基于5G多模通信模組的模擬網(wǎng)測(cè)試技術(shù)挑戰(zhàn)和基本方案

當(dāng)前，全球5G規(guī)模商用部署已進(jìn)入“快車道”，在網(wǎng)絡(luò)條件日趨成熟的背景下，車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，已經(jīng)開始改變普通大眾的駕駛體驗(yàn)和日常生活。完整的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需要人、車、路協(xié)同，基于蜂窩移動(dòng)通信、V2X等基礎(chǔ)設(shè)施，與大數(shù)據(jù)、人工智能網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，提供包括自動(dòng)駕駛、高級(jí)輔助駕駛、智慧交通等全新業(yè)務(wù)體驗(yàn)?，F(xiàn)階段V2X相關(guān)路側(cè)設(shè)施產(chǎn)業(yè)尚處于技術(shù)示范階段，車企為了打造初級(jí)輔助駕駛、智能座艙、車載信息娛樂(lè)等可以直接提升駕駛體驗(yàn)的方案，越來(lái)越關(guān)注車載通信模組尤其是5G通信模組的通信質(zhì)量。同時(shí)5G商用網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)多年與手機(jī)、行業(yè)終端的協(xié)同發(fā)展和優(yōu)化，條件較為成熟，發(fā)揮了車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)第一階段基礎(chǔ)設(shè)施的作用。

隨著汽車制造行業(yè)越來(lái)越關(guān)注車載通信系統(tǒng)在5G網(wǎng)絡(luò)中的表現(xiàn)，車企也開始自建模擬網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室用于實(shí)現(xiàn)更細(xì)化的5G車載通信模組測(cè)試。本文介紹了針對(duì)5G多模通信模組進(jìn)行模擬網(wǎng)測(cè)試的技術(shù)挑戰(zhàn)和基本方案，涵蓋功能測(cè)試、性能測(cè)試和穩(wěn)定性測(cè)試等，并分享了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

5G多模模擬網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試發(fā)展現(xiàn)狀

模擬網(wǎng)測(cè)試是指利用商用設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室或可控小規(guī)模外場(chǎng)區(qū)域，建設(shè)與商用網(wǎng)同樣架構(gòu)的端到端測(cè)試環(huán)境，用于驗(yàn)證被測(cè)產(chǎn)品在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的功能、性能和兼容性。在2G、3G和4G產(chǎn)品測(cè)試中，模擬網(wǎng)測(cè)試一般作為進(jìn)入外場(chǎng)測(cè)試前的最后“門檻”，避免故障進(jìn)入外場(chǎng)測(cè)試階段。到了5G階段，各大終端、芯片和模組廠家開始自建大規(guī)模模擬網(wǎng)測(cè)試環(huán)境，將模擬網(wǎng)測(cè)試向研發(fā)階段前移，其重要程度也顯著提升，主要原因在以下方面。

一是商用網(wǎng)絡(luò)“四代同堂”，測(cè)試不僅要解決5G單模問(wèn)題，還需要解決5G與4G、3G甚至2G的互操作問(wèn)題，測(cè)試難度提升，測(cè)試用例增加，測(cè)試周期必然大幅拉長(zhǎng)。

二是為了獲得最佳用戶體驗(yàn)，基礎(chǔ)性的功能、兼容性、互操作測(cè)試已經(jīng)無(wú)法滿足終端廠家對(duì)通信性能的極致追求，將模擬網(wǎng)作為信號(hào)源，利用空口信道模型完成針對(duì)基帶芯片、射頻前端和天線的測(cè)試及優(yōu)化成為主流終端廠家的重要研發(fā)環(huán)節(jié)。

三是設(shè)備穩(wěn)定性不斷提升，傳統(tǒng)的“外場(chǎng)測(cè)試出現(xiàn)問(wèn)題后回到實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)解決”的模式已經(jīng)非常低效，企業(yè)利用自建模擬網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室引入大量的穩(wěn)定性、自動(dòng)化測(cè)試方案，可以在產(chǎn)品商用前將可能出現(xiàn)的問(wèn)題提前暴露在實(shí)驗(yàn)室。

基于上述目的，近3年來(lái)基于模擬網(wǎng)的測(cè)試方案普遍應(yīng)用于終端研發(fā)階段的測(cè)試中，從基本的功能性、兼容性測(cè)試逐漸演進(jìn)到性能、穩(wěn)定性測(cè)試。形成了如下幾類典型實(shí)踐。

功能和互聯(lián)互通測(cè)試

作為最傳統(tǒng)的模擬網(wǎng)測(cè)試類型，功能和互聯(lián)互通類測(cè)試是在產(chǎn)品商用前，在最接近運(yùn)營(yíng)商真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中對(duì)各類業(yè)務(wù)的功能和互聯(lián)互通能力進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)業(yè)務(wù)拉通各網(wǎng)元間信令流程，對(duì)通信協(xié)議層面可能存在的問(wèn)題進(jìn)行最終驗(yàn)證。該類型測(cè)試對(duì)模擬網(wǎng)環(huán)境配置要求較低，針對(duì)重點(diǎn)關(guān)注的商用市場(chǎng)，配置對(duì)應(yīng)模式、廠家和頻段的小區(qū)，接入業(yè)務(wù)平臺(tái)，測(cè)試工程師通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)化的方式操作被測(cè)終端完成業(yè)務(wù)流程，配合信令分析軟件或路測(cè)軟件定位并分析故障。

網(wǎng)絡(luò)兼容性測(cè)試

在通信芯片和終端開發(fā)初期，協(xié)議一致性測(cè)試主要是通過(guò)綜測(cè)儀完成，理論上綜測(cè)儀、系統(tǒng)設(shè)備、終端和芯片都是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議開發(fā)，但在實(shí)際測(cè)試中卻出現(xiàn)各類兼容性問(wèn)題，其主要原因是各廠商對(duì)協(xié)議理解不一致。為保障自家產(chǎn)品與各系統(tǒng)設(shè)備均能兼容，終端廠家需要與各基站、核心網(wǎng)設(shè)備廠家完成兼容性測(cè)試。另外，實(shí)際商用的核心網(wǎng)和基站配置參數(shù)量巨大，在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中的具體配置千差萬(wàn)別，由于配置差異而導(dǎo)致的外場(chǎng)問(wèn)題需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)復(fù)現(xiàn)解決，這也屬于兼容性測(cè)試的范疇。

無(wú)線性能優(yōu)化

在功能和兼容性較為成熟后，終端進(jìn)入性能的差異化競(jìng)爭(zhēng)階段。終端性能表現(xiàn)不僅受限于基帶算法，天線設(shè)計(jì)和優(yōu)化也起到關(guān)鍵性作用，因此，需要在確定的空口信道條件下，開展針對(duì)性的基帶和天線優(yōu)化。相比綜測(cè)儀等網(wǎng)絡(luò)模擬儀表而言，模擬網(wǎng)系統(tǒng)使用與運(yùn)營(yíng)商商用網(wǎng)絡(luò)相同的設(shè)備，其容量和處理能力也與運(yùn)營(yíng)商商用網(wǎng)絡(luò)相同，不存在上下行網(wǎng)絡(luò)能力受限的情況。只有將模擬網(wǎng)作為信號(hào)源，配合信道模擬器和空口信道模型，才能構(gòu)建出最接近真實(shí)商用環(huán)境的性能測(cè)試系統(tǒng)。業(yè)界主流終端廠家已經(jīng)著手建立自有典型無(wú)線空口信道場(chǎng)景庫(kù)，以此作為全系列機(jī)型的精準(zhǔn)性能優(yōu)化手段。

穩(wěn)定性測(cè)試

終端穩(wěn)定性測(cè)試是從終端M T B F（Mean Time Between Failure）測(cè)試的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。為了保證終端內(nèi)置軟件長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，在保證網(wǎng)絡(luò)通暢的前提下進(jìn)行軟件系統(tǒng)的大容量、高負(fù)荷、長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障?？紤]到通信質(zhì)量本身就是影響終端業(yè)務(wù)表現(xiàn)的關(guān)鍵因素，終端廠家在MTBF測(cè)試中引入了蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，將信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)變化、切換、重配、干擾等因素作為測(cè)試條件，大幅提升了終端穩(wěn)定性測(cè)試完整度。部分終端廠家已將網(wǎng)絡(luò)損傷因素引入MTBF測(cè)試條件中，完成之后就能模擬現(xiàn)網(wǎng)全部測(cè)試條件，形成完整的模擬網(wǎng)穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 模擬網(wǎng)穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)方案架構(gòu)

經(jīng)過(guò)多年探索和應(yīng)用，5G多模智能手機(jī)的模擬網(wǎng)測(cè)試方案已非常成熟。該測(cè)試方案持續(xù)幫助企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化產(chǎn)品性能，同時(shí)在模擬網(wǎng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)不斷探索創(chuàng)新，為車載通信引入模擬網(wǎng)測(cè)試打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

5G車載通信模組測(cè)試的需求和挑戰(zhàn)

近兩年，越來(lái)越多的車企意識(shí)到通信系統(tǒng)對(duì)整車的重要性，因此加大了通信系統(tǒng)研發(fā)和測(cè)試方向的團(tuán)隊(duì)建設(shè)力度和資源投入，部分車企已經(jīng)具備自研車載通信模組能力，可以預(yù)見，移動(dòng)通信和汽車制造之間的行業(yè)融合將越來(lái)越緊密。車載通信模組的測(cè)試可以借鑒大量傳統(tǒng)終端成熟測(cè)試方案，而對(duì)于典型的車載場(chǎng)景，需要針對(duì)性地開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)或進(jìn)行現(xiàn)有測(cè)試方法的定制化升級(jí)，表1為傳統(tǒng)終端與車載通信模組測(cè)試需求差異對(duì)比。

表1 傳統(tǒng)終端與車載通信模組測(cè)試需求差異對(duì)比

針對(duì)模擬網(wǎng)相關(guān)的測(cè)試方向，5G車載通信模組的需求和挑戰(zhàn)主要包括以下3個(gè)方面。

一是多類型業(yè)務(wù)并發(fā)。車載通信模組需要完成整車運(yùn)行數(shù)據(jù)、輔助駕駛數(shù)據(jù)、信息娛樂(lè)數(shù)據(jù)等多類型業(yè)務(wù)，對(duì)通信性能要求更高。在模擬網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要配套對(duì)應(yīng)的各類業(yè)務(wù)模型，在核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)平臺(tái)側(cè)的建設(shè)規(guī)模將比智能手機(jī)測(cè)試更大。

二是天線模組的差異化設(shè)計(jì)。車載通信天線不斷升級(jí)，傳統(tǒng)的鯊魚鰭天線、最新應(yīng)用的前置板狀天線以及未來(lái)整車布放的天線系統(tǒng)都會(huì)帶來(lái)不同的通信性能影響。天線的尺寸直接影響模擬網(wǎng)測(cè)試線屏蔽室的建設(shè)規(guī)劃，新測(cè)試系統(tǒng)的建設(shè)需要提前考慮后續(xù)整車天線方案的需求。

三是大量高速移動(dòng)場(chǎng)景和復(fù)雜特殊場(chǎng)景需求。大量高速移動(dòng)場(chǎng)景主要帶來(lái)多普勒效應(yīng)和頻繁小區(qū)間切換的挑戰(zhàn)，使得模擬網(wǎng)測(cè)試方案從初期就不能只考慮功能測(cè)試，需要引入集成了信道模擬器的性能測(cè)試模塊。同時(shí)，面臨隧道、地庫(kù)、高架橋等復(fù)雜特殊場(chǎng)景和惡劣氣候環(huán)境影響，車載通信測(cè)試方案與傳統(tǒng)測(cè)試方案的差別主要是空口多徑傳播和小尺度衰落的差異化，這就更依賴空口信道模型的引入。

5G車載通信模組的模擬網(wǎng)測(cè)試方案設(shè)計(jì)

5G車載通信模組的模擬網(wǎng)測(cè)試方案設(shè)計(jì)統(tǒng)籌需考慮功能測(cè)試、性能測(cè)試和穩(wěn)定性測(cè)試需求，針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景和無(wú)線性能需求，兼顧成本和收益，以實(shí)現(xiàn)較完整的模擬網(wǎng)基礎(chǔ)平臺(tái)和可擴(kuò)展的各類測(cè)試系統(tǒng)。

模擬網(wǎng)基礎(chǔ)平臺(tái)方案

面對(duì)日益全球化的汽車市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)外車企均面臨“出?！毙枨?，模擬網(wǎng)建設(shè)應(yīng)考慮對(duì)全球運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的模擬，平臺(tái)設(shè)計(jì)須考慮現(xiàn)存移動(dòng)通信制式和全球主要頻段的要求。

核心網(wǎng)

運(yùn)營(yíng)商級(jí)的商用核心網(wǎng)建設(shè)和維護(hù)成本極高，且2G、3G、4G和5G的核心網(wǎng)需要全部配置，而全球有4家主流核心網(wǎng)設(shè)備提供商，對(duì)于模擬網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)都是必選。采購(gòu)4套運(yùn)營(yíng)商級(jí)核心網(wǎng)對(duì)于企業(yè)自建模擬網(wǎng)來(lái)說(shuō)投入極高，目前的最優(yōu)方案是與現(xiàn)有多廠家大型核心網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)室合作通過(guò)遠(yuǎn)程方式接入，同時(shí)在本地架設(shè)核心網(wǎng)用戶面網(wǎng)元設(shè)備，既保證了用戶面業(yè)務(wù)性能，又保障了測(cè)試數(shù)據(jù)安全，極大節(jié)省了投入。

接入網(wǎng)

基站采購(gòu)是模擬網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)的主要投入，應(yīng)針對(duì)全球重點(diǎn)市場(chǎng)確定制式和頻段，選擇當(dāng)?shù)剡\(yùn)營(yíng)商主要宏基站供應(yīng)商的設(shè)備。5G基站有AAU和RRU兩類站型，如果選擇AAU站型則需要配置對(duì)應(yīng)的工裝轉(zhuǎn)接板，才能將射頻信號(hào)以傳導(dǎo)方式引出，便于后續(xù)各測(cè)試系統(tǒng)建設(shè)。

射頻信號(hào)控制

模擬網(wǎng)基站數(shù)量多且覆蓋多制式，要實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的控制、小區(qū)間切換和模式間切換，比較高效的方式是通過(guò)軟件控制將射頻信號(hào)配置到所需測(cè)試線。這就需要引入程控衰減系統(tǒng)，將射頻信號(hào)從基站天線口通過(guò)程控衰減器，經(jīng)過(guò)多跳射頻線纜及連接器，最終到達(dá)被測(cè)通信模組的天線口或屏蔽室中，程控衰減系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 程控衰減系統(tǒng)示意

基于模擬網(wǎng)的測(cè)試系統(tǒng)

基于5G多模車載通信模組的模擬網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)主要分為3類，現(xiàn)階段各種針對(duì)性的測(cè)試能力都可以歸納在這3類之中。

射頻信號(hào)控制

主要是完成基本功能和接口協(xié)議類相關(guān)測(cè)試，包括L1/L2/L3協(xié)議的NVIOT測(cè)試、外場(chǎng)問(wèn)題復(fù)現(xiàn)測(cè)試、基本業(yè)務(wù)測(cè)試等。測(cè)試系統(tǒng)可以是傳導(dǎo)方式或OTA方式，測(cè)試工程師根據(jù)測(cè)試用例預(yù)置核心網(wǎng)和基站配置，控制信號(hào)強(qiáng)度，完成終端撥測(cè)并記錄和分析測(cè)試結(jié)果，功能測(cè)試系統(tǒng)的典型測(cè)試用例見表2。

表2 功能測(cè)試系統(tǒng)的典型測(cè)試用例

性能測(cè)試系統(tǒng)

主要完成空口性能相關(guān)測(cè)試，需要在測(cè)試環(huán)境中配置信道模擬器，將3GPP標(biāo)準(zhǔn)信道模型（如EVA、ETU、EPA、SCME、IMT-A、38.901 CDL等）或外場(chǎng)錄制的真實(shí)信道模型（如密集城區(qū)、高架橋、隧道、地庫(kù)等）導(dǎo)入，用于性能優(yōu)化和問(wèn)題定位。以傳導(dǎo)方式構(gòu)建的性能測(cè)試系統(tǒng)主要針對(duì)通信芯片算法進(jìn)行性能優(yōu)化和評(píng)估；以O(shè)TA方式構(gòu)建的性能測(cè)試系統(tǒng)可以完成整機(jī)和天線性能優(yōu)化測(cè)試，測(cè)試環(huán)境則需要引入多探頭微波暗室。性能測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 性能測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)

穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)需要模擬在不同網(wǎng)絡(luò)配置和條件下，車載通信模組各類用戶行為的長(zhǎng)時(shí)間烤機(jī)測(cè)試。

測(cè)試系統(tǒng)重點(diǎn)要求3個(gè)方面的自動(dòng)化控制：一是被測(cè)車載通信模組的自動(dòng)化撥測(cè)，可以通過(guò)模組廠家自研或第三方APP實(shí)現(xiàn)模擬用戶行為的控制；二是射頻信號(hào)的自動(dòng)化控制，通過(guò)設(shè)計(jì)和編制腳本控制程控衰減矩陣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小區(qū)信號(hào)強(qiáng)弱、小區(qū)間切換、制式間切換、干擾信號(hào)開關(guān)等的控制；三是基站的自動(dòng)化配置，通過(guò)基站網(wǎng)管的控制接口實(shí)現(xiàn)小區(qū)組網(wǎng)控制和參數(shù)的配置修改。上述3個(gè)方面通過(guò)統(tǒng)一管理軟件協(xié)同控制，并且能將模組側(cè)和基站側(cè)的Log進(jìn)行自動(dòng)化比對(duì)分析，最終實(shí)現(xiàn)完整的穩(wěn)定性測(cè)試能力。穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

測(cè)試線規(guī)劃設(shè)計(jì)原則

需求優(yōu)先原則

在模擬網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，車企需要提前考慮現(xiàn)階段和未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的全球出貨地，根據(jù)當(dāng)?shù)剡\(yùn)營(yíng)商和系統(tǒng)廠家設(shè)備配置對(duì)應(yīng)的基站站型和頻段，在基站設(shè)備資源池預(yù)留足夠的未來(lái)擴(kuò)容空間。根據(jù)對(duì)自身產(chǎn)品和測(cè)試量的考慮，對(duì)功能測(cè)試線、性能測(cè)試線和穩(wěn)定性測(cè)試線數(shù)量進(jìn)行合理規(guī)劃和配比，其中穩(wěn)定性測(cè)試線需要考慮并行測(cè)試的方式和數(shù)量，選擇建設(shè)多條測(cè)試線還是可容納更多被測(cè)物的大型測(cè)試間。

最低路損原則

基站資源池放置地應(yīng)設(shè)計(jì)在與各測(cè)試線均靠近的位置，以滿足最低路損要求。對(duì)信號(hào)路損敏感程度從高到低依次為：性能測(cè)試系統(tǒng)、穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)和功能測(cè)試系統(tǒng)。性能測(cè)試系統(tǒng)在未加載空口信道模型時(shí)須保證峰值，因此一般需要獨(dú)占小區(qū)資源，對(duì)性能測(cè)試需求較多時(shí)可以考慮專門配置基站資源。

結(jié)束語(yǔ)

車載通信模組的模擬網(wǎng)測(cè)試仍處于起步階段，且目前以5G多模蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)作為主要測(cè)試內(nèi)容，相應(yīng)場(chǎng)景、模型、腳本的積累剛剛開始。隨著車載通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，未來(lái)針對(duì)車載通信模組的模擬網(wǎng)測(cè)試將向著蜂窩移動(dòng)通信與短距通信結(jié)合、蜂窩移動(dòng)通信與V2X結(jié)合、車載模組測(cè)試與整車測(cè)試結(jié)合的方向進(jìn)行技術(shù)演進(jìn)，為提升車內(nèi)、車外通信質(zhì)量和廣大車主駕駛體驗(yàn)作出更大貢獻(xiàn)。

作者：中國(guó)信息通信研究院新一代移動(dòng)通信測(cè)試驗(yàn)證國(guó)家工程研究中心高級(jí)工程師 陳凱

編輯：黃飛