Анализ процедуры тестирования базовых станций на соответствие стандарту 5G NR

№ 2’2020
PDF версия
Тестирование базовых станций на соответствие стандарту 5G NR отличается тем, что предусматривает испытания не только при проводном, но и при беспроводном подключении. В настоящей статье выполнен анализ тестируемых параметров радиооборудования gNB и особенностей проведения испытаний, а также подробно рассмотрена процедура тестирования приемников gNB при беспроводном подключении.

Анализ тестируемых параметров радиооборудования gNB

Одной из основных тенденций в отрасли подвижной связи является повышение пропускной способности с целью удовлетворить пользовательский спрос на передачу больших объемов данных. Для этого в системе связи нового поколения 5G NR предусмотрена возможность работать со сверхширокими полосами частот из миллиметрового диапазона (Frequency Range 2, FR2), что, в свою очередь, накладывает дополнительные конструктивные ограничения на инфраструктуру сети. Особенностью устройств 5G NR с поддержкой FR2 зачастую становится невозможность размещения необходимых для проводного подключения коннекторов. Кроме этого, существенное увеличение количества антенных элементов для использования технологии MIMO с расширенными возможностями в аспекте формирования направленных лучей обуславливает необходимость проверки их свойств. Поэтому главным отличием процедуры тестирования базовых станций (next generation Node B, gNB) на соответствие стандарту 5G NR является проведение испытаний не только при проводном, но и при беспроводном (Over-The-Air, OTA) подключении [1–5]. Это отражено в разделении технической спецификации 38.141 консорциума 3GPP на две части: 38.141-1 и 38.141-2. В технической спецификации 38.141-2 предусмотрено тестирование 14 параметров передатчиков, девяти параметров приемников, а также параметров производительности каналов физического уровня PUSCH, PUCCH и PRACH при беспроводном подключении [2]. Перечень тестируемых параметров передатчиков и приемников gNB приведен в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Тестируемые параметры передатчиков gNB при беспроводном подключении

Наименование

1

EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) (пп. 6.2)

2

Полная излучаемая мощность (пп. 6.3)

3

Динамический диапазон мощности ресурсного элемента (пп. 6.4.2)

4

Динамический диапазон полной мощности (пп. 6.4.3)

5

Уровень выходной мощности передатчика в состоянии OFF (пп. 6.5.1)

6

Длительность перехода между состояниями передатчика ON и OFF (пп. 6.5.2)

7

Погрешность частоты (пп. 6.6.2)

8

EVM (Error Vector Magnitude) (пп. 6.6.3)

9

Погрешность выравнивания по времени (пп. 6.6.4)

10

Занимаемая полоса частот (пп. 6.7.2)

11

Коэффициент утечки мощности в соседний канал (пп. 6.7.3)

12

Нежелательные излучения в рабочей полосе частот (пп. 6.7.4)

13

Побочные излучения (пп. 6.7.5)

14

Интермодуляции на выходе передатчика (пп. 6.8)

Таблица 2. Тестируемые параметры приемников gNB при беспроводном подключении

Наименование

1

Направленная чувствительность (пп. 7.2)

2

Эталонная чувствительность (пп. 7.3)

3

Динамический диапазон (пп. 7.4)

4

Избирательность по соседнему каналу (пп. 7.5.1)

5

Внутриполосные блокировки (пп. 7.5.2)

6

Внеполосные блокировки (пп. 7.6)

7

Паразитные излучения (пп. 7.7)

8

Интермодуляции (пп. 7.8)

9

Внутриканальная избирательность (пп. 7.9)

Особенностью тестирования при беспроводном подключении является учет свойств распространения электромагнитных волн в свободном пространстве. Антенные системы устройств 5G NR могут содержать множество элементов, образующих активные фазированные антенные решетки. За счет этого обеспечивается возможность формирования и управления направленными лучами (beam). Беспроводные испытания позволяют выполнять проверку представленных в таблицах 1 и 2 параметров для каждого направленного луча с учетом свойств антенных решеток тестируемых gNB, а также энергетических потерь, связанных с распространением электромагнитных волн в свободном пространстве (Free Space Path Loss, FSPL). Это отличает процедуру беспроводного тестирования от проводного и существенно ее усложняет.

Например, если при проводном подключении передатчика базовой станции достаточно проверять один параметр выходной мощности, то при беспроводном подключении должны проводиться испытания двух параметров — EIRP и полной излучаемой мощности.

Параметр передатчика EIRP представляет собой энергетическую характеристику передатчика gNB, численно равную мощности, которую должен излучать изотропный излучатель, чтобы на одинаковом удалении плотность потока мощности создаваемого им радиоизлучения равнялась плотности потока мощности радиоизлучения данного передатчика gNB в направлении максимума диаграммы направленности антенной решетки. Расчет EIRP производится следующим образом:

EIRP = P × G,                        (1)

где P — уровень мощности, подводимой к антенной решетке; G — коэффициент усиления антенной решетки.

Полная излучаемая мощность (Total Radiated Power, TRP) передатчика представляет собой интенсивность излучения, интегрированную по сфере вокруг антенной решетки. Пример для полусферы с радиусом r представлен на рис. 1.

Процесс расчета полной излучаемой мощности передатчика gNB

Рис. 1. Процесс расчета полной излучаемой мощности передатчика gNB

Расчет полной излучаемой мощности производится по формуле:

Формула

При беспроводном тестировании чувствительности приемника gNB необходимо дополнительно проверять параметр направленной чувствительности. Направленная чувствительность представляет собой уровень чувствительности устройства с изотропной направленностью, эквивалентной чувствительности тестируемого приемника, на который падает электромагнитная волна под определенными углами. Данный параметр проверяется для всех заявленных производителем направлений прихода электромагнитных волн. Расчет для каждого конкретного направления выполняется следующим образом:

Формула

где PS — уровень чувствительности приемника gNB; G(q,j) — коэффициент усиления антенной решетки для соответствующего направления прихода электромагнитной волны.

Из приведенных формул видно, что расчеты должны осуществляться на основе заданной системы координат. Поэтому перед началом испытаний каждый производитель радиооборудования обязан предоставить сведения об опорной системе координат для тестируемой gNB. В описании тестовых процедур перед началом проведения измерений каждого параметра предусмотрена установка положения тестируемого устройства таким образом, чтобы его опорная система координат соответствовала системе координат тестовой системы.

 

Тестирование параметров радиооборудования gNB при беспроводном подключении

Стандартом 5G NR определены два типа gNB, поддерживающие диапазоны частот FR1 (410 МГц — 7125 МГц) и FR2 (24250 МГц — 52600 МГц) соответственно. Пример общей схемы рабочего места для тестирования параметров радиооборудования при беспроводном подключении приведен на рис. 2.

Общая схема подключения при беспроводном тестировании gNB

Рис. 2. Общая схема подключения при беспроводном тестировании gNB

На рис. 2 показано, что тестовая антенна при проверке различных параметров может выступать как в роли передающей, так и приемной. Для обеспечения повторяемости измерений излучений тестируемой gNB спецификациями 3GPP определены настройки физических каналов, которые должны быть заданы перед началом испытаний. Соответствующие конфигурации описываются тестовыми моделями (Test Model, TM): для диапазона частот FR1 предусмотрено восемь моделей, а для FR2 — пять моделей. Каждая модель предназначена для проверки определенной группы параметров gNB [1, 2]. Вспомогательная антенна используется при измерении излучений или при генерации помех в следующих случаях:

  • совместно с векторным генератором сигналов в процессе тестирования уровня интермодуляций на выходе передатчика gNB;
  • совместно с анализатором сигналов в процессе тестирования уровня мощности передатчика в состоянии OFF, длительности перехода между состояниями ON и OFF, а также побочных излучений;
  • при тестировании блокировок приемника.

Для обеспечения беспроводных измерений gNB компания Rohde & Schwarz предлагает тестовые системы PWC200 для диапазона частот FR1 и TS8991 для диапазонов частот FR1 и FR2 [4, 5]. Каждая система в своем составе имеет устройство позиционирования, тестовую антенну и контрольно-измерительное оборудование — векторный генератор сигналов SMW200A с поддержкой частотного диапазона до 65 ГГц и анализатор сигналов FSW с поддержкой частотного диапазона до 500 ГГц при использовании внешних преобразователей частоты, оснащенные соответствующими опциями 5G NR [6].

 

Анализ процедуры тестирования приемников gNB при беспроводном подключении

Для беспроводного тестирования приемников gNB спецификациями 3GPP определены критерии соответствия стандарту и методы тестирования, однако отсутствуют минимальные требования почти для всех параметров, поскольку расчет конкретных значений зависит от заявленных производителем характеристик радиооборудования. Критерии соответствия представляют собой расчетные формулы на основе указанных характеристик радиооборудования. При проведении испытаний производится контроль пропускной способности, которая должна быть не ниже 95% от заявленной, а измеренные значения параметров должны удовлетворять критериям соответствия с учетом погрешностей (Measurement Uncertainty, MU) [2, 7, 8]. Бюджет погрешностей рассчитывается до начала тестирования и должен учитывать влияние тестовой системы, являющейся неотъемлемой частью рабочего места.

Конкретные минимальные требования определены только к паразитным излучениям. Цель тестирования паразитных излучений — проверка допустимого уровня мощности излучений антенной решетки приемника в соответствующих диапазонах частот и при заданной полосе измерения 100 кГц — 10 МГц. Процедура тестирования отличается тем, что при проведении измерений тестовая антенна используется в качестве приемной совместно с анализатором сигналов. Кроме того, испытания проводятся только в режиме работы с временным дуплексом (Time Division Duplex, TDD) при выключенном передатчике. Это связано с тем, что в режиме работы с частотным дуплексом (Frequency Division Duplex, FDD) невозможно различить паразитные излучения передатчика и приемника.

Предельные значения погрешностей при тестировании паразитных излучений в диапазонах частот FR1 и FR2 приведены в таблицах 3 и 4 соответственно.

Таблица 3. Предельные значения погрешностей при тестировании паразитных излучений в диапазоне частот FR1

Диапазон частот, ГГц

0,03 < f ≤ 6

6 < f ≤ 26

Допустимое отклонение, дБ

±2,5

±4,2

Таблица 4. Предельные значения погрешностей при тестировании паразитных излучений в диапазоне частот FR2

Диапазон частот, ГГц

0,03 < f ≤ 6

6 < f ≤ 40

40 < f ≤ 60

Допустимое отклонение, дБ

±2,5

±2,7

±5

Процедура тестирования предусматривает установку положения радиооборудования gNB относительно тестовой антенны, настройку режима работы и проведение измерений уровня мощности с использованием среднеквадратичного детектора анализатора сигналов.

Данные измерения должны быть выполнены для всех точек сферической сетки, охватывающей gNB, расстояние между которыми определяется угловым шагом q и j. Величина шага не может превышать 15° и в общем случае должна определяться следующим образом [2]:

Формула

где d, w и h — глубина, ширина и высота gNB в метрах соответственно. Минимальные значения углового шага могут составлять доли градуса.

На основе полученных результатов производится расчет величины полной излучаемой мощности (TRP) паразитных излучений и проверяется соответствие минимальным требованиям, указанным в таблицах 5 и 6, с учетом предварительно рассчитанного бюджета погрешностей [7, 8].

По представленным в таблицах 5 и 6 требованиям можно сделать вывод, что тестовая система совокупно с контрольно-измерительным оборудованием должна предоставлять возможность проводить измерения на частотах 30 МГц — 60 ГГц. В спецификациях 3GPP рассматриваются подобные условия и принимается во внимание, что в силу больших потерь в свободном пространстве на частотах выше 18 ГГц уровень собственного шума для измерительной установки должен быть не более –100 дБм/Гц при минимальном уровне мощности паразитных излучений –20 дБм в полосе 10 МГц (–90 дБм/Гц). Таким образом, обеспечивается запас в 10 дБ, достаточный для проведения измерений.

Таблица 5. Минимальные требования к уровню паразитных излучений в диапазоне частот FR1

Диапазон частот паразитных излучений, ГГц

Минимальные требования, дБм

Полоса частот при измерении, МГц

0,03 < f ≤ 1

–27

0,1

1 < f ≤ 12,75

–21

1

12,75 < f ≤ X*

Примечание. *Значение X соответствует пятой гармонике верхней граничной частоты рабочего диапазона частот восходящего направления в ГГц.

Таблица 6. Минимальные требования к уровню паразитных излучений в диапазоне частот FR2

Диапазон частот паразитных излучений, ГГц

Минимальные требования, дБм

Полоса частот при измерении, МГц

0,03 < f ≤ 1

–36

0,1

1 < f ≤ 18

–30

1

18 < f ≤ Y1

–20

10

Y1 < f ≤ Y2

–15

Y2 < f ≤ Y3

–10

Y4 < f ≤ Y5

Y5 < f ≤ Y6

–15

Y6 < f ≤ Y7

–20

Примечания. В зависимости от рабочих диапазонов частот:

  1. Для n257, n258 и n261 Y = 18 ГГц, для n259 Y = 23,5 ГГц, для n260 Y = 25 ГГц.
  2. Для n257 Y = 23,5 ГГц, для n258 Y = 21 ГГц, для n259 Y = 35,5 ГГц, для n260 Y = 34 ГГц, для n261 Y = 25,5 ГГц.
  3. Для n257 Y = 25 ГГц, для n258 Y = 22,75 ГГц, для n259 Y = 38 ГГц, для n260 Y = 35,5 ГГц, для n261 Y = 26 ГГц.
  4. Для n257 Y = 31 ГГц, для n258 Y = 29 ГГц, для n259 Y = 45 ГГц, для n260 Y = 41,5 ГГц, для n261 Y = 29,85 ГГц.
  5. Для n257 Y = 32,5 ГГц, для n258 Y = 30,75 ГГц, для n259 Y = 47,5 ГГц, для n260 Y = 43 ГГц, для n261 Y = 30,35 ГГц.
  6. Для n257 Y = 41,5 ГГц, для n258 Y = 40,5 ГГц, для n259 Y = 59,5 ГГц, для n260 Y = 52 ГГц, для n261 Y = 38,35 ГГц.
  7. Y принимает значение второй гармоники верхней граничной частоты рабочего диапазона частот восходящего направления в ГГц, но не более 60 ГГц.

Для достижения такой чувствительности измерительной системы необходимо обеспечить минимальное расстояние r между тестируемой gNB и измерительной антенной. При этом должно выполняться условие сохранения режима работы измерительной антенны в дальней зоне. Отметим, что для самой антенной решетки gNB данное требование не применяется [8]. Оценка величины r выполняется с учетом следующих выражений:

Формула

где D — размер апертуры измерительной антенны; l — длина волны; w — наибольший размер раскрыва измерительной антенны; Rs — радиус воображаемой сферы, охватывающей gNB.

Например, на частоте 60 ГГц при использовании стандартных рупорных антенн для измерения паразитных излучений приемника gNB с Rs = 0,5 минимальное расстояние r составит около 0,7 м, а потери в свободном пространстве будут около 65 дБ.

Иллюстрация расчета приведена на рис. 3.

Иллюстрация расчета минимального расстояния между gNB и измерительной антенной

Рис. 3. Иллюстрация расчета минимального расстояния между gNB и измерительной антенной

Для измерения паразитных излучений при беспроводном подключении компания Rohde & Schwarz предлагает систему TS8996, которая позволяет выполнять тестирование на частотах до 200 ГГц с автоматическим расчетом TRP. При этом в наиболее требовательном по потерям в свободном пространстве диапазоне свыше 40 ГГц на расстоянии 1 м обеспечивается чувствительность не хуже –40 дБм/МГц, что соответствует –100 дБм/Гц. Это полностью удовлетворяет требованиям стандарта 5G NR. Зависимость величины чувствительности от частоты приведена на рис. 4.

Зависимость чувствительности от частоты для TS8996

Рис. 4. Зависимость чувствительности от частоты для TS8996

 

Заключение

В статье проведен анализ процедуры тестирования базовых станций стандарта 5G. Отдельно проанализирована процедура тестирования приемников gNB при беспроводном подключении. На примере измерения паразитных излучений разобраны нюансы, связанные с измерениями по эфиру. Выполнена оценка соответствия параметров измерительного оборудования требованиям спецификаций консорциума 3GPP.

Литература
  1. 3GPP TS 38.141-1, release 16.4.0, June 2020.
  2. 3GPP TS 38.141-2, release 16.4.0, June 2020.
  3. Константинов А. С. Методы тестирования радиооборудования сети LTE. Подробный анализ. Издательские решения, 2016.
  4. 5G New Radio Over-The-Air Base Station Transmitter Tests. Application Note GFM324. Rohde & Schwarz.
  5. 5G New Radio Over-The-Air Base Station Receiver Tests. Application Note GFM325. Rohde & Schwarz.
  6. Константинов А. С., Пивак А. В. Решения компании Rohde & Schwarz для тестирования радиочастотного оборудования 5G NR FR1 & FR2 // Компоненты и технологии. 2020. № 10.
  7. 3GPP TS 38.104, release 16.4.0, June 2020.
  8. 3GPP TR 37.941, release 16.0.1, June 2020.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.