【無線射頻通信】-5G高頻關(guān)鍵技術(shù)及測試性能分析

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劉愔：愛立信（中國）通信有限公司研發(fā)中心系統(tǒng)技術(shù)部高級技術(shù)經(jīng)理。

本文主要講了什么內(nèi)容？

5G技術(shù)方興未艾，各種候選技術(shù)獲得業(yè)界的廣泛關(guān)注。本文結(jié)合高頻技術(shù)在5G中的應(yīng)用場景和關(guān)鍵技術(shù)，介紹了愛立信開發(fā)的5G高頻無線空口測試床，共享了在中國5G技術(shù)研發(fā)試驗第一階段的測試結(jié)果，分析并總結(jié)了5G高頻技術(shù)的精彩表現(xiàn)。

一、引言

隨著社會對5G技術(shù)越來越關(guān)注，5G已經(jīng)不再僅僅是人們通話的手段，它更承載了人們突破傳統(tǒng)的移動無線寬帶（MBB）業(yè)務(wù)實現(xiàn)萬物互聯(lián)的決心和愿景。ITU定義了5G三大應(yīng)用場景，包括增加移動寬帶（eMBB）、超高牢靠低時延通信（URLLC）和大規(guī)模機器類通信（mMTC）。

對于供應(yīng)極致體驗的高傳輸速率的5G應(yīng)用，如eMBB，大帶寬的使用是必需的。從全球范圍來看，較低頻段（如6GHz以下）獵取大段帶寬的可能性微乎其微，只有高頻還隱藏著相對豐富的頻譜資源，在更高頻率上可以獲得更大帶寬，從而可以大幅提升用戶吞吐量和系統(tǒng)容量。

因此，高頻技術(shù)成為5G系統(tǒng)中一個重要的候選技術(shù)，重點面對超大帶寬的極致eMBB業(yè)務(wù)。WRC-19AI1.13議題也將對將來5G在6GHz以上的候選頻段進行討論。

此外，高頻信號衰落快，鄰小區(qū)的干擾會大大降低，適合超密集組網(wǎng)。大規(guī)模天線（MassiveMIMO）是5G中的一個關(guān)鍵技術(shù)，特別適合在高頻上工作。高頻的波長小，可以設(shè)計尺寸更緊湊的天線，更適于MassiveMIMO的部署。

另外，針對6GHz以上頻率的無線傳播特性得到了相當?shù)年P(guān)注。在5G聯(lián)合討論項目METIS中，就綻開了針對高頻的信道討論，為5G應(yīng)用場景更新了相關(guān)信道模型。

盡管困難重重，關(guān)于5G高頻的討論還是取得了相當?shù)倪M展。本文將重點介紹愛立信無線空口高頻測試床和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)以及室內(nèi)外測試的結(jié)果及結(jié)論。

二、5G高頻測試樣機簡介

愛立信公司最早于2023年開發(fā)了工作在高頻（如15GHz）的5G無線空口測試床，用于展現(xiàn)5G系統(tǒng)力量和討論5G高頻傳播特性和關(guān)鍵技術(shù)。2023年夏天，愛立信公司攜最新一代無線高頻測試床參與了工信部組織的中國5G技術(shù)研發(fā)試驗第一階段測試，精彩完成了高頻及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)驗證，如MassiveMIMO、波束賦形、波束追蹤、以及多用戶MIMO等。

測試床基站側(cè)設(shè)備參見圖1。其中左側(cè)為基站柜體，中間為5GNR（新空口）無線單元，右側(cè)為5GNR（新空口）測試終端。試驗網(wǎng)絡(luò)拓撲參考圖2，基本參數(shù)配置參見表1。

圖1、愛立信5GNR測試床

圖2、測試網(wǎng)絡(luò)拓撲

表1、基本參數(shù)配置表

MassiveMIMO，顧名思義，就是利用許多天線陣子采納波束賦形和空域復(fù)用的方式，來獵取多流傳輸，從而大幅提升速率和容量，通過多用戶共享時頻資源最終帶來頻譜效率的增加。更窄的波束可以更有效地將能量和信息傳遞到特定的用戶；采納特別設(shè)計的參考信號，只需有限的反饋，系統(tǒng)可以追蹤運動中的用戶來保障移動中的用戶體驗。

三、5G高頻外場測試性能分析

在5G技術(shù)研發(fā)試驗第一階段的測試中，先后對室內(nèi)、室外的LOS和NLOS場景進行了測試，涵蓋了定點測試、掩蓋測試、波速跟蹤和MU-MIMO等測試用例。

1、室內(nèi)測試場景和用例

（1）室內(nèi)測試場景選擇在辦公樓躍層場景，測試選點跨越了A座和B座，上下兩層（見圖3）

圖3、室內(nèi)LOS定點測試場景

在室內(nèi)測試視距場景下，15GHz掩蓋性能良好，測試平均吞吐量7.7Gbit/s，單用戶峰值吞吐量可達15.1Gbit/s。同時，利用3D-MIMO功能可以對多層樓進行有效掩蓋。

NLOS場景選點分布在被茶水間、洗手間、會議室及電梯間遮擋的走廊和過道，選取包括玻璃墻，非承重墻以及承重墻為遮擋物的多個測試點，如圖4所示。

圖4、室內(nèi)NLOS定點測試場景

在室內(nèi)測試非視距場景下，高頻有豐富的反射通道，結(jié)合波束賦形和波束跟蹤技術(shù)，在該場景下高頻測試仍能取得良好的掩蓋，非視距場景最高速率9.1Gbit/s，平均速率4.3Gbit/s。

（2）MU-MIMO測試

室內(nèi)LOS場景下的MU-MIMO測試，如圖5所示。

圖5、室內(nèi)LOS場景MU-MIMO測試

借助于優(yōu)化的波束賦性算法，在狹窄有限的室內(nèi)環(huán)境下，仍能勝利進行MU的配對，峰值速率可達23.1～25Gbit/s。

（3）掩蓋測試

掩蓋測試中包括了視距和非視距場景，遍歷路線經(jīng)過了茶水間、會議室、辦公區(qū)域以及電梯間，室內(nèi)掩蓋測試平均吞吐量達到6.5Gbit/s，測試路線及吞吐率性能如圖6所示。

圖6、室內(nèi)掩蓋測試

（4）波束跟蹤測試

基于現(xiàn)場環(huán)境選取了垂直方向角0度，水平方向從右到左一共跨越6個波束進行波束跟蹤功能的測試，波束切換正常，能夠很好地跟蹤用戶移動，波束切換過程對速率沒有影響。

2、室外測試場景和用例

室外在視距和非視距場景下進行了定點、掩蓋和波束跟蹤測試。非視距包括街邊配電箱、濃密樹木，以及貨車等場景（見圖7）。

圖7、室外測試場景

（1）定點測試

在視距場景定點測試中，平均吞吐量達到7.2Gbit/，MU-MIMO峰值速率超過21Gbit/s。非視距場景定點測試平均吞吐量達到5.1Gbit/s。室外MU-MIMO測試如圖8所示。

圖8、室外MU-MIMO測試

（2）掩蓋測試

掩蓋測試中遍歷了視距和非視距場景，其中路線1主要是視距場景，部分區(qū)域為非視距場景，遮擋物為樹木；路線2主要是非視距場景，主要遮擋物為樹木和施工建筑材料。室外掩蓋測試平均吞吐量達到5.0Gbit/s，吞吐率性能如圖9所示。

圖9、吞吐率性能

（3）波束跟蹤測試

基于現(xiàn)場環(huán)境選取了水平方向共7個波束進行波束跟蹤功能的測試，波束切換正常，能夠很好地跟蹤用戶移動，波束切換過程對終端下行速率沒有影響。

四、總結(jié)

通過5G高頻測試床的外場（室內(nèi)、室外）測試，驗證了高頻大帶寬、MU-MIMO、波束跟蹤等功能，有效克服了高頻衰落大、易被遮擋等困難。同時，通過良好的系統(tǒng)設(shè)計，解決了高頻關(guān)鍵器件相噪差等問題，實際測試中性能表現(xiàn)優(yōu)異：

（1）室內(nèi)定點單UE峰值速率15.1Gbit/s，兩UE峰值速率大于23.1Gbit/s。

（2）室內(nèi)視距場景定點測試平均吞吐量7.7Gbit/s，非視距場景平均吞吐量4.3Gbit/s，室內(nèi)掩蓋測試平均吞吐量6.5Gbit/s。

（3）室外測試單UE峰值速率11.4Gbit/s，室外兩UE峰值速率大于21G