Тестирование устройств 5G для обеспечения электромагнитной совместимости: потребности и современные возможности

Введение

Развитие общества, повышение качества жизни людей и научно-технический прогресс всегда были связаны с увеличением объёмов передаваемой информации. К настоящему времени потребность в автоматизации производственных и транспортных процессов, а также в информационном обмене между индивидуальными абонентскими терминалами (АТ) привели к настоятельной необходимости внедрения сетей беспроводного доступа пятого поколения 5G, которые, обладая некоторыми сходствами с 4G в части кодовых конструкций, в то же время имеют значительные отличия на физическом уровне. Именно по этой причине в литературе, например [1], новую технологию связи обозначают как New Radio (NR), подчёркивая тем самым её революционный характер.

Сферы применения сетей 5G во многом определяются уровнем технического развития конкретных государств, и чем он выше, тем больший охват сети могут иметь.

На текущий момент в этом смысле принято выделять три основных направления (см. рис. 1):

В сетях 5G будут передаваться беспрецедентно большие объёмы данных при одновременно возрастающей их важности и критичности. При этом частотные планы, разработанные при внедрении 4G в отдельных регионах мира, оказываются несостоятельными, т.к. не предусматривают выделение достаточного для всех названных приложений частотного ресурса. Выходом здесь могло бы стать использование цифровой модуляции высоких порядков, однако такое решение требует заметного повышения мощности передатчиков базовых станций и АТ при одновременном ухудшении электромагнитной обстановки [2]. Это определило переход к активному использованию миллиметрового диапазона c достаточным частотным ресурсом, которое сопровождается проявлением новых радиофизических эффектов, не свойственных дециметровому и метровому диапазонам длин волн.

Многодиапазонность работы устройств 5G, а также их предполагаемая массовость определяют потребность в развитии методов и средств тестирования, которые отвечали бы современному уровню автоматизации и технического прогресса. В настоящей работе будут рассмотрены решения компании Rohde&Schwarz, предназначенные для проведения такого тестирования для целей обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). 

Особенности частотного плана сетей 5G

Наиболее важные в части частотного планирования отличия сетей 5G от предыдущего поколения цифровой подвижной связи заключаются в широте охвата и количестве потенциальных абонентов, а также в необходимой пропускной способности. Эти особенности привели к невозможности простого заимствования частот у более ранних радиотехнологий, например 3G/4G, и предопределили переход 5G в сантиметровый и миллиметровый диапазоны волн, где имеются свободные полосы частот шириной до нескольких гигагерц. Поэтому уже в первых редакциях спецификации консорциум 3GPP, развивающий технологию 5G, принял решение о поддержке диапазона от 1 до 52,6 ГГц [3]. Использование миллиметрового диапазона сопровождается следующими проблемами:

Консорциум 3GPP предусматривает гибкое использование полос частот в зависимости от плотности распределения абонентов и их потребностей в трафике. Работа сетей 5G на частотах ниже 6 ГГц, как предполагается, будет использоваться для «низкоскоростной» гарантированной связи, в то время как миллиметровый диапазон будет задействован преимущественно для обеспечения высоких скоростей передачи.

На рисунке 2 графически представлена информация о распределении частотного ресурса для сетей 5G в глобальном масштабе и на региональном уровне. Полоса 3,3…3,6 ГГц была определена МСЭ-R в качестве глобальной. В зависимости от региона мира, в диапазоне частот ниже 6 ГГц для работы сетей 5G дополнительно рассматриваются полосы частот 3,3…4,2 ГГц (США, Япония, Южная Корея, Китай) и 4,4…5,0 ГГц (Китай, Япония и другие страны Азиатско-Тихоокеанского региона). Для первичной отработки технологии 5G многие страны планируют использовать (либо уже используют) полосу 0,6…0,7 ГГц, которая в дальнейшем может быть задействована для обеспечения связи 5G с подвижными объектами.

По результатам обсуждения на Всемирной конференции радиосвязи МСЭ-R оценил минимальную потребность в частотном ресурсе для 5G на уровне 20 ГГц [5]. Однако в настоящее время выделить такую полосу, в особенности по всему миру, невозможно из-за действующего распределения частот между радиослужбами, в первую очередь в области фиксированной спутниковой связи. По этой причине для сетей 5G на частотах выше 6 ГГц предполагается выделение нескольких полос частот, причём для каждой из них необходимо использовать индивидуальные приёмо-передающие устройства. Ввиду того, что загруженность спектра в значительной степени зависит от региона мира и даже от государства, в дополнение к глобальным частотам 5G, выделенным МСЭ-R, некоторые страны рассматривают использование дополнительных полос частот 26,5…29,5 ГГц (США, Южная Корея, Канада), 37…40 ГГц (США, Канада); 64…71 ГГц (Канада). В Европе для сетей 5G планируется использовать диапазоны 31,8…33,4 и 40,5…43,5 ГГц.

Из представленной информации о частотных планах 5G следует, что базовые станции и АТ сетей пятого поколения в перспективе будут работать в существенно отличающихся диапазонах частот, для каждого из которых, возможно, потребуется использовать собственные нормы ЭМС, в т.ч. регионального охвата, в зависимости от характера совмещаемых радиослужб.

В Российской Федерации выделение частот для радиослужб осуществляется Государственной комиссией по радиочастотам. Совсем недавно ГКРЧ принято решение № 20-54-02 [6], согласно которому полосы частот 0,694…0,790; 2,3…2,4; 2,57…2,62; 4,4…4,99; 24,25…27,5 ГГц являются перспективными для построения сетей связи стандарта 5G. При этом для развёртывания сетей 5G в РФ будут использоваться частоты 4,4…4,99 и 24,25…24,65 ГГц, однако приоритет отдаётся последней из них, что идёт в разрез с порядком внедрения 5G в других странах. Использование полосы частот 3,3…4,2 ГГц, применяемой во многих странах на начальном этапе развёртывания, признано ГКРЧ невозможным из-за занятости данного диапазона радиотехническими системами военного назначения и спутниковой связью. По мнению специалистов, в будущем это может значительно замедлить развёртывание сетей 5G в нашей стране, т.к. для них придётся проектировать специальное оборудование. Дополнительной проблемой является необходимость работ по конверсии спектра для обеспечения всех пользователей радиочастотным ресурсом. 

Физический уровень сетей 5G

Ключевыми аспектами физического уровня сетей 5G являются принципы модуляции, организация передачи и приёма в восходящем и нисходящем каналах, а также многоантенная передача и приём. В конечном счёте все они и определяют критерии обеспечения межсистемной ЭМС с другими радиослужбами. Технология 5G во многом повторяет способы передачи информации сетей 4G, но с учётом необходимого их нелинейного масштабирования, а также изменений, определяемых переходом в миллиметровый диапазон.

В сетях 5G планируется использовать сигналы с OFDM-модуляцией, а для несущих будет поддерживаться QPSK, 16QAM, 64QAM и 256QAM, как и в сетях 4G. В восходящих каналах будет поддерживаться p/2-BPSK-модуляция для уменьшения отношения пиковой мощности к средней, что повышает эффективность работы усилителей. В будущем номенклатура поддерживаемых схем модуляции может быть расширена для более рационального использования спектра, например, рассматривается вариант применения модуляции 1024QAM для связи между неподвижными точками. Характеристики OFDM-модуляции для 5G в зависимости от диапазона частот представлены в таблице 1.

С учётом значительного влияния многолучёвости, в сетях 5G используется циклический префикс (CP-OFDM) как в восходящих, так и в нисходящих каналах, по крайней мере до частоты 52,6 ГГц, в то время как в технологии 4G циклический префикс используется только для передач по нисходящей линии, а для передачи в обратном направлении применяется модуляция DFTS-OFDM [1]. Как предполагается, после отработки технологии 5G на опытных сетях базовые станции смогут задавать тип передачи данных — CP-OFDM или DFTS-OFDM в зависимости от формируемого пространством канала распространения радиоволн, соответственно, АТ должны поддерживать оба этих варианта. На физическом уровне несущие OFDM передаются группами с объединением по 12 шт., что соответствует одному физическому ресурсному блоку и учитывается при подготовке данных к передаче. Далее ресурсные блоки объединяются в субкадры с длительностью передачи 1 мс, включающие, например, 14 символов OFDM при разносе несущих 15 кГц.

Как следует из таблицы 1, в сетях 5G может применяться модуляция с минимальным разносом несущих, равным 15 кГц, что соответствует стандарту 4G. Масштабирование реализуется с коэффициентом 2n, где n = 1, 2 или 3 в зависимости от диапазона частот. Загрузка циклическим префиксом составляет 7% от физической пропускной способности. Максимальное количество несущих в одном канале для сетей 5G составляет 3300. В перспективе дополнительное повышение пропускной способности может быть достигнуто агрегацией до 16 таких каналов, как это предусматривает 15-е издание спецификации NR.

Для решения проблем межсистемной ЭМС для сетей 4G и 5G предусмотрены некоторые ограничения по использованию крайних несущих сигналов CP-OFDM. Если в первом случае допускается использование до 90% спектрального ресурса каналов, то для 5G, как ожидается, оно составит от 94 до 99% за счёт применения новых, более эффективных технологий фильтрации.

Значительные отличия между 4G и 5G имеются в части использования для приёма и передачи нескольких антенн. Это предусматривалось и в 4G, но для 5G оно имеет фундаментальное значение, поскольку концепция NR разрабатывалась с учётом использования направленного излучения и приёма для достижения приемлемого размера зон покрытия, а также для достижения требуемой пропускной способности с учётом значительного расширения спектра. Использование направленного излучения и приёма позволяет значительно уменьшить необходимую мощность передающих устройств при прочих равных условиях, компенсируя и повышенные потери на распространение радиоволн. При этом управление угловым положением максимума диаграммы направленности должно осуществляться как базовыми станциями, так и абонентскими терминалами, для чего в 5G реализуется передача информации о состоянии канала (CSI, Channel State Information). По этому же принципу передаются широковещательные сообщения, и выполняется первичная идентификация в радиосети. Использование направленного излучения и приёма играет важнейшую роль и в обеспечении ЭМС за счёт ограничения эмиссии по незадействованным направлениям в соответствии с уровнем боковых лепестков, а также уменьшении вероятности дуэльных ситуаций между узлами радиосети.

Использование мультиантенного приёма и передачи (MIMO, Multiple Input Multiple Output) в технологии 4G предусматривалось для повышения спектральной эффективности радиосетей и соответствующего повышения пропускной способности при исчерпании спектра в обычном режиме при большой загрузке. Учитывая крайнюю ограниченность частотных присвоений в диапазоне ниже 6 ГГц, для 5G технология MIMO сохранена, и во многом этому способствовало развитие цифровых способов управления малогабаритными фазированными антенными решётками с большим количеством элементов [7].

Радиосети 5G предполагают использование кодирования с низкой плотностью контроля чётности, для реализации которого в настоящее время разработаны аппаратные решения на программируемых логических схемах для работы со скоростью до нескольких гигабит в секунду. Для управления физическими каналами используется полярное кодирование, наиболее подходящее для передачи малых объёмов служебной информации. Также технология NR предусматривает сочетание различных видов кодирования для достижения компромисса между производительностью и достоверностью передачи данных.

Для упрощения установления и поддержания связи между узлами в сетях 5G часть частотно-временного ресурса выделяется для передачи данных так называемых физических каналов, включающих в себя опорные сигналы и другую информацию. В нисходящих и восходящих линиях в сетях 5G реализуются следующие физические каналы:

Частотно-временной ресурс, соответствующий физическому уровню 5G, но используемый для передачи информации физических каналов, обычно называют опорными физическими сигналами [1]. Они применяются для обеспечения демодуляции сигналов восходящего и нисходящего направления, для синхронизации и оценки состояния канала передачи. В нисходящей линии 5G используются опорные сигналы демодуляции (DM-RS), отслеживания фазы (PT-RS), информации о состоянии канала (CSI-RS), а также сигналы первичной и вторичной синхронизации (PSS, SSS). Для восходящей линии применяются опорные сигналы демодуляции, отслеживания фазы и зондирующий опорный сигнал (SRS).

Для обеспечения дуплексного режима связи сети 5G поддерживают режимы с временным (TDD) и частотным (FDD) разделением. Принцип реализации дуплексной схемы обычно зависит от диапазона частот, причём на более низких частотах обычно используется FDD, а на более высоких частотах — TDD. Дополнительно NR поддерживает динамическое временное разделение, при котором в случае необходимости изменяется время, отводимое на передачу в восходящей и нисходящей линиях. В этом заключается одно из ключевых улучшений 4G, которое полезно в сценариях с быстрыми изменениями трафика. 

Проблема межсистемной ЭМС для сетей 5G и совмещаемые радиослужбы

В классической трактовке проблема межсистемной ЭМС состоит в нежелательном взаимодействии двух и более радиослужб, работающих с использованием излучений электромагнитных волн в эфир. Для каждой конкретной радиослужбы используются специально разработанные критерии сохранения допустимого качества функционирования, которые обычно формулируются в категориях защитных отношений, частотного или пространственного разнесения [3]. Обеспечение межсистемной ЭМС при нежелательном действии помех от устройств 5G для радиоэлектронных средств других радиослужб будет построено на выполнении таких критериев.

Вместе с тем обострению проблем межсистемной ЭМС для сетей 5G способствуют следующие факторы:

Как отмечалось выше, для внедрения радиотехнологии 5G в Российской Федерации ГКРЧ установлены полосы 0,694…0,790; 2,3…2,4; 2,57…2,62; 4,4…4,99 и 24,25…27,5 ГГц. В настоящее время в этих диапазонах возможна работа ряда радиослужб (см. табл. 2), причём почти все они относятся к категории совместного использования радиоэлектронными средствами гражданского и специального назначения либо используются радиосредствами правительственной принадлежности [8]. Межспутниковая радиослужба в таблицу не внесена.

Выработка критериев обеспечения межсистемной ЭМС для радиоэлектронных средств сетей 5G и других радиослужб является одной из первоочередных задач при внедрении новой радиотехнологии. Обычно критерии вначале обосновываются теоретически, а затем уточняются с применением технических средств, например путём измерений в опытных зонах. И для тестирования узлов сетей 5G, и для выработки названных критериев в части воздействия радиопомех на устройства 5G должны использоваться специально предназначенные для этого средства измерений.

Номенклатура и условия измерений параметров, подлежащих контролю в сетях 5G в обеспечение межсистемной ЭМС

Кратко рассмотренные особенности передачи сигналов в сетях 5G позволяют установить необходимость расширения принципов тестирования по ЭМС, применяемых для БС и АТ сетей 4G. В особенности это касается внедрения многоантенных технологий, без которых работа радиосетей в миллиметровом диапазоне, за редкими исключениями, блокируется замираниями. Значительная предельная полоса радиоканалов 5G не позволяет считать передаваемые сигналы узкополосными в привычном для большинства применений понимании и приводит к необходимости применения средств тестирования, в которых эта особенность учтена многопортовой калибровкой. Лучшим вариантом здесь является имитация реальных условий эксплуатации и целостного, а не фрагментарного тестирования. Этой концепции наилучшим образом удовлетворяют специально разработанные измерительные установки.

Классические подходы к обеспечению межсистемной ЭМС предусматривают использование двух разновидностей радиоизмерений, отличающихся по ожидаемому результату и назначению. Первая из них относится к испытаниям АТ и БС, в ходе которых оценивается совокупность характеристик для сопоставления с выработанными нормами, соблюдение которых в совокупности является комплексным критерием обеспечения ЭМС [9]. Вторая разновидность радиоизмерений реализуется в ходе эксплуатации радиосетей при проведении радиоконтроля уполномоченными организациями и охватывает те характеристики излучений базовых станций, которые позволяют проверить соблюдение разрешений на использование радиоэлектронных средств. Согласно справочнику по радиоконтролю [7], в типовом случае по излучениям радиопередающих объектов оцениваются напряжённость электромагнитного поля, центральная частота и занимаемая полоса. При этом используются классические подходы к испытаниям, которые должны быть дополнены обеспечением требуемых режимов работы тестируемого узла радиосети. Однако такие понятия, как центральная частота и занимаемая полоса, должны применяться с осторожностью к излучениям 5G, отличающимся высокой нестационарностью спектрального состава.

Совокупность названных спектральных параметров, очевидно, недостаточна для оценки соблюдения ЭМС в сетях 5G, и для её расширения целесообразно обратиться к документам 3GPP, определяющим содержание соответствующих испытаний для БС и АТ. Спецификация [10], действие которой распространяется на БС сетей 5G и работающее совместно с ними вспомогательное оборудование, рассматривает эти технические средства как объекты многопортового подключения. Для них выделяют порты питания постоянного и переменного тока, порты контроля и управления, антенные порты, порты заземления и корпуса. Последний, в соответствии с принятыми в иностранной литературе подходами, определяет помехоустойчивость к электромагнитным полям и их эмиссию в строгом отделении от аналогичных свойств антенных портов. В рамках межсистемной ЭМС испытания БС проводятся на антенных и телекоммуникационных портах.

При тестировании БС конфигурируются для работы в заданном частотном диапазоне и заданной полосе. Для БС формируется особая испытательная среда, включающая канал связи с некоторым ответным устройством, а также измерительные средства, позволяющие оценить качество работы БС, например телекоммуникационные тестеры. Дополнительно создаются условия для предотвращения действия посторонних радиопомех на объект испытаний, и для этого могут использоваться безэховые камеры, в т.ч. настольного исполнения. В среду испытаний также встраивается источник электромагнитных воздействий, для которых оценивается помехоустойчивость БС.

В качестве мешающих воздействий спецификация [11] предусматривает использование только узкополосных сигналов (с полосой, много меньшей ширины канала). При этом считается допустимым появление узкополосных откликов, проявляющихся в снижении выходных показателей работы БС ниже установленных значений. Их сохранение при отстройке в интервале до удвоенной полосы рабочего канала считается широкополосным откликом, что является недопустимым для БС.

Большая часть испытаний БС проводится при номинальной выходной мощности. Для уменьшения количества варьируемых параметров и упрощения тестовой процедуры спецификация [11] определяет, что БС 5G, предназначенные для работы в одноканальном режиме, испытываются при наиболее узкой рабочей полосе и минимальном разносе несущих; при этом оценивается помехоустойчивость и помехо­эмиссия БС в сечении, соответствующем антенным портам. Станции, способные работать одновременно в нескольких каналах, тестируются с разным частотным разносом несущих. Дополнительно условия тестирования БС по ЭМС конкретизируются спецификациями [10, 12]. Для исключения влияния особенностей передаваемых в канале связи данных на повторяемость и воспроизводимость результатов тестирования их состав устанавливается спецификацией [13].

В качестве критерия обеспечения ЭМС при воздействии помех на антенные порты БС спецификация [11] устанавливает снижение пропускной способности БС не более чем на 5% от значения, соответствующего отсутствию помех в среде передачи. Данный критерий применяется для всех сочетаний полос частот канала, всех разносов несущих OFDM, а также частотных диапазонов работы сетей 5G. Если БС тестируется в связке с АТ, то допускается двукратное снижение пропускной способности. Для проверки соблюдения этого критерия сигналы, передаваемые в испытательной среде, необходимо обрабатывать с демодуляцией и выделением каналов физического уровня, для чего применяются радиокоммуникационные тестеры как средство наиболее глубокого сигнального анализа.

Таким образом, для БС определяющим условием межсистемной ЭМС, вне зависимости от возможных источников её нарушения, является минимальное ухудшение пропускной способности канала и отсутствие разрывов связи с абонентскими терминалами. При этом важно подчеркнуть, что сложность организации протокола передачи данных в сетях 5G не позволяет осуществить однозначную трансформацию этого критерия в категории частотного, пространственного или временного разноса [9]. Традиционное понятие защитных отношений здесь также малоприменимо.

Методы испытаний в части межсистемной ЭМС для АТ сетей 5G устанавливаются спецификацией [14] и принципиально не отличаются от аналогичных испытаний для БС. При наличии технической возможности испытательная среда локализуется в коаксиальном либо ином закрытом тракте, и здесь в большей степени целесообразно применение настольных безэховых камер, если учитывать небольшие размеры АТ. Ответное устройство, взаимодействующее при испытаниях с АТ, должно полностью эмулировать функции БС или, по крайней мере, обеспечивать вызов АТ и другие важнейшие функции. В отличие от спецификации [11] на БС, здесь отсутствует явное указание на критерий обеспечения межсистемной ЭМС при наличии внешних помех. Однако допускаемое в [14] распределение снижения производительности при тестировании БС в паре с АТ предполагает сходные критерии обеспечения межсистемной ЭМС. Таким образом, для определения условия сохранения ЭМС при наличии внешних помех, в т.ч. от других радиослужб, следует ориентироваться на снижение скорости обмена между БС и АТ.

Содержание измерений в обеспечение межсистемной ЭМС, проводимых для БС и АТ 5G, определяет предъявляемые к средствам измерений требования, одним из которых является системный уровень тестирования с возможностью оценки качества передачи данных. Второе требование состоит в максимальной автоматизации, не только ускоряющей измерения, но и позволяющей исключить грубые ошибки со стороны пользователей.

Одним из лидеров в части разработки и производства средств измерений и систем для тестирования БС и АТ 5G, отвечающих этим требованиям, является компания Rohde&Schwarz. 

Измерительные средства и установки компании Rohde&Schwarz для тестирования устройств 5G по требованиям ЭМС

Среди технических средств, предназначенных для тестирования элементов радиосетей, можно выделить ориентированные на несигнальный и сигнальный (системный) режимы.
В несигнальном режиме обычно проверяются качество модуляции, фазовые соотношения для режима MIMO, линейные тракты базовых станций.

Тестирование в несигнальном режиме обычно реализуется в профильных лабораториях для БС с применением универсальных средств измерений, дополненных необходимыми опциями. На системном уровне устройства тестируются целиком в составе эмулированной сети в соответствии с алгоритмами её работы. Компания Rohde&Schwarz разработала ряд контрольно-измерительных решений для обоих уровней.

Тестирование в несигнальном режиме в диапазоне частот FR1 (410…7125 МГц [14]) может быть реализовано с применением осциллографов R&S RTP (полоса до 16 ГГц [15]), в т.ч. в режиме MIMO. В этом случае осциллограф выполняет функции по захвату сигналов, а их анализ осуществляется при помощи программного обеспечения Vector Signal Analyzer, реализующего векторный анализ сигналов 5G на уровне модуляции несущих OFDM (опция R&S VSE-K146 [16]). Результатом такого анализа будут показатели качества модуляции, например MER, дисбаланс сигнального созвездия, смещение по частоте и т.д. Наличие проблем ЭМС также можно анализировать в несигнальном режиме – они будут проявляться в ухудшении показателей качества модуляции. Аналогичное решение несигнального уровня опционально реализовано на аппаратно-программной платформе анализаторов спектра и сигналов серии R&S FSW [17].

Несмотря на то что универсальные лабораторные средства измерений дают ряд преимуществ при решении типовых измерительных задач, для отладки и тестирования элементов сетей 5G на системном уровне необходимо использовать специализированные автоматизированные тестовые системы (ТС), например R&S TS8996 [18] (см. рис. 3, 4).


Основное назначение использования ТС состоит в снижении времени тестирования единичного устройства при одновременном максимальном приближении к условиям эксплуатации испытуемых объектов. В основе такой функциональности системы R&S TS8996 лежит использование измерительных приёмников и радиокоммуникационных тестеров передового уровня.

Система R&S TS8996 предназначена для тестирования устройств беспроводной передачи данных в части как обеспечения межсистемной ЭМС, так и эмиссии излучаемых радиопомех (исключая штатные излучения для обеспечения работы радиосети), в т.ч. различных АТ и устройств IoT. Для тестирования устройств 5G в диапазоне FR1 было использовано выработанное для сетей 4G решение с расширением диапазона частот до 7,125 ГГц. В состав ТС (см. рис. 4) входит измерительный приёмник высшего класса R&S ESW44 с опцией R&S ESW-B21, непосредственно используемый для оценки эмиссии в диапазоне частот до 200 ГГц. Поскольку анализ паразитной помехоэмиссии при сканировании в широком диапазоне частот занимает немало времени (в особенности для полосы от 9 кГц до 1 ГГц при использовании квазипикового детектора), то для R&S ESW разработан специальный режим Fast TDS, отличающийся снижением времени сканирования с использованием квазипикового детектора и одновременно обеспечивающий регистрацию импульсных помех с пониженной частотой повторения — до 10 Гц. При необходимости, измерения такого рода могут быть выполнены в режиме Automatic TDS, при котором настройки сканирования оптимизируются в зависимости от характера помехо­эмиссии, и сохраняется соответствие измерительной установки требованиям стандартов группы CISPR 16-1, устанавливающих порядок и условия измерения радиопомех.

Отличительной чертой сетей 5G является фактически глобальный широкий охват диапазонов сантиметровых и миллиметровых волн, что предъявляет особые требования как к измерительному приёмнику, так и к применяемым антеннам. Для перекрытия диапазона FR2 и частот вплоть до 200 ГГц используются специальные приёмные блоки R&S TC-RSE, реализующие перенос сигналов на промежуточную частоту. Тестирование на сигнальном уровне реализуется с применением радиокоммуникационного тестера R&S CMX500. При этом для создания сигналов радио­сети 5G применяется блок формирования R&S TS-PRE, который обеспечивает регулировку выходной мощности в диапазоне, необходимом для тестирования БС и АТ. Передающие модули R&S TC-MX, а также векторный генератор R&S SMW200A с полосой рабочих частот до 40 ГГц используются для формирования помеховых воздействий. При необходимости реализуется перенос сигналов на более высокие частоты – вплоть до 200 ГГц.

В схеме измерительной установки, представленной на рисунке 4, в зависимости от текущих задач измерений используются разные конфигурации радиочастотного тракта. Для осуществления переключения радиочастотного тракта предусмотрено использование блока управления R&S OSP220 в комплекте с коммутационными модулями R&S OSB-B153. Специально для тестирования устройств 5G в диапазоне FR1 разработан блок коммутации сигналов повышенной мощности R&S OSP-B155G. Путём замены входящих в состав ТС R&S TS8996 модулей она может быть легко модернизирована с увеличением максимальной частоты тестирования.

Проведение испытаний устройств 5G в части обеспечения ЭМС с применением ручного управления исключается их объёмом и сопутствующими затратами времени. Ввиду этого все технические средства ТС R&S TS8996 функционируют под управлением специализированного программного обеспечения R&S ELEKTRA, являющегося одним из наиболее функциональных средств автоматизации проведения стандартизованных и пользовательских испытаний по ЭМС. Для проведения испытаний в описанном выше составе необходимы модули ELEMI-EAS, ELEMI-RSE и ELEMI-5GS (см. рис. 5).

Как отмечалось выше, в сетях 5G предусмотрена реализация управления диаграммами направленности антенн, что необходимо как для компенсации потерь на распространение в свободном пространстве, так и для уменьшения нежелательного взаимодействия через эфир. Для измерений 2D/3D диаграмм направленности, а также различных их сечений применяется модуль ПО ELEKTRA ELEMI-3D (см. рис. 6). Такие измерения доступны во всём частотном диапазоне работы тестовой системы. Задача измерений формы диаграмм направленности особо актуальна для устройств 5G миллиметрового диапазона [19, 20].

Отдельным вопросом является тестирование устройств 5G в диапазоне FR2, для работы в котором обычно применяются интегрированные антенны. В этом случае для создания испытательной среды могут быть использованы экранированные камеры настольного исполнения, например R&S CMQ200, дополненные радиокоммуникационным тестером R&S CMP200 и выносным модулем R&S CMPHEAD30 [21], специально предназначенным для реализации беспроводного подключения, а также другие решения [22, 23]. 

Заключение

Внедрение технологии радиосвязи 5G NR имеет кардинальные отличия от сетей предыдущего поколения. В первую очередь это определяется потребностью в выделении крайне значительного спектрального ресурса, обусловленного сферами планируемого применения новой технологии и определяющего использование миллиметрового диапазона.

Важной особенностью тестирования в обеспечение ЭМС сетей 5G является необходимость создания тестовой среды, которая качественно имитировала бы реальные условия эксплуатации и не оказывала значимого влияния на передачу радиоволн. Решения компании Rohde&Schwarz с применением безэховых экранированных камер, ориентированные в первую очередь на диапазон частот FR2, позволяют создать закрытые тракты для работы с устройствами 5G без разъёмов для подключения антенн, одновременно имитирующие условия свободного пространства.

Что касается межсистемной ЭМС, то, как это следует из обзора спецификаций [10, 16], для БС и АТ критерий ЭМС при воздействии внешних помех состоит в снижении пропускной способности до уровня не ниже 95% от базового значения. По-видимому, в ходе развёртывания сетей 5G, в т.ч. и в Российской Федерации, будут сформулированы дополнительные критерии ЭМС в отношении радиоэлектронных средств конкретных радиослужб, что необходимо для частотного планирования и выдачи разрешений на передающие средства 5G. Проведение измерений для оценки соответствия устройств 5G этому и любому другому критерию, сформулированному в таких же или близких категориях, на несигнальном уровне невозможно и требует использования радиокоммуникационных тестеров, например R&S CMX500 и R&S CMW500.

Наиболее перспективным решением для тестирования сетей 5G являются комплексные измерительные системы на базе комбинации измерительных приёмников и радиокоммуникационных тестеров, обеспечивающих проведение комплексного тестирования как по помехоэмиссии, так и с эмуляцией работы сети для оценки её производительности. Такая структура ТС является оптимальной с точки зрения задействования модулей переноса по частоте и других элементов радиотракта и позволяет выполнять оба вида испытаний в едином цикле, что ускоряет и упрощает их проведение. При этом функция управления средствами измерений и конфигурирования установки для конкретных видов измерений реализуется модулями ПО R&S ELEKTRA наряду с необходимыми калибровочными процедурами. 

Литература