CN110557212A - 基于扩展紧缩场测试的毫米波终端测试系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于扩展紧缩场测试的毫米波终端测试系统，也公开了相应的毫米波终端测试方法。该测试系统包括吸波暗室、转台控制器、多个馈电天线和多个反射器；馈电天线和反射器分布在吸波暗室中，转台控制器控制被测试的毫米波终端在水平方向和垂直方向上的旋转；多个馈电天线和多个反射器之间动态地产生多波束信号，用于测试毫米波终端的性能。本发明突破了现有紧缩场测试系统的性能限制，有利于5G的推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种毫米波终端测试系统，尤其涉及一种基于扩展的紧缩场测试的毫米波终端测试系统，同时也涉及相应的毫米波终端测试方法，属于毫米波通信技术领域。
背景技术
目前，第五代移动通信网络(5G)已经进入商用化的前夜，各类5G新业务，例如自动驾驶、虚拟现实等正在积极推进之中。在频段分配上，5G分成两个部分：一个是sub-6GHz频段，一个是毫米波频段。由于sub-6Ghz频段已经十分拥挤，各类电子设备的互干扰严重，而毫米波频段相对比较“干净”；加上毫米波频段能够提供更大的信号带宽，并且可能为自动驾驶业务提供厘米级的定位精度，因此被普遍认为是5G中最有潜力的技术方向。
图1为毫米波(mm-Wave)通信系统的典型结构示意图。其中，假设发射端(transmitter)的天线数为MTX，接收端(receiver)的天线数为MRX。此外，假设发射端TX的发射波束形成码本中有GTX个波束接收端RX的接收合并码本中有GRX个波束MTX×GTX维矩阵收集了所有的发射波束，MRX×GRX维矩阵收集了所有的接收波束。
在毫米波通信系统中，需要借助大规模MIMO(多输入多输出)技术中的窄波束和波束形成来克服大的信号衰减，这就需要发射机与接收机之间的波束对齐。在高用户密度和高移动性的移动通信网络中，会发生频繁的阻挡和波束对齐的丢失，因此需要频繁的发射波束－接收波束的对齐操作。为了满足上述需求，需要对毫米波通信系统的波束对齐方案进行测试与评估。
现有技术中，直接远场测试(DFF)是普遍使用的无线终端通信性能测试系统。如图2所示，在暗室中放置远场探头，被测设备(DUT)置于在旋转2D定位器上的静区中心。暗室的远场径向距离“R”在数学上可表示为R＞2D2/λ，其中‘D’为被测设备的最小辐射口径。但是，对于较大的天线尺寸和较高的频率，远场距离可能很大。这样可能导致价格昂贵的巨大暗室。而且，该直接远场测试系统不能测试波束的动态性能，例如发射波束－接收波束的扫描与对齐、多波束发射与接收等。
作为直接远场测试系统的替代方案是非直接远场测试系统，也称为“紧缩场测试”(Compact Anternna Test Range，简写为CATR)系统。有研究表明，如果被测设备的最小辐射口径小于5厘米，适合采用直接远场测试系统；如果被测设备的最小辐射口径大于5厘米，采用紧缩场测试系统较为合理。
如图3所示，紧缩场测试系统所采用的主要部件包括抛物面镜/反射体，双极化馈电天线，被测设备的定位器以及内套管等，其实质上是具有泡沫吸收器的暗室(使得反射最小)。在该紧缩场测试系统中，利用精确的抛物面反射器(抛物面盘或镜子)，将从探头天线到被测设备的波束平行化，将来自探头天线的球面波转化成入射到静区内被测设备上的平面波。这就模拟了似乎从无穷远的点源发射的波效应。由于紧缩场测试系统无需实现传统的远场测量距离R＞2D2/λ，其物理尺寸可减小到直接远场暗室尺寸的1/10。此外，紧缩场测试系统中不需要将被测设备的天线置于暗室的中心，从而消除了在测试时改变各被测设备的天线位置的需求。这对于具有很多天线的毫米波终端而言，可能是非常高效的测试方式。紧缩场测试系统也不采用吞吐量性能验证测试必需的信道模拟器。这极大地降低了OTA测试的复杂度。
但是，现有的紧缩场测试系统中，只有一个方向上的信号到达被测试的毫米波终端，因此无法进行波束对齐方案的测试与评估。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于扩展的紧缩场测试的毫米波终端测试系统。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种基于扩展的紧缩场测试的毫米波终端测试方法。
为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于扩展的紧缩场测试的毫米波终端测试系统，包括吸波暗室、转台控制器、多个馈电天线和多个反射器；
所述馈电天线和所述反射器分布在所述吸波暗室中，所述转台控制器控制被测试的毫米波终端在水平方向和垂直方向上的旋转；
多个所述馈电天线和多个所述反射器之间动态地产生多波束信号，用于测试所述毫米波终端的性能。
其中较优地，多个所述馈电天线在所关心角度区域上等距离分布，并且分别连接信道模拟器。
其中较优地，多个所述馈电天线的发射信号经相应的反射器反射后变成平面波，从不同的角度入射到被测试的毫米波终端。
其中较优地，所述基站模拟器与信道模拟器连接，用于产生多波束信号。
其中较优地，所述信道模拟器连接在所述基站模拟器和所述馈电天线之间，用于产生具有相应幅度和相位的多波束信号，并且将所述多波束信号输入到相应的馈电天线。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种基于扩展紧缩场测试的毫米波终端测试方法，包括如下步骤：
步骤1：利用基站模拟器，在发射端产生各波束中的同步信号块；
步骤2：设置扩展紧缩场测试中的馈电天线与反射器；
步骤3：生成不同方向上的SSB波束扫描信号；
步骤4：接收SSB波束扫描信号，确定最优的发射波束-接收波束对；
步骤5：根据接收信号最强的原则，在最优波束上发起随机接入过程；
步骤6：确定发送波束-接收波束的对齐时延和随机接入时延。
其中较优地，所述步骤2中，反射器的个数根据发射机与接收机之间的多径波束数来确定。
其中较优地，所述步骤3中，在发射端的信道模拟器中利用发射波束对同步信号块采用基带数字权值，生成多个不同方向的广播信号静态宽波束，并采用时分扫描方式对小区实现全覆盖。
其中较优地，所述步骤5中，被测设备根据接收信号最强的原则，找到最优的发送波束-接收波束配对，在RACH过程中使用最优波束发送随机接入前导，以进行随机接入。
其中较优地，所述步骤6中，被测设备开始波束搜索的起始时刻记为t1，找到最优的发送波束-接收波束配对的时刻记为t2，被测设备与发射机建立连接的时刻记为t3，则所述对齐时延为Δt1＝t2-t1，所述随机接入时延为Δt2＝t3-t1。
与现有技术相比较，本发明利用多个馈电天线和多个反射器，能够动态地产生发射端与接收端的多波束信号，从而可以测试具有动态波束接收能力的毫米波终端，测试毫米波终端的发射波束－接收波束对齐与初始接入、波束跟踪、波束切换等能力，从而突破了现有紧缩场测试系统的性能限制，有利于第五代移动通信网络(5G)的推广应用。
附图说明
图1为毫米波通信系统的典型结构示意图；
图2为现有技术中，直接远场测试系统的结构示意图；
图3为现有技术中，紧缩场测试系统的结构示意图；
图4(a)显示了同步信号块的频域结构，图4(b)显示了同步信号突发集到时隙的映射
图5为同步(SYNC)和随机接入(RACH)过程中资源/时隙的结构示意图；
图6为发射波束-接收波束实现对齐的穷举搜索方案1的时序图；
图7为发射波束-接收波束实现对齐的穷举搜索方案2的时序图；
图8为发射波束-接收波束实现对齐的迭代搜索方案的时序图；
图9为本发明所提供的毫米波终端测试系统的整体结构示意图；
图10为发射机(基站)与接收机(待测设备)之间的信道交互示意图；
图11为本发明所提供的毫米波终端测试方法的流程图；
图12为SSB波束扫描信号的空域配置示意图；
图13为SSB波束扫描信号的时域扫描示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。
前已述及，在毫米波通信系统中，需要借助大规模MIMO技术中的窄波束和波束形成来克服大的信号衰减，这就需要发射机与接收机之间保持波束对齐。波束对齐操作是基于发射机与接收机之间周期性地交换控制信息(信令)实现的。
在5G标准中，同步信号块(SS block，简写为SSB)和同步信号突发(SS突发)用于实现5G基站的周期性同步信号的传输。其中，同步信号块为时间上4个OFDM符号和频率上240个子载波(即20个资源块)构成的组，如图4(a)和图4(b)所示。其中，图4(a)显示了同步信号块的频域结构，图4(b)显示了同步信号突发集到时隙的映射。在1个同步信号块中，包含主同步信号(PSS)、辅同步信号(SSS)和/或物理广播信道(PBCH)。与PBCH有关的解调参考信号(DMRS)，可以用于估计同步信号块的参考信号接收功率(RSRP)。1个或多个同步信号块构成1个同步信号突发；1个或多个同步信号突发构成1个同步信号突发集合。其中，不同的同步信号块使用不同的波束形成矩阵，并在不同的方向上发送。当需要进行波束管理操作时，各个同步信号块可以映射到一个特定的角度方向。为了降低传输过程带来的影响，同步信号块可通过宽波束发送，而关于活跃UE的数据传输通常是通过窄波束进行的(以增加由波束形成产生的增益)。
图5显示了5G NR(New Radio)中，同步(SYNC)和随机接入(RACH)的资源/时隙结构。其中对于随机接入(RACH)过程，RACH突发可能具有NRA个RACH块，而且各块可以包含1个循环前缀(CP)和1个RACH前导序列(SEQ)。如果用户设备(UE)得到了波束对应关系，则UE可以将最优的下行同步资源映射到用于前导传输的RACH符号中。
基于上述的SYNC/RACH的资源/时隙结构，有人提出了多种发射波束-接收波束实现对齐的搜索方案，包括：(1)BS全向-UE全向方案；(2)穷举搜索方案1；(3)穷举搜索方案2；(4)迭代搜索方案。下面对此展开具体说明：
(1)BS全向-UE全向方案
在该方案中，基站(BS)和用户设备(UE)都使用全向天线实现随机接入，因此没有天线增益，也没有波束对齐过程，而且随机接入过程与LTE系统中的随机接入过程相同。
具体而言，对于同步(SYNC)过程，同步信号突发集仅包含1个同步信号突发(即M＝1)，各同步信号突发仅包含1个同步信号块(即NSS＝1)；对于随机接入(RACH)过程，RA突发仅包含1个RA块(即NRA＝1)。
(2)发射波束-接收波束实现对齐的穷举搜索方案1
在穷举搜索方案1中，基站(BS)在同步(SYNC)过程中通过其所有的窄波束进行穷举的波束搜索。如图6所示。该方案的具体步骤如下：
步骤1：在各同步信号突发中，基站(BS)在NSS,NB＝GTX个窄波束方向上重复发送前导序列/同步信号块。假设用户设备(UE)有GRX个波束方向，则同步信号突发集将由GRX个同步信号突发组成。这样，基站(BS)需要发送GRX个同步信号突发。
步骤2：在基站(BS)发送的各同步信号突发中，用户设备(UE)在GRX个接收波束中的各波束中接收来自GTX个发送波束上的信号。
在同步(SYNC)过程完成之后，用户设备(UE)根据接收信号最强的原则，找到了用户设备(UE)与基站(BS)之间的最优发送波束-接收波束配对。当获得了最优发送波束-接收波束配对之后，用户设备(UE)在随机接入(RACH)过程中使用该最优发送波束-接收波束发送随机接入前导，以进行随机接入。
(3)发射波束-接收波束实现对齐的穷举搜索方案2
该穷举搜索方案2的时序图如图7所示。基站(BS)在所有其GTX个窄波束中穷举搜索，用户设备(UE)利用全向接收/响应。只在基站(BS)端有天线增益。该穷举搜索方案2的SNR增益小于上面的穷举搜索方案1，但所消耗的资源少并具有较小的时延。
(4)发射波束-接收波束实现对齐的迭代搜索方案
在同步(SYNC)过程中，对于各SYNC突发，基站(BS)使用宽波束来发送SYNC序列，如图8所示。在各SYNC突发中，使用不同的宽波束重复发送同步信号块GTX,WB次，其中GTX,WB为基站端的宽波束个数；各SYNC突发重复发送GRX次，以适应GRX个不同的波束方向。
在毫米波通信系统中，毫米波终端往往具有多根天线，能接收来自不同方向的信号，具有动态波束形成接收能力。但是在现有的紧缩场测试系统中，只有一个方向上的信号到达被测试的毫米波终端，因此无法进行波束对齐方案的测试与评估。
为了解决这个问题，本发明将现有的紧缩场测试系统进行了扩展，将其馈电天线与反射器都由一个扩展到多个(即相当于基站端的波束数)，从而提供了一种基于扩展紧缩场测试的毫米波终端测试系统。
如图9所示，该毫米波终端测试系统至少包括如下部件：
(1)吸波暗室，用于屏蔽不需要的外部干扰和暗室中非有意的反射。此外，暗室尺寸由测量距离L确定。
(2)馈电天线：在所关心角度区域上具有等距离L的N个馈电天线(N等于基站端的波束数，1≤k≤N)，且N个馈电天线分别连接到信道模拟器。
(3)反射器：馈电天线的发射信号经相应的反射器(反射器1，反射器2……反射器k……反射器N，1≤k≤N)的反射后变成平面波，从不同的角度入射到被测试的毫米波终端(图4中所示为DUT)。这样，就模拟出了从不同方向入射到被测试的毫米波终端的多波束信号，从而便于测试动态信道环境中的毫米波终端。
(4)基站模拟器：与信道模拟器连接，用于产生多波束信号。
(5)信道模拟器：连接在基站模拟器和N个馈电天线之间，用于产生具有相应幅度和相位的N个波束信号，并且将N个波束信号输入到相应的馈电天线；
(6)被测设备(毫米波终端)：接收来自不同入射波束方向的信号；
(7)转台控制器：用于控制被测设备在水平方向和垂直方向上的旋转，以改变入射波束的方位角和仰角，从而能测试毫米波终端的波束形成接收能力。
上述基站模拟器、信道模拟器及转台控制器分别与外部的PC或服务器连接，以接收来自PC或服务器的控制指令。
与现有的紧缩场测试系统相比较，本发明除了在馈电天线与反射器的数量上有所扩展之外，还增加了相应的基站模拟器和信道模拟器，使得该毫米波终端测试系统能够动态地产生发射端与接收端的多波束信号，从而测试毫米波终端在动态信道环境中的通信性能和相关协议执行情况。
在此，对本毫米波终端测试系统所实施的毫米波终端测试方法进行了详细说明。
如图10所示，假设发射机(基站)与接收机(被测设备)之间的信道存在多个特征波束，例如若干反射发射波束-接收波束(发射波束k-接收波束k0，发射波束j-接收波束j0，发射波束i-接收波束i0等)。在被测设备(DUT)进行初始接入时，并不知道使用哪个波束进行随机接入，所以需要通过发射波束-接收波束搜索来找到最优的发射波束-接收波束配对(对齐)，使发射机与接收机之间的增益最大。但是，最优波束的搜索需要时间，直接影响到毫米波终端初始接入网络的时间。因此，需要评估各种发射波束-接收波束对齐方案，并比较各种波束对齐方案的时延性能。
下面以上面描述的发射波束-接收波束实现对齐的穷举搜索方案1为例(参见图6)，具体说明本发明所采用的发射波束-接收波束实现对齐的测试方法。如图11所示，该测试方法的具体步骤如下：
步骤1：利用基站模拟器，在发射端生成各波束中的同步信号块(SSB)
利用基站模拟器，在发射端产生各波束中的同步信号块(SSB)信号和测试信号，如图4(a)和图4(b)所示。在发射端有GTX个波束，需要产生GTX个SSB信号。其中，在对应各波束的同步信号块中，包含主同步信号(PSS)、辅同步信号(SSS)和/或物理广播信道(PBCH)，与PBCH有关的解调参考信号(DMRS)，可以用于估计同步信号块的参考信号接收功率(RSRP)。
步骤2：设置扩展紧缩场测试(CATR)中的馈电天线与反射器
在测试过程中，由于发射端有GTX个波束，因此需要配置GTX个馈电天线和GTX个反射器。
在本发明的一个实施例中，为了降低测试系统的成本，反射器的个数可以根据发射机与接收机(被测设备)之间的多径波束数来确定。发射机与接收机之间有几个多径波束对，就设置几个反射器。例如，在图9中，发射机与被测设备(DUT)之间有3条波束路径：发射波束k-接收波束k0，发射波束j-接收波束j0，发射波束i-接收波束i0，则只需要在相应的位置放置3个反射器即可。
步骤3：生成不同方向上的SSB波束扫描信号
在发射端的信道模拟器中，利用发射波束对同步信号块(SSB)采用基带数字权值，生成GTX个不同方向的广播信号静态宽波束，并采用时分扫描方式对小区实现全覆盖。而且，不同发射波束-接收波束上的总增益是不同的。因此，信道模拟器需要根据同发射波束-接收波束上的总增益，确定各波束上的发射功率。这可以根据实际测量值进行设置。
步骤4：扫描并接收SSB波束扫描信号，确定最优的发射波束-接收波束对
GTX个不同方向的广播信号静态宽波束，采用时分扫描方式对小区实现全覆盖。在空域上，采用基带数字权值的SSB生成多个不同方向的广播信号静态宽波束，配合时域多波束扫描，服务于不同位置上的用户。如图12所示，被测设备(DUT)根据所接收的最强波束来发起后续过程。在时域上，半帧即0.5ms内存在多个SSB波束，它们以突发集为周期(如20ms)重复出现，如图13所示。
在SSB波束扫描过程中，GTX个SSB根据预定的发射波束-接收波束对齐方案，使用某个特定的间隔周期性地进行发射，每个SSB在某个方向上形成特定的波束，并通过唯一的SSB标识号来进行标定。
例如，在图6所示的穷举搜索方案1中，发射端(BS)在同步(SYNC)过程中通过其所有的窄波束进行穷举依次的波束搜索。该波束扫描的具体步骤如下：
(1)在各SS突发集中，发射端(BS)在GTX个窄波束方向上重复发送前导序列/同步信号块。假设被测设备(DUT)有GRX个波束方向，则SS突发集将由GRX个SS突发集组成。这样，BS需要发送GRX个SS突发集。
(2)在BS发送的各SS突发集中，被测设备(DUT)在GRX个接收波束中的各波束中接收来自GTX个发送波束上的信号。
(3)在同步SYNC过程之后，被测设备(DUT)根据接收信号最强的原则，找到UE与BS之间的最优发送波束-接收波束配对。
步骤5：根据接收信号最强的原则，在最优波束上发起随机接入过程
当被测设备(DUT)找到最优的发送波束-接收波束配对之后，在RACH过程中使用该最优波束发送随机接入前导，以进行随机接入。如果被测设备(DUT)与发射机(BS)之间的随机接入成功，则成功地与发射机(BS)建立了RRC连接。
步骤6：确定发送波束-接收波束的对齐时延和随机接入时延
假设被测设备(DUT)开始波束搜索的起始时刻记为t1，找到最优的发送波束-接收波束配对的时刻记为t2。此外，被测设备(DUT)成功与发射机(BS)建立RRC连接的时刻记为t3。那么，发射波束-接收波束实现对齐的时间延迟为Δt1＝t2-t1，随机接入的时间延迟为Δt2＝t3-t1。
与现有技术相比较，本发明所提供的毫米波终端测试系统及其方法具有多个馈电天线和多个反射器，能够动态地产生发射端与接收端的多波束信号，从而可以测试具有动态波束接收能力的毫米波终端，测试毫米波终端的发射波束－接收波束对齐与初始接入、波束跟踪、波束切换等能力，从而突破了现有紧缩场测试系统的性能限制，有利于第五代移动通信网络(5G)的推广应用。
上面对本发明所提供的基于扩展紧缩场测试的毫米波终端测试系统及其方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
Claims (10)
1.一种基于扩展紧缩场测试的毫米波终端测试系统，包括吸波暗室和转台控制器，其特征在于还包括多个馈电天线和多个反射器；
所述馈电天线和所述反射器分布在所述吸波暗室中，所述转台控制器控制被测试的毫米波终端在水平方向和垂直方向上的旋转；
多个所述馈电天线和多个所述反射器之间动态地产生多波束信号，用于测试所述毫米波终端的性能。
2.如权利要求1所述的毫米波终端测试系统，其特征在于：
多个所述馈电天线在所关心角度区域上等距离分布，并且分别连接信道模拟器。
3.如权利要求2所述的毫米波终端测试系统，其特征在于：
多个所述馈电天线的发射信号经相应的反射器反射后变成平面波，从不同的角度入射到被测试的毫米波终端。
4.如权利要求1所述的毫米波终端测试系统，其特征在于还包括基站模拟器；
所述基站模拟器与信道模拟器连接，用于产生多波束信号。
5.如权利要求2～4中任意一项所述的毫米波终端测试系统，其特征在于：
所述信道模拟器连接在所述基站模拟器和所述馈电天线之间，用于产生具有相应幅度和相位的多波束信号，并且将所述多波束信号输入到相应的馈电天线。
6.一种基于扩展紧缩场测试的毫米波终端测试方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：利用基站模拟器，在发射端产生各波束中的同步信号块；
步骤2：设置扩展紧缩场测试中的馈电天线与反射器；
步骤3：生成不同方向上的SSB波束扫描信号；
步骤4：接收SSB波束扫描信号，确定最优的发射波束-接收波束对；
步骤5：根据接收信号最强的原则，在最优波束上发起随机接入过程；
步骤6：确定发送波束-接收波束的对齐时延和随机接入时延。
7.如权利要求6所述的毫米波终端测试方法，其特征在于：
所述步骤2中，反射器的个数根据发射机与接收机之间的多径波束数来确定。
8.如权利要求6所述的毫米波终端测试方法，其特征在于：
所述步骤3中，在发射端的信道模拟器中利用发射波束对同步信号块采用基带数字权值，生成多个不同方向的广播信号静态宽波束，并采用时分扫描方式对小区实现全覆盖。
9.如权利要求6所述的毫米波终端测试方法，其特征在于：
所述步骤5中，被测设备根据接收信号最强的原则，找到最优的发送波束-接收波束配对，在RACH过程中使用最优波束发送随机接入前导，以进行随机接入。
10.如权利要求6所述的毫米波终端测试方法，其特征在于：
所述步骤6中，被测设备开始波束搜索的起始时刻记为t1，找到最优的发送波束-接收波束配对的时刻记为t2，被测设备与发射机建立连接的时刻记为t3，则所述对齐时延为Δt1＝t2-t1，所述随机接入时延为Δt2＝t3-t1。
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