测试 5G 新空口设备

掌握 5G 新空口的复杂性，加快您的 5G 设计

随着 5G 新空口（NR）初始标准获得 3GPP 批准以及第一批芯片组的发布，为了设计和交付能够满足 5G 严苛要求的高质量设备，角逐大赛已经开展的如火如荼。5G NR 采用新技术，通过灵活的新参数集、更复杂的波形和信道编码技术、扩展到毫米波的频率、更宽的

信道带宽以及先进的多天线接入方案，将会实现更大的性能提升。这些新技术的组合极大

提升了设计与测试的复杂性。本应用手册 介绍了测试 5G NR 芯片组、元器件及设备的新方法和新技术，旨在帮助您加速进行 5G NR 设计。

5G NR 测试应用

• 测试 5G NR 数据吞吐量

• 5G NR OTA 波束赋形功能测试

• 毫米波 5G NR 设备和系统的 OTA 测试

测试 5G NR 数据吞吐量

5G NR 将会需要更快的数据速率以支持增强型移动宽带（eMBB）使用场景，例如

UHD 视频流、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）。随着移动运营商快速推进其 5G

部署计划，芯片组和设备制造商也必须加快他们的开发进度，包括确定如何更有效地测

试 5G NR 数据吞吐量。

5G eMBB（增强型移动宽带）用例的目标是：下行链路（DL）数据速率达到 20 Gbps，

上行链路（UL）数据速率达到 10 Gbps。为实现该目标，除了使用 sub-6 GHz 频率

以外，5G NR 还会使用更高频率的毫米波频谱。LTE 的工作频率最高可至 6 GHz，

而最高可达 52.6 GHz 的毫米波工作频段也在 5G NR Release-15 中获得了批准。

5G NR 引入了新的帧结构和波束赋形访问程序，因而增大了设计的复杂度和难度、并

且增加了功能原型的测试步骤。

测试 5G NR 设备吞吐量面临的挑战包括：• 配置 5G NR 帧结构以获得更高吞吐量

• 配置 5G NR 设备以进行最佳测量并报告测量结果

链路自适应

• 在毫米波频率优化 5G NR 波束赋形性能

5G NR 帧结构。5G NR 引入了灵活的新参数集，用以扩展子载波间隔。可扩展的

时隙持续时间使我们能够根据不同的业务级别对子载波进行优化，从而平衡吞吐量、

延迟和可靠性。子载波间隔规定为 2µ x 15 kHz。15、30 和 60kHz 子载波间隔用

于较低频带，60、120 和 240kHz 子载波间隔用于较高频带。图 1 可见，随着频率

的增加，时隙持续时间开始缩短，TTI（发射时间间隔）减小，这就为工作频带和信道

特征优化了子载波间隔。

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

微时隙

125 µs 时隙

500 µs 时隙

250 µs 时隙

120 kHz

60 kHz

30 kHz

15 kHz

子帧CP-OFDM 符号

与 LTE 一致的 1 ms 子帧

图 1. 子载波间隔和时隙持续时间的关系

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在 TDD（时分双工）频带中，5G NR 还支持动态 TDD，可让网络动态地将每个时隙

分配为下行链路或上行链路。这样能够更高效地使用频谱。通过使用动态 TDD，网络

可以根据网络、设备及所提供业务的特定流量要求，来决定应该为 DL 或 UL 分配更

多还是更少的资源。

在测试 5G NR 设备吞吐量时，至关重要的是要能访问较低层级的帧结构，以便配置和

测试最大吞吐量。

毫米波频率内的波束赋形能力。波束赋形有利于降低更高频率内的传播损耗和穿透损

耗。波束赋形通过定向辐射波束实现了更高的信噪比（SNR）；定向辐射波束有助于

提供额外的天线增益。5G NR 规范对波束赋形的下列新程序进行了定义：

• 波束采集和跟踪

• 波束优化

• 波束反馈

• 波束切换

1

2

3

4

5G LTE

TD-LTE HSPA+

WCDMA GSM

WiFi

1 2 3 4

波束状态信息

波束序号

BR

S 接收到的功率

1 2 3 4

波束状态信息

波束序号

BR

S 接收到的功率

基于 BRS 的波束状态信息（BSI）

gNB5G 用户设备

候选波束组（波束 1、2 、3 和 4）

图 2. 分析 5G 波束优化

协议堆栈不同层级中的

多种因素会影响波束赋

形。找出瓶颈和测试不

同的结构对于优化吞吐

量至关重要。此外，在

毫米波频率测试波束赋

形需要使用 OTA（空中）

测试方法，这也增加了

测试方案的复杂程度。

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由于 5G NR 在毫米波频率内实施了新的帧结构和波束赋形技术，因此拥有一个能够在

协议堆栈的不同层级进行评测和调整的测试平台将会意义重大。是德科技的 5G 协议研

发工具套件提供了一套易于使用的解决方案，它能够对协议堆栈的不同层级进行监测和

修改，从而提供深入信息，帮助快速优化设备的吞吐量。

如欲了解更多信息，请参见应用指南：《测试 5G 数据吞吐量》。

图 3. 是德科技 5G 吞吐量测试设置

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5G 吞吐量测试解决方案可以利用网络仿真器来仿真第 1 层（PHY）、第 2 层（MAC/RLC/PDCP） 和第 3 层

（RRC/NAS），以便创建数据吞吐量测试。1

在测试配置示例中（图 3），我们使用 Keysight 5G 协议研发工具套件建立了测试

和配置脚本等元素。另外还指定了同步和参考信号的功率电平、波束赋形和用以发射和

接收控制信息及数据的资源块。

使用一个脚本评测数据吞吐量；使用集成的实时迹线来显示测试进度（包括被发送和

接收的第 3 层协议消息）。通过启用动态控制点，测试工程师可以实时修改参数。

日志查看器中包含一个 KPI 查看器，它可以捕获不同层级的关键性能指标，包括不同层

级的吞吐量图（PHY/MAC/RLC/PDCP 和应用层）、CQI（信道质量信息）、MCS

（移动交换中心）、BLER（块误码率），以及 ACK/NACK（确认/否定确认）与时间

的关系。这些指标将用于深入分析设计中可能存在的瓶颈。从信号质量的角度来看，我

们可以验证诸如 BSI（波束状态信息）和 BRI（波束优化信息）之类的 KPI，以确保

UE（用户设备）已经选择了最强的波束。

UXM 用户设备

毫米波连接IP 连接5G 协议研发工具套件

测试系统计算机

1 PHY：物理层，MAC：介质访问控制，RLC：无线链路控制，PDCP：分组数据汇聚协议，RRC：无线资源控制，NAS：非接入层

5G NR OTA 波束赋形功能测试

3GPP 5G NR Release-15 规定的移动工作频率高达 52.6 GHz。在这些更高频率内，

为了克服更高的路径损耗和多路径传播问题，将会使用波束控制和波束赋形。波束控制

并不是新技术，它可以按照指定方向提供高度精确的指向性信号。不过在毫米波频率

内，仍需采用经过测试和验证的新接入技术，以便实施针对移动通信的波束控制。当设

备在网络中移动时，设备和基站需要能找到彼此，才能维持高质量的通信链路。

当 5G NR设备在新的频率范围 2（FR2）— 毫米波频段工作时，通常都会把天线集

成到芯片组和手机中，在这种情况下，难以通过探测进行传导测试。因此，人们期望

通过空中（OTA）测试来替代之前在 sub-6 GHz 设计中所使用的传统的传导测试方

法。OTA 测试可以为现实中的波束性能提供更真实的评测。

测试毫米波波束赋形的最大挑战包括：

• 验证毫米波初始接入

• 优化毫米波波束跟踪和切换

• 波束赋形空中（OTA）测试

图 4. 多元天线阵列将波束引向多个设备

从概念上来说，波束控

制是通过对天线单元阵

列发射的波形进行相位和

增益调整来实现的，这样

可以在特定的空间方向

上提供高增益（图 4）。

毫米波初始接入。新的初始接入程序提供了一种机制，通过该机制，用户设备和 5G 节

点（gNB）为定向通信建立合适的波束方向。在初始接入程序完成后，用户设备进

入“已连接”状态，并通过闭环波束调整程序进一步跟踪/优化波束。

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波束优化。使用信道状态报告（CSI）机制，5G 节点可以利用 CSI-RS（周期性参考信

号）测量来跟踪下行链路波束的状态。如果工作中的波束不是最佳选择，则 5G 节点可

以指示用户设备切换到其他波束。

波束赋形信号的高指向性使得对于来自不同方向角的波束来说，对它们的初始接入、波

束跟踪和波束切换过程进行测试变得至关重要。这需要一个实时的 OTA 测试环境。

用于测试毫米波 OTA 波束赋形的解决方案

Keysight UXM 5G 无线测试平台可以搭配毫米波射频探头和双极化喇叭天线，从而支持

毫米波 OTA 波束赋形测量。UXM 网络仿真器可以结合毫米波射频探头来充当 gNB，并

且支持 6 GHz 以上的发射机（即下行链路）和接收机（即上行链路）射频端口。该解

决方案可以作为基带和协议处理单元来仿真 5G 网络设施。这个平台还支持 5G NR 协

议和射频测试。它可以与毫米波射频探头、双极化喇叭天线和吸波暗室进行组合，从而

仿真并发的下行链路波束。在添加定位器以控制用户设备的方向之后，其功能还会得到

进一步增强。通过这个配置，拥有 AoA（到达角）测试能力的 5G 波束赋形将会成为

可能。

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Keysight 5G 协议研发工具套件可通过脚本控制 5G NR 配置参数和程序，因此这套

OTA 测试方案能够执行 UE 波束功率测量，进行波束采集、跟踪和波束切换测试，以

及支持其他移动性和协议测试场景。

如欲了解更多信息，请参见应用指南：用于 5G TF 波束赋形功能测试的 OTA 设置。

毫米波前端

毫米波前端

毫米波前端

毫米波前端

毫米波前端

毫米波前端

毫米波前端

毫米波前端

发射机/接收机

发射机/接收机

发射机/接收机

发射机/接收机

发射机/接收机

发射机/接收机

发射机/接收机

发射机/接收机

网络仿真器

HORN

HORN

HORN

HORN

HH

H H

HH

H H

VV

VV

VV

VV

HV

极化极化

图 5. 利用多个到达角仿真下行链路

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针对毫米波 5G NR 设备和系统的 OTA 测试

毫米波频率在 5G 中非常重要，因为它能够提供更连续的频谱和更大带宽的无线信道。

不过，毫米波信号容易受到信号传播问题的影响，例如路径损耗增加、延迟扩展，乃至

由于机箱或人为干扰造成的阻塞，所有这些都使得建立和维护移动台到基站的无线通信

链路变得更加困难。对带有集成天线的调制解调器需要进行空中（OTA）测试。OTA 测

试的目的是查看、表征和验证各种真实场景下的 5G 设备波束方向图和性能。OTA 测试

是 5G 设备开发过程中面临的最大挑战之一。

测试毫米波波束赋形所面临的最大挑战包括：

• 在远场测试毫米波设备的问题

• OTA 测试方法仍在定义中

图 6. 用带有移相器的多元天线阵列控制波束

相控阵天线能够产生具

有更高天线增益的窄波

束，以克服毫米波频率

内更高的路径损耗，这

些天线现在已集成到 5G

设备中，但没有连接器

或探测点可供进行传导

测试。因此，为了验证

和优化 5G 设备的性能，

需要执行 OTA 测试。

发射机（TX）

阵元控制移相器以改变波束方向

天线阵列

因为天线单元的相移信号叠加而造成的波束方向变化

移相器（Φ）

波面

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

Φ

在远场中测试毫米波设备。从概念上来说，直接在远场中执行测量是最简单、也是最全

面的 OTA 测量方法。执行测量时，设备安装在沿方位角和仰角旋转的定位器上。随着

频率增加和设备辐射天线尺寸的增加，远场距离也变得越来越长。例如，一台辐射直径

为 15 cm 的设备在 28 GHz 工作时，其远场距离将为 4.2 米，路径损耗为 73 dB。在

这种情况下，传统的远场测试方法将会需要一个超大的远场测试室，同时路径损耗也会

变得过大，无法进行精确和可重复的空中测量。

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OTA 测试方法。在开发周期的不同阶段，从研发到一致性测试，再到制造、安装和维

护，都需要执行 OTA 测试。OTA 测试解决方案必须足够灵活，以便适应广泛需求。一

致性测试是所有基站和用户设备在进入市场之前必须通过的关键里程碑。3GPP 一致性

测试可以分为射频、无线资源管理（RRM）、解调和信令测试。迄今为止，这些测试仅

定义了不到 50%，OTA 测试方法仍留有很大空间。

面对整个设计和验证周期中广泛的测试要求，没有任何一种测试方法能够完全应对所有

的测试需求。了解潜在的挑战和业已提出的 OTA 测试方法对于 5G NR 设备开发的早

期成功至关重要。

OTA 测试解决方案典型的空中测试解决方案将包括吸波暗室、不同的探测方法和测试设备，以便在某种空

间设置下生成和分析辐射信号。吸波暗室可以提供一个非反射环境，屏蔽外部干扰，从

而可以在受控环境中生成和测量功率和方向已知的辐射信号。

OTA 测试方法可以大致由工作频率、设备辐射天线阵列尺寸以及需要执行的测试来确

定。迄今为止，3GPP 已为基站和用户设备批准了三种射频性能 OTA 测试方法。

直接远场（DFF） 间接远场（IFF） 近场到远场变换（NFTF）

一种简单、全面的方法支持在一个紧凑型的天线测试范围（CATR）内提供近场至

远场切换一种成本更低的紧凑型方法

可能会非常大，且为毫米波设备造成更大的路径损耗

适用于测试毫米波设备的测试，但不适合空间 RRM 测试

仅用于收发信机，尚无接收机或射频参数测试

表 1. 3GPP 批准的 OTA 测试方法比较

DFF 测试方法最为强大，它覆盖了广泛的频谱测试需求。但是，由于较大的辐射天线阵

列的路径损耗过大，DFF 方法只能用于辐射天线阵列 ≤5cm 的设备。IFF 测试方法是

一种新的替代方案，它能在距离比 DFF 方法短得多的范围内提供一个远场测试环境。

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页 11本文中的信息可不经通知而更改。© Keysight Technologies, 2019, Published in USA, January 7, 2019, 5992-3413CHCN

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您可能需要花费大量时间乃至重新返工，以研究和实施 OTA 测试解决方案。为此，您可

以考虑选择是德科技作为您的 OTA 合作伙伴，充分借鉴我们在设备生命周期的不同阶

段实施不同 OTA 方法的宝贵经验。是德科技的 OTA 测试解决方案包括测试室、探测

和测试设备，可以满足从射频到毫米波频率的各种射频、解调和功能测试的需要。

如欲了解更多信息，请参见白皮书：《毫米波 5G NR 设备和系统的 OTA 测试》

结论新的 5G 技术和性能提升正在推动着对新测试方法的需求。随着灵活的新参数集、更复

杂的波形和信道编码技术、扩展到毫米波的频率、更宽的信道带宽以及先进的多天线接

入方案在 5G 设备中实施，设计人员需要访问多级协议堆栈，以便充分测试吞吐量和波

束赋形的性能。此外，对 OTA 测试解决方案的需求进一步加剧了这种情况的复杂性。

是德科技很早便与行业领先企业携手探索复杂的 5G 技术，以及开发覆盖整个工作流程

的解决方案，从仿真、开发和设计验证，直到一致性测试、验收测试以及生产制造和

部署。

我们的解决方案在整个工作流程中都使用相同的测量技术，以确保一致的测量结果，能

够指导您正确实施芯片组供应商和运营商指定的测试解决方案，获得理想的测量成效，

最终更快地将产品推向市场。