关于5G高频段信号与测试技术说明和介绍

为了研究如何应对第五代移动通讯技术（5G）面临的高频率和高带宽的难题，本文阐述了5G标准目前仍未确定的现状，并提出了高频信号灵活生成与测试的方案，保证了信号产生和分析的质量，极大简化了二维帧结构的配置。

关键词  5G频率规划    宽带调制信号    信号生成与分析

1.   引言

增强移动宽带（eMBB，Enhanced Mobile Broadband）是5G的重要应用场景之一。LTE-Advanced Pro目前理论上可提供高达1.7 Gbit/s的峰值数据速率，但5G的目标是20 Gbps的峰值数据速率和几百Mbps的平均用户数据速率，因此必须使用更大的频谱带宽。为此，测试仪器也应覆盖相应的频率和调制、分析带宽，为了能准确地测试，测试仪表的精度和残余误差必须比被测件高一个数量级以上，这也给测试技术带来极大挑战。本文接下来将在阐述5G标准目前仍未确定的现状的基础上，提出高频信号灵活生成与测试的方案。

2.   5G的频率之争

目前业界主要讨论的是1 GHz的带宽，最终将考虑使用2 GHz的带宽，但目前移动通信“传统频段”（450 MHz到6 GHz之间的频率范围）无法分配这么大的带宽，因此必须升级到厘米波和毫米波频段。当今热门的5G候选频率范是24.25 GHz—86 GHz。

2.1  逐步清晰的频率规划

24.25 GHz到86 GHz是一个很宽的频率范围。2016年7月，美国联邦通信委员会（FCC）宣布，准备为5G开放10.85 GHz的附加频谱。FCC确定了3个需要执照的频段：28 GHz、37 GHz和 39GHz。此外，FCC确定了64 GHz到71 GHz的无需执照频段用于5G。FCC还扩展了当前的60 GHz频段，该频段现在由802.11ad标准使用。美国本地一线运营商优先重点使用的是28 GHz频段，该频段提供从27.5 GHz到28.35 GHz，共计850 MHz的带宽。

2.2  业内的提案之争

FCC发布此公告的同时，美国运营商Verizon Wireless在众多顶级网络设备、芯片组和终端制造商的支持下，公开了自己的一组描述5G信号物理层特征的技术规范[2]。该规范在3GPP R12的基础上延伸，并初期定在28 GHz频段上使用。由此标准支持的应用是固定无线接入（FWA，Fixed Wireless Access），换句话讲，此标准支持将基于5G的高速互联网连接到家庭。

该标准是基于OFDM的多载波信号，使用75 kHz子载波间隔，每个分量载波带宽为100 MHz。它可聚合最多8个载波，基本运行模式是TDD。与3GPP的LTE规范相比，该规范定义了新的同步信号，添加了新的物理信道，扩展和修改了现有信道的能力，目标是使波束赋形能够用于信号采集、跟踪、细化和恢复，从而克服较高频率引起的高路径损耗。该规范正在官方标准化组织（3GPP）之外稳步前进。表1将当前的LTE规范与Verizon Wireless的5G规范做了对比：

表1    LTE物理层参数与Verizon Wireless 5G参数设想比较

除了与其芯片和系统供应商合作外，Verizon Wireless于2016年2月宣布与韩国无线运营商Korean Telecom（KT）和South Korea Telecom（SKT），以及日本运营商NTT DoCoMo建立合作伙伴关系。该联盟称作5G开放实验联盟（Open Trial Alliance），正如其名称所示，该联盟的目标是协调5G实验。

同时，3GPP负责物理层定义的RAN1工作组已经完成了子载波间隔和缩放因子、5G NR的基本物理层参数讨论等。参数需要缩放，因为在较高频率上，相位噪声影响加剧，所以需要较大的频率间隔和较宽的子载波间隔。为了进一步探索，RAN1使用3种不同的相位噪声模型来确定链路级仿真的性能，并分别在25 GHz、39 GHz和70 GHz分析了这些模型[3]。

3GPP RAN1用于其仿真（包括基本参数）的典型频率是30 GHz和70 GHz。经过RAN1内的一番争论后，基本决定是用f0的基频和2m倍的缩放进行子载波缩放。为了后向兼容，15 kHz这一LTE中的子载波间隔被选作基频。指数m可以取值{-2, 0, 1, …, 5}，因此，所考虑的子载波间隔是3.75 kHz和15 kHz, 30 kHz, …, 480 kHz。根据这个商定意见，3GPP RAN1不支持75 kHz的子载波间隔，这与Verizon Wireless的5G规范冲突。

现在，从子载波间隔角度，实现物理层有2种竞争提案。然而，相比Verizon Wireless的规范，对于3GPP的RAN1，仍然有许多问题需要解决。例如，需要研究每个子载波间隔的不同循环前缀长度，在子载波间隔中这些循环前缀基本上可以有不同的长度。此外，每个物理资源块（PRB）的子载波数目（在LTE中是12）目前正在调研中，应当在2016年11月召开的下次会议上确定。

由于业内不同阵营的竞争，5G的最终空中接口参数还没有最终确定，对早期研发和测试提出很大挑战。

3.   5G信号生成和分析

3.1  5G信号生成和分析的挑战和方案

为5G提供信号生成和信号分析方案特别具有挑战性，需要面对高频率和高带宽的挑战，同时还要保证信号质量，需要测试仪器能产生接近理想的信号，分析仪也要有极低的残余误差，必须适应多种变体，并能提供可扩展的分析带宽。与此类似，信号发生器必须能够处理高频信号，并且可以扩展。

R&S FSW信号和频谱分析仪支持43.5 GHz、67 GHz，最高可达85 GHz的频率范围。内置分析带宽是2 GHz。配合R&S RTO2066数字示波器，未来此分析带宽可轻松扩展到更高带宽。5G对信号发生器提出了类似的挑战，例如，R&S SMW200A矢量信号发生器频率范围可达40 GHz，提供高达2 GHz的内部调制带宽。使用最新发布的R&S SZU上变频器，它的频率范围可进一步扩展，旨在测试支持57 GHz到66 GHz频率范围的802.11ad技术。

上述方案中，信号源和分析仪都内置宽带信号的均衡功能，信号源能产生接近理想的信号，分析仪能正确地分析宽带信号（残余误差极小），无需复杂的校准和调整，使用极其方便。

信号发生器还必须具有内在的灵活性，以便支持测试多种波形。候选的5G波形包括通用滤波多载波（UFMC）、滤波器组多载波（FBMC）、广义频分复用（GFDM）和滤波器-正交频分复用（f-OFDM）。罗德与施瓦茨公司在2015年就推出R&S SMW200A的“5G候选波形”信号生成功能。此外，通过新版的FS-K96 OFDM矢量信号分析软件，使其能够分析基于OFDM的通用信号以及其他候选波形，如GFDM和UFMC。这些波形的详细描述，以及如何使用罗德与施瓦茨公司信号生成解决方案和分析解决方案的相关内容可在R&S应用手册[5]中找到。

3.2  灵活的信号生成

上述选件中，仅需几个步骤内就能实现快速信号的生成和分析。对于基于OFDM系统的5G信号，只要定义基本OFMD参数和对应的帧结构二维描述即可，详细步骤如下。

例如，在SMW200A信号发生器上使用软件选件K114，能够生成通用OFDM信号。用户简单地定义几个OFDM关键参数，如FFT大小、占用的子载波，循环前缀长度，以及OFDM符号数量等。经过恰当设置，用户可以生成类似Verizon Wireless的5G信号，如图1所示：

图1    Verizon Wireless专有5G信号物理层参数

在资源配置菜单中，用户可以进行帧结构配置，把各个时、频域资源分配给导频或者数据。对于用户数据部分，可以使用不同调制方式，最高可支持256QAM。

专有的Verizon Wireless 5G规范要求实现多达8个100 MHz带宽分量载波的载波聚合，这样的信号使用SMW200A矢量信号发生器可轻松生成。在标配的任意波形发生器ARB菜单中，用户可以定义多载波信号（例如多达8个载波）。用户可以按如Verizon Wireless5G规范要求的，定义99 MHz的载波间隔（如图2所示），并能够通过削峰算法减小峰均比。

图2    创建多载波信号，应用削峰功能

在“载波表”选项卡（如图3所示）中，用户现在能够分别定义8个载波中的每一个。每个载波由波形文件定义，波形文件用软件选件K114生成。对于每个载波，可使用一定的增益、相位或延时，创建更为真实的测试场景。 

图3    创建载波表

这些信号可用于组件测试，如新设计的目标为5G基站和接入点，工作在28 GHz或39 GHz的功率放大器。图4显示这类信号的测量，信号功率从-15 dBm到0 dBm扫描，测试不同功率下每个SubBand的EVM，平均EVM大约为-36.0 dB。

图4    采用800 MHz总带宽的8载波5G信号的误差矢量幅度（EVM）测量

3.3  方便的信号分析    

对于信号分析部分可以使用FS-K96软件，能够从频谱分析仪中捕获IQ数据，对捕获的数据进行后期处理并显示分析结果，如功率频谱、星座图、对应子载波和/或符号的EVM，以及更多内容。

和信号生成的配置步骤类似：只需对此软件做少许配置，即可分析用户自定义信号。只要设置正确的采样频率（如图5所示）、FFT大小以及循环前缀长度。如果没有循环前缀（CP），前导码必须嵌入信号中，用户需要设置前导码参数（如图6所示）。循环前缀或前导码是必要的，因为该软件将使用这些信号部分实现时间同步。对于循环前缀，每个符号可以配置不同的循环前缀。LTE就是这样：对于常规循环前缀配置，第一个OFDM或SC-FDMA符号使用比该时隙中其余6个符号更长的循环前缀。

图5    设置频率和采样速率

图6    按照 Verizon Wireless 5G 规范定义循环前缀长度

做完这些基本设置后，同样也要定义二维的帧结构，该软件提供2种方法定义：使用Matlab脚本描述，或者使用“配置生成向导程序”，下面针对“配置生成向导”的方法做详细描述，该方法使用图像化向导方式，无需写脚本：用户可以通过射频捕获信号进行分析，另外该软件也支持直接分析文件。建议从分析文件开始，因为这种“理想的”IQ数据，在IQ调制、上变频、放大、下变频和解调过程中不会受到仪器模拟组件的影响。结果也给出对于配置的信号，最可能的、理想的EVM。一切正确配置后，可以启动配置文件向导。将IQ数据加载到此配置文件向导，接着用户从该配置文件的定义开始，同时应用对相位、时间和频率进行修正，或者使用手动或自动算法优化上述参数，使星座图清晰（如图7所示）。

尤其是当使用不太理想的IQ文件时，“Auto”按钮很有用。图7所示例子对应按照Verizon Wireless 5G规范建立的完整无线帧：比较用于基本物理层参数化的表1。在基本星座中，已经可以清晰识别出一个单位圆星座。这部分信号表示Zadoff-Chu序列。这些序列提供恒幅零自相关（CAZAC）特性，并且非常适合发射机和接收机间的基本同步。在Verizon Wireless的无线5G规范中，主同步信号（PSS与LTE相同）是基于不同根索引的Zadoff-Chu序列。

新定义的扩展同步信号（ESS）使用固定的根索引，但是在每个符号基础上循环移位。这使接收机能够识别出符号定时，对整个波束赋形获取过程十分重要。图7也给出了相应于辅助同步信号（SSS与LTE相同）的BPSK星座图，以及由新的、扩展的物理广播信道（xPBCH）使用的QPSK星座图。另外，在本例中使用的16QAM用于扩展物理共享数据信道（xPDSCH）荷载的数据。在增益调整后，把这些星座点分配到对应导频符号，或者数据符号。

图7    FS-K96 配置文件向导

在分配完所有显示的星座点后，配置文件完成，可将其保存和直接加载到FS-K96软件，以解调捕获的IQ文件，如图8所示。子载波的功率测量值显示在屏幕顶部。下半部分显示的是信号的2维时、频域分布。#0子帧和#25子帧（参阅图8下部）清晰显示携带同步信号（PSS/SSS、ESS）和xPBCH（包括用于正确解调的波束赋形参考信号BRS）的2个子帧（蓝色），其余部分（绿色）是采用16QAM已调数据的xPDSCH。在右下角单独打开的窗口中能够显示上述的所有信道和调制方式的复合星座图。

图8    解调的Verizon Wireless 5G信号，在28 GHz的单载波，带宽为100 MHz

4.   结论 

5G已经从纯研究转向早期标准化阶段，许多提案都在公开讨论中，尤其是物理层定义。由美国运营商Verizon Wireless领导，几家网络运营商参与的行业联盟发挥首创精神，已经定义了专有的、基于LTE的第一个5G版本。这些不同的版本和设想要求在信号生成和信号分析方面提供灵活的测试设备。本文探讨了测试设备及其相关软件要满足最佳灵活性和易用性应当具有的特性和功能，通过“内置快速均衡技术”保证了信号产生和分析的质量，以获得尽可能低的残余误差，通过灵活地软件配置以及“图形化配置生成向导”方式，极大简化了二维帧结构的配置，以应对正在演进中的5G空中接口标准。