要在暗室中测试获取被测设备的天线方向图，第二步将测量得到的天线方向图信息加载到信道仿真器中，结合传输信道模型进行测量信号的计算和模拟，将该测量信号传输至终端接收机，进行吞吐量测量。RTS法通过旋转信道仿真器中被测设备的天线方向图来完成不同角度的测试，无需在暗室中对被测设备进行物理旋转，因此可有效节省测试时间；该方法缺点是不适合自适应天线系统，无法对方向图随外界环境变化的场景进行测试，拓展性有限。目前，辐射两步法已被3GPP采纳为5GFR1频段MIMOOTA测试的方法之一，但为第二优先级。4互操作测试互操作测试（IOT）是终端与网络设备之间的性能测试，目的是为保证终端与不同网络良好的互通性，验证5G终端和网络设备之间的互操作能力。4.1互操作测试内容终端互操作测试内容主要包括接入性能测试、移动性测试、稳定性测试、数据业务性能测试等[27]，具体如图3所示。图3终端互操作测试内容接入性能测试：包含PLMN选择测试、小区选择测试、附着与去附着测试、跟踪区更新测试等。PLMN选择测试验证终端是否支持PLMN开机自动选择、手动选择以及重启后的PLMN选择情况；小区选择测试验证终端开机后在不同信号强度下小区选择成功率以及脱网后重新发起小区搜索和驻留的能力；附着与去附着测试验证终端在不同信号强度的空载或加扰环境的网络下的附着与去附着能力，测试指标有附着成功率、去附着成功率；跟踪区更新测试验证终端在移动过程中跟踪区与RAN通知区更新的能力。移动性测试：包含小区重选测试与小区切换测试。小区重选测试验证终端在网络空载或加扰环境下系统内同频/异频小区重选的能力，测试指标有重选成功率、重选时延；小区切换测试验证终端在网络空载或加扰环境下同频/异频切换的能力，测试指标有控制面切换时延、切换成功率。稳定性测试：主要是通过长保测试来验证终端连续工作与连续业务处理的能力，分为静态长保测试与动态长保测试，测试方法是终端在相应的测试条件下在进行大文件上传/下载，并持续一定时间（一般不少于30分钟），检测终端是否能够长时间保持正常工作，有无出现中断等异常现象，以及长时间传输的数据吞吐量是否满足要求。数据业务性能测试：包含数据业务建立成功率测试、数据吞吐量测试、时延测试等。数据业务建立成功率测试验证终端在网络空载或加扰环境下的上传/下载接入能力，测试指标为上传/下载接入成功率；数据吞吐量测试验证终端在各种无线环境条件下的上传/下载最大峰值速率与平均速率，通常可使用FTP上传/下载业务来进行测试；时延测试分为控制面时延测试和用户面时延测试，测试指标有最大/最小/平均接入时延、最大/最小/平均用户面时延。4.2互操作测试方式终端互操作测试一般有3种方式，即NS-IOT（NetworkSimulator-InteroperabilityTest）、NV-IOT（NetworkVendor-InteroperabilityTest）、外场测试（FieldTest）[28]。（1）NS-IOT：即基于测试仪表的互操作测试，方法是使用多家仪表厂家的仪表对复杂的网络环境进行仿真，验证终端在各种网络环境下的互联互通和数据性能。NS-IOT测试用例独立于协议一致性用例，由运营商根据网络自主制定测试需求，联合仪表厂商共同进行测试用例开发与验证，重点关注与用户体验相关的功能性能。其特点是：可实现自动化测试，根据自身的网络特点可灵活配置各种网络环境，测试条件可以重复且容易控制，效率高，问题定位方便，另外还可以检查实际网络不支持的一些测试条件。（2）NV-IOT：是指在实验室内搭建各个设备厂家的模拟网来验证终端和网络的互联互通，测试所用的网络配置和运营商现网基本一致，测试环境也接近于现网的实际场景，是终端与真实网络设备的互操作测试，但测试网并未连接现网。其特点是：相比外场测试，NV-IOT网络环境更稳定更纯净，测试环境可控，适合做重复性测试，测试结果可以复现。相比NS-IOT，NV-IOT网络设备购买与维护的成本较高，另外由于每次更改参数都需要对真实的网络设备进行调试，其测试效率不如NS-IOT。（3）外场测试：是在运营商现网条件下对终端进行基本业务与互操作测试，测试所用网络为商用网络，最贴近用户真实体验，主要考察终端在真实网络下的功能和性能是否符合要求。外场测试的方法主要有定点、步行、跑圈，由于测试中的无线环境和地理环境复杂多变，因此外场测试位置和测试路线的选择需要根据测试用例关注点的不同加以区分。定点测试通常需要选取好点、中点、差点等多个测试点，测试点的位置通过终端测量的信号强度RSRP和信干噪比SINR来确定，同时需要参考拉网的CDF（CumulativeDistrib