3GPP測試關鍵挑戰　5G NR基地台發射器訊號分析(上)

為了實現前述承諾，行動業者必須根據新的標準，對基地台進行符合性測試。在基地台生命週期中，符合性測試是關鍵環節，因此深入了解第三代合作夥伴計畫(3GPP)制定的規範非常重要。在正式推出全新的5G NR基地台或用戶端設備(UE)之前，都必須通過所有必要的測試。除非確定這些產品符合3GPP標準，否則無法部署於網路中。

3GPP第15版標準包含5G NR，以及一些新的LTE功能。第16版標準則針對NR推出多項重要的強化功能，並納入LTE增強功能和擴充特性。其中有兩組功能受到密切關注。第一組功能聚焦於新的垂直領域，例如多重無線存取技術(Multi-RAT)、雙連接和載波聚合(CA)強化功能、工業物聯網(IIoT)、超可靠低延遲通訊(URLLC)、V2X(Vehicle-to-Everything)。它還包含NR未授權(NR-U)頻段、NR定位，以及兩階段隨機存取通道(RACH)。第二組功能的目標是加大容量並提高運作效率，例如多輸入多輸出(MIMO)強化功能、整合式存取與回傳(IAB)、交叉鏈路干擾/遠端干擾管理、用戶端設備(UE)功率節約，以及移動性強化功能。

這兩期文章將討論對FR1和FR2基地台進行發射器測試的關鍵與挑戰，並說明如何透過產業解決方案，獲得準確可靠的結果。本文將從發射功率測試與要求，以及如何根據3GPP標準量測5G基地台的發射訊號品質開始探討。

3GPP基地台符合性測試

3GPP在TS 38.141中定義了NR基地台的射頻符合性測試方法和要求，範圍涵蓋傳輸、接收和效能測試。此技術規格包含兩部分，以因應具傳導或輻射需求的不同測試方法。TS 38.141-1第一部分側重於傳導符合性測試，而TS 38.141-2第二部分則介紹如何根據基地台類型，在FR1和FR2中進行輻射符合性測試。表1總結對基地台進行傳導和輻射符合性測試的項目與要求。

一般來說，配置基地台有四種方式可選擇。至於哪一種更合適，取決於所需要進行的是傳導測試還是輻射測試，以及基地台的配置。其中Type 1-C是指在FR1頻段運作的NR基地台，其組成僅含傳導需求部分，具獨立的天線連接埠。Type 1-H的NR基地台也是在FR1頻段運作，其組成則包含傳導需求部分的個別收發器陣列邊界(TAB)和空中傳輸(OTA)需求部分，應符合輻射介面邊界(RIB)定義。另外還有Type 1-O和Type 2-O這兩種O型基地台，分別運作在FR1或FR2，其組成僅含符合RIB定義之OTA介面。傳導測試和輻射測試的主要區別在於，輻射測試針對的是Type 1-H、1-O和2-O基地台。

基地台發射器測試要求

結合使用訊號分析儀與5G NR量測應用軟體時，可進行量測標準指定的必要測試，以及5G NR應用要求的測試。常見的測試項目包括通道功率和占用頻寬，另外還有鄰近通道洩漏比(ACLR)、操作頻段不必要放射(OBUE)、突波放射、發射器開啟/關閉功率、誤差向量振幅(EVM)、頻率誤差，以及時間對齊誤差(TAE)。此標準還定義了許多發射器特性與量測，例如輸出功率、輸出功率動態特性、發射開關功率、發射訊號品質、不必要放射，以及發射器交互調變。

基地台發射器性能檢測

輸出功率動態特性量測

藉由執行輸出功率測試，可確認以最大功率發射訊號時，功率輸出準確度是否與基地台的宣告值(Declared Value)一樣。圖1(左)為在通道功率量測模式下，量測頻寬為100MHz之分時多工(TDD)訊號所得的結果。時閘(Gate)的開始和停止兩條線，代表訊框中用於量測功率的成分。在100MHz頻寬下測得的功率為-1.04dBm，發射訊號的功率為0dBm，纜線損耗已預先校驗為0.64dB。功率準確度預估為-0.4dB，在測試要求範圍內。

輸出功率動態功能是指基地台發射訊號時，最大和最小功率位準的差異。一般須量測僅承載實體下行共享通道(PDSCH)資料，而且沒有任何同步訊號區塊(SSB)或解調參考訊號(DMRS)的正交分頻多工(OFDM)符號。OFDM符號發射功率限制(OSTP)僅針對資料符號進行量測，這是動態功率量測的要求。

是德科技(Keysight)UXA訊號分析儀和PathWave X系列量測應用軟體可量測圖1(右)所示的輸出功率動態特性。在基地台最大發射功率下，OSTP量測結果為-1.02dBm，可使用測試模型3.1進行量測。成功解調訊號後，螢幕將顯示OSTP和其他量測結果。

測試模型3.1採用64QAM調變的完整資源區塊(RB)分配，如多軌跡畫面所示。一般也可使用具單一RB的測試模型2訊號，來量測最低功率，因而計算出功率動態特性為25.48dB，並將結果與標準要求進行比較。

量測開啟與關閉發射功率

一般須測試發射關閉功率，以確保其落在標準定義的限制範圍內。但是，此測試僅適用於在TDD模式下運作的基地台系統。其定義是在發射關閉期間(N=SCS/15)，以指定的通道頻率為中心，使用頻寬等於基地台傳輸頻寬配置的二乘濾波器(Square Filter)，在70/Nμs時間內量測到的功率，且SCS為以kHz為單位的子載波間隔。

此測試的目的在於驗證兩項技術特性：一是在發射器關閉時量測功率位準，並根據要求進行檢查確認通過與否。另一項確認特性為量測叢發TDD訊號的暫態時間、斜坡上升時間和斜坡下降時間。傳導測試的關閉功率應小於-83dBm/MHz，輻射測試的關閉功率應小於-102dBm/MHz。

暫態時間是發射器從關閉到開啟功率位準的時間，反之亦然。圖2顯示使用UXA訊號分析儀和PathWave X系列軟體，來量測5G NR發射關閉/開啟功率和暫態時間的情形。在此範例中，外部觸發決定叢發邊界。利用測試模型的框架結構，可使用功率斜坡上升和下降來量測暫態時間。

功率波封遮罩(Power Envelope Mask)指出預期的關閉功率極限，以及斜坡上升和斜坡下降位置。最下方的量測表列出發射功率、關閉功率、斜坡上升和停機時間等量測項目。結果以通過/不通過指示器的形式顯示在左上角，方便人員將這些結果與定義的標準進行比較。它們的極限值預設為3GPP規格，但實際操作可加以修改，以滿足特定測試需求。

基地台訊號品質檢測

隨著產業標準不斷演進，測試解決方案必須持續升級，以便支援更高的頻率、更大的頻寬，以及新的實體層功能。在規畫5G設計和創新的下一步時，必須掌握新標準，並了解其對測試的影響，以確保成功且準確的測試。

發射訊號品質是一項重要的訊號分析(頻譜分析)指標，協助人員確實掌握發射訊號品質。一般須使用訊號分析儀(頻譜分析儀)進行三項量測：頻率誤差、調變品質(即誤差向量振幅)，以及多輸入多輸出(MIMO)或載波聚合案例的TAE。

頻率誤差量測

使用射頻頻譜分析儀進行頻率誤差量測，有助於確定基地台的實際頻率與分配頻率的差距，目的是確保頻率誤差值在標準規定的範圍內。調變品質量測則是為了確認量測到的載波訊號與理想訊號之間的差距。此時，可使用高頻頻譜分析儀來處理高頻和寬頻訊號分析(頻譜分析)應用，以因應它們帶來的測試挑戰。

誤差向量振幅量測

使用射頻頻譜分析儀進行的誤差向量振幅量測，測量經過等化處理後，理想符號(Symbol)與量測到的符號之間的差距(圖3)，並可藉由訊號分析儀(頻譜分析儀)進行這些量測。根據標準符合性測試要求，訊號分析(頻譜分析)所需的誤差向量振幅，是將所有已分配子載波和所有正交分頻多工(OFDM)符號進行均方根(RMS)運算所得出的結果，目的是驗證調變品質是否在訊號分析(頻譜分析)的最低要求之內。若須處理高頻率和寬頻寬應用，高頻頻譜分析儀可協助人員克服特定訊號分析(頻譜分析)的測試挑戰。

圖4顯示使用UXA訊號分析儀(頻譜分析儀)的調變分析模式，來量測頻率誤差和誤差向量振幅。進行訊號同步和解調之後，此分析儀會以表格或軌跡形式，清楚呈現各種訊號分析(頻譜分析)量測結果。圖4為使用TM 3.1a進行256QAM調變的範例，以擺脫訊號分析儀(頻譜分析儀)複雜耗時的配置。

TAE量測

藉由使用射頻頻譜分析儀，人員可量測DMRS埠之間的時隙以測得TAE，結果應小於特定位準。此訊號分析(頻譜分析)要求適用於MIMO傳輸、載波聚合，以及各種組合的訊框時間。量測結果為任何兩個不同NR訊號之間的最大時間差。進行訊號分析(頻譜分析)測試時，則須驗證TAE是否在標準規定的最低要求範圍內。圖5為採用MIMO配置的傳導TAE量測結果，此配置將不同射頻通道的DMRS埠0和1結合在一起。此範例將多個輸入訊號反射至單一接收天線。由於只有一支接收天線，無法解調前述的組合式雙層訊號，因為某些軌跡不包含任何資料。使用5G NR X系列訊號分析儀(頻譜分析儀)的量測應用軟體時，可選擇TM1.1和兩個層數，以便將組合訊號的每個DMRS埠進行同步，接著量測它們之間的時間誤差。在此範例中，單輸入通道1偵測到DMRS埠0和1都未超出特定功率位準。以埠0為參考，埠1到埠0的時間誤差約為24ns。除了量測TAE外，此訊號分析(頻譜分析)功能還可量測不同DMRS埠之間的相位間隙和功率間隙。在執行更高頻率和更寬頻寬應用時，為了獲得準確的訊號分析(頻譜分析)結果，可靠的高頻頻譜分析儀是不可或缺的寶貴工具。

下篇文章將探討不必要放射的來源和類型，它們與基地台發射器訊號分析(頻譜分析)息息相關，也將討論5G NR符合性測試挑戰，和可克服這些測試挑戰的最新產業訊號分析儀(頻譜分析儀)解決方案。

(本文作者為是德科技產品市場經理)