為了研究如何應(yīng)對第五代移動通訊技術(shù)（5G）面臨的高頻率和高帶寬的難題，本文闡述了5G標準目前仍未確定的現(xiàn)狀，并提出了高頻信號靈活生成與測試的方案，保證了信號產(chǎn)生和分析的質(zhì)量，極大簡化了二維幀結(jié)構(gòu)的配置。

關(guān)鍵詞： 5G頻率規(guī)劃 寬帶調(diào)制信號 信號生成與分析

1. 引言

增強移動寬帶（eMBB，Enhanced Mobile Broadband）是5G的重要應(yīng)用場景之一。LTE-Advanced Pro目前理論上可提供高達1.7 Gbit/s的峰值數(shù)據(jù)速率，但5G的目標是20 Gbps的峰值數(shù)據(jù)速率和幾百Mbps的平均用戶數(shù)據(jù)速率，因此必須使用更大的頻譜帶寬。為此，測試儀器也應(yīng)覆蓋相應(yīng)的頻率和調(diào)制、分析帶寬，為了能準確地測試，測試儀表的精度和殘余誤差必須比被測件高一個數(shù)量級以上，這也給測試技術(shù)帶來極大挑戰(zhàn)。本文接下來將在闡述5G標準目前仍未確定的現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出高頻信號靈活生成與測試的方案。

2. 5G的頻率之爭

目前業(yè)界主要討論的是1 GHz的帶寬，最終將考慮使用2 GHz的帶寬，但目前移動通信“傳統(tǒng)頻段”（450 MHz到6 GHz之間的頻率范圍）無法分配這么大的帶寬，因此必須升級到厘米波和毫米波頻段。當(dāng)今熱門的5G候選頻率范是24.25 GHz—86 GHz。

2.1 逐步清晰的頻率規(guī)劃

24.25 GHz到86 GHz是一個很寬的頻率范圍。2016年7月，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）宣布，準備為5G開放10.85 GHz的附加頻譜。FCC確定了3個需要執(zhí)照的頻段：28 GHz、37 GHz和 39GHz。此外，F(xiàn)CC確定了64 GHz到71 GHz的無需執(zhí)照頻段用于5G。FCC還擴展了當(dāng)前的60 GHz頻段，該頻段現(xiàn)在由802.11ad標準使用。美國本地一線運營商優(yōu)先重點使用的是28 GHz頻段，該頻段提供從27.5 GHz到28.35 GHz，共計850 MHz的帶寬。

2.2 業(yè)內(nèi)的提案之爭

FCC發(fā)布此公告的同時，美國運營商Verizon Wireless在眾多頂級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、芯片組和終端制造商的支持下，公開了自己的一組描述5G信號物理層特征的技術(shù)規(guī)范[2]。該規(guī)范在3GPP R12的基礎(chǔ)上延伸，并初期定在28 GHz頻段上使用。由此標準支持的應(yīng)用是固定無線接入（FWA，F(xiàn)ixed Wireless Access），換句話講，此標準支持將基于5G的高速互聯(lián)網(wǎng)連接到家庭。

該標準是基于OFDM的多載波信號，使用75 kHz子載波間隔，每個分量載波帶寬為100 MHz。它可聚合最多8個載波，基本運行模式是TDD。與3GPP的LTE規(guī)范相比，該規(guī)范定義了新的同步信號，添加了新的物理信道，擴展和修改了現(xiàn)有信道的能力，目標是使波束賦形能夠用于信號采集、跟蹤、細化和恢復(fù)，從而克服較高頻率引起的高路徑損耗。該規(guī)范正在官方標準化組織（3GPP）之外穩(wěn)步前進。表1將當(dāng)前的LTE規(guī)范與Verizon Wireless的5G規(guī)范做了對比：

表1 LTE物理層參數(shù)與Verizon Wireless 5G參數(shù)設(shè)想比較

除了與其芯片和系統(tǒng)供應(yīng)商合作外，Verizon Wireless于2016年2月宣布與韓國無線運營商Korean Telecom（KT）和South Korea Telecom（SKT），以及日本運營商NTT DoCoMo建立合作伙伴關(guān)系。該聯(lián)盟稱作5G開放實驗聯(lián)盟（Open Trial Alliance），正如其名稱所示，該聯(lián)盟的目標是協(xié)調(diào)5G實驗。

同時，3GPP負責(zé)物理層定義的RAN1工作組已經(jīng)完成了子載波間隔和縮放因子、5G NR的基本物理層參數(shù)討論等。參數(shù)需要縮放，因為在較高頻率上，相位噪聲影響加劇，所以需要較大的頻率間隔和較寬的子載波間隔。為了進一步探索，RAN1使用3種不同的相位噪聲模型來確定鏈路級仿真的性能，并分別在25 GHz、39 GHz和70 GHz分析了這些模型[3]。

3GPP RAN1用于其仿真（包括基本參數(shù)）的典型頻率是30 GHz和70 GHz。經(jīng)過RAN1內(nèi)的一番爭論后，基本決定是用f0的基頻和2m倍的縮放進行子載波縮放。為了后向兼容，15 kHz這一LTE中的子載波間隔被選作基頻。指數(shù)m可以取值{-2, 0, 1, …, 5}，因此，所考慮的子載波間隔是3.75 kHz和15 kHz, 30 kHz, …, 480 kHz。根據(jù)這個商定意見，3GPP RAN1不支持75 kHz的子載波間隔，這與Verizon Wireless的5G規(guī)范沖突。

現(xiàn)在，從子載波間隔角度，實現(xiàn)物理層有2種競爭提案。然而，相比Verizon Wireless的規(guī)范，對于3GPP的RAN1，仍然有許多問題需要解決。例如，需要研究每個子載波間隔的不同循環(huán)前綴長度，在子載波間隔中這些循環(huán)前綴基本上可以有不同的長度。此外，每個物理資源塊（PRB）的子載波數(shù)目（在LTE中是12）目前正在調(diào)研中，應(yīng)當(dāng)在2016年11月召開的下次會議上確定。

由于業(yè)內(nèi)不同陣營的競爭，5G的最終空中接口參數(shù)還沒有最終確定，對早期研發(fā)和測試提出很大挑戰(zhàn)。

3. 5G信號生成和分析

3.1 5G信號生成和分析的挑戰(zhàn)和方案

為5G提供信號生成和信號分析方案特別具有挑戰(zhàn)性，需要面對高頻率和高帶寬的挑戰(zhàn)，同時還要保證信號質(zhì)量，需要測試儀器能產(chǎn)生接近理想的信號，分析儀也要有極低的殘余誤差，必須適應(yīng)多種變體，并能提供可擴展的分析帶寬。與此類似，信號發(fā)生器必須能夠處理高頻信號，并且可以擴展。

R&S FSW信號和頻譜分析儀支持43.5 GHz、67 GHz，最高可達85 GHz的頻率范圍。內(nèi)置分析帶寬是2 GHz。配合R&S RTO2066數(shù)字示波器，未來此分析帶寬可輕松擴展到更高帶寬。5G對信號發(fā)生器提出了類似的挑戰(zhàn)，例如，R&S SMW200A矢量信號發(fā)生器頻率范圍可達40 GHz，提供高達2 GHz的內(nèi)部調(diào)制帶寬。使用最新發(fā)布的R&S SZU上變頻器，它的頻率范圍可進一步擴展，旨在測試支持57 GHz到66 GHz頻率范圍的802.11ad技術(shù)。

上述方案中，信號源和分析儀都內(nèi)置寬帶信號的均衡功能，信號源能產(chǎn)生接近理想的信號，分析儀能正確地分析寬帶信號（殘余誤差極?。瑹o需復(fù)雜的校準和調(diào)整，使用極其方便。

信號發(fā)生器還必須具有內(nèi)在的靈活性，以便支持測試多種波形。候選的5G波形包括通用濾波多載波（UFMC）、濾波器組多載波（FBMC）、廣義頻分復(fù)用（GFDM）和濾波器-正交頻分復(fù)用（f-OFDM）。羅德與施瓦茨公司在2015年就推出R&S SMW200A的“5G候選波形”信號生成功能。此外，通過新版的FS-K96 OFDM矢量信號分析軟件，使其能夠分析基于OFDM的通用信號以及其他候選波形，如GFDM和UFMC。這些波形的詳細描述，以及如何使用羅德與施瓦茨公司信號生成解決方案和分析解決方案的相關(guān)內(nèi)容可在R&S應(yīng)用手冊[5]中找到。

3.2 靈活的信號生成

上述選件中，僅需幾個步驟內(nèi)就能實現(xiàn)快速信號的生成和分析。對于基于OFDM系統(tǒng)的5G信號，只要定義基本OFMD參數(shù)和對應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)二維描述即可，詳細步驟如下。

例如，在SMW200A信號發(fā)生器上使用軟件選件K114，能夠生成通用OFDM信號。用戶簡單地定義幾個OFDM關(guān)鍵參數(shù)，如FFT大小、占用的子載波，循環(huán)前綴長度，以及OFDM符號數(shù)量等。經(jīng)過恰當(dāng)設(shè)置，用戶可以生成類似Verizon Wireless的5G信號，如圖1所示：

圖1 Verizon Wireless專有5G信號物理層參數(shù)

在資源配置菜單中，用戶可以進行幀結(jié)構(gòu)配置，把各個時、頻域資源分配給導(dǎo)頻或者數(shù)據(jù)。對于用戶數(shù)據(jù)部分，可以使用不同調(diào)制方式，最高可支持256QAM。

專有的Verizon Wireless 5G規(guī)范要求實現(xiàn)多達8個100 MHz帶寬分量載波的載波聚合，這樣的信號使用SMW200A矢量信號發(fā)生器可輕松生成。在標配的任意波形發(fā)生器ARB菜單中，用戶可以定義多載波信號（例如多達8個載波）。用戶可以按如Verizon Wireless5G規(guī)范要求的，定義99 MHz的載波屏蔽器（如圖2所示），并能夠通過削峰算法減小峰均比。

圖2 創(chuàng)建多載波信號，應(yīng)用削峰功能

在“載波表”選項卡（如圖3所示）中，用戶現(xiàn)在能夠分別定義8個載波中的每一個。每個載波由波形文件定義，波形文件用軟件選件K114生成。對于每個載波，可使用一定的增益、相位或延時，創(chuàng)建更為真實的測試場景。

圖3 創(chuàng)建載波表

這些信號可用于組件測試，如新設(shè)計的目標為5G基站和接入點，工作在28 GHz或39 GHz的功率放大器。圖4顯示這類信號的測量，信號功率從-15 dBm到0 dBm掃描，測試不同功率下每個SubBand的EVM，平均EVM大約為-36.0 dB。

圖4 采用800 MHz總帶寬的8載波5G信號的誤差矢量幅度（EVM）測量

3.3 方便的信號分析

對于信號分析部分可以使用FS-K96軟件，能夠從頻譜分析儀中捕獲IQ數(shù)據(jù)，對捕獲的數(shù)據(jù)進行后期處理并顯示分析結(jié)果，如功率頻譜、星座圖、對應(yīng)子載波和/或符號的EVM，以及更多內(nèi)容。

和信號生成的配置步驟類似：只需對此軟件做少許配置，即可分析用戶自定義信號。只要設(shè)置正確的采樣頻率（如圖5所示）、FFT大小以及循環(huán)前綴長度。如果沒有循環(huán)前綴（CP），前導(dǎo)碼必須嵌入信號中，用戶需要設(shè)置前導(dǎo)碼參數(shù)（如圖6所示）。循環(huán)前綴或前導(dǎo)碼是必要的，因為該軟件將使用這些信號部分實現(xiàn)時間同步。對于循環(huán)前綴，每個符號可以配置不同的循環(huán)前綴。LTE就是這樣：對于常規(guī)循環(huán)前綴配置，第一個OFDM或SC-FDMA符號使用比該時隙中其余6個符號更長的循環(huán)前綴。

圖5 設(shè)置頻率和采樣速率

圖6 按照 Verizon Wireless 5G 規(guī)范定義循環(huán)前綴長度

做完這些基本設(shè)置后，同樣也要定義二維的幀結(jié)構(gòu)，該軟件提供2種方法定義：使用Matlab腳本描述，或者使用“配置生成向?qū)С绦颉?，下面針對“配置生成向?qū)А钡姆椒ㄗ鲈敿毭枋觯摲椒ㄊ褂脠D像化向?qū)Х绞?，無需寫腳本：用戶可以通過射頻捕獲信號進行分析，另外該軟件也支持直接分析文件。建議從分析文件開始，因為這種“理想的”IQ數(shù)據(jù)，在IQ調(diào)制、上變頻、放大、下變頻和解調(diào)過程中不會受到儀器模擬組件的影響。結(jié)果也給出對于配置的信號，最可能的、理想的EVM。一切正確配置后，可以啟動配置文件向?qū)?。將IQ數(shù)據(jù)加載到此配置文件向?qū)В又脩魪脑撆渲梦募亩x開始，同時應(yīng)用對相位、時間和頻率進行修正，或者使用手動或自動算法優(yōu)化上述參數(shù)，使星座圖清晰（如圖7所示）。

尤其是當(dāng)使用不太理想的IQ文件時，“Auto”按鈕很有用。圖7所示例子對應(yīng)按照Verizon Wireless 5G規(guī)范建立的完整無線幀：比較用于基本物理層參數(shù)化的表1。在基本星座中，已經(jīng)可以清晰識別出一個單位圓星座。這部分信號表示Zadoff-Chu序列。這些序列提供恒幅零自相關(guān)（CAZAC）特性，并且非常適合發(fā)射機和接收機間的基本同步。在Verizon Wireless的無線5G規(guī)范中，主同步信號（PSS與LTE相同）是基于不同根索引的Zadoff-Chu序列。

新定義的擴展同步信號（ESS）使用固定的根索引，但是在每個符號基礎(chǔ)上循環(huán)移位。這使接收機能夠識別出符號定時，對整個波束賦形獲取過程十分重要。圖7也給出了相應(yīng)于輔助同步信號屏蔽器（SSS與LTE相同）的BPSK星座圖，以及由新的、擴展的物理廣播信道（xPBCH）使用的QPSK星座圖。另外，在本例中使用的16QAM用于擴展物理共享數(shù)據(jù)信道（xPDSCH）荷載的數(shù)據(jù)。在增益調(diào)整后，把這些星座點分配到對應(yīng)導(dǎo)頻符號，或者數(shù)據(jù)符號。

圖7 FS-K96 配置文件向?qū)?/p>

在分配完所有顯示的星座點后，寧波大展電子科技有限公司配置文件完成，可將其保存和直接加載到FS-K96軟件，以解調(diào)捕獲的IQ文件，如圖8所示。子載波的功率測量值顯示在屏幕頂部。下半部分顯示的是信號的2維時、頻域分布。#0子幀和#25子幀（參閱圖8下部）清晰顯示攜帶同步信號（PSS/SSS、ESS）和xPBCH（包括用于正確解調(diào)的波束賦形參考信號BRS）的2個子幀（藍色），其余部分（綠色）是采用16QAM已調(diào)數(shù)據(jù)的xPDSCH。在右下角單獨打開的窗口中能夠顯示上述的所有信道和調(diào)制方式的復(fù)合星座圖。

圖8 解調(diào)的Verizon Wireless 5G信號，在28 GHz的單載波，帶寬為100 MHz

4. 結(jié)論

5G已經(jīng)從純研究轉(zhuǎn)向早期標準化階段，許多提案都在公開討論中，尤其是物理層定義。由美國運營商Verizon Wireless領(lǐng)導(dǎo)，幾家網(wǎng)絡(luò)運營商參與的行業(yè)聯(lián)盟發(fā)揮首創(chuàng)精神，已經(jīng)定義了專有的、基于LTE的第一個5G版本。這些不同的版本和設(shè)想要求在信號生成和信號分析方面提供靈活的測試設(shè)備。本文探討了測試設(shè)備及其相關(guān)軟件要滿足最佳靈活性和易用性應(yīng)當(dāng)具有的特性和功能，通過“內(nèi)置快速均衡技術(shù)”保證了信號產(chǎn)生和分析的質(zhì)量，以獲得盡可能低的殘余誤差，通過靈活地軟件配置以及“圖形化配置生成向?qū)А狈绞剑瑯O大簡化了二維幀結(jié)構(gòu)的配置，以應(yīng)對正在演進中的5G空中接口標準。