5G 和太空：對 NTN 測試與測量的影響

5G 非地面網絡 (NTN) 是無線通信向全球性星基和機載通信的精彩演進。這種技術發展將分多個階段進行，顯著擴展了 5G 的潛在用例領域。測試方法和程序需要進行調整，以便保障 5G NTN 系統的性能、功能和互操作性。

NTN 基站測試與測量

技術正在經歷重要轉變，“基站”一詞已不再適合非地面網絡 (NTN)。網絡節點被集成到衛星，并相對于地球表面移動。未來，6G 技術將實現多軌道網絡，低地球軌道 (LEO)、中地球軌道 (MEO) 和地球靜止軌道 (GEO) 高度都將部署3D 網絡節點。

目前，多種架構方法正在進行標準化：

• 根據 R17 規范的定義，一開始將使用透明模式。在這種模式下，衛星將用作中繼器，在地面節點 (gNB) 中生成和接收 5G NR 無線電信號。地面 gNB 和衛星將通過衛星和地面網關之間的饋線鏈路進行通信。衛星和設備之間的直接連接被稱為服務鏈路。
• 未來的可再生模式是 R19 規范當中一項正在討論的工作項目，將整個或分解的 gNB 功能整合到衛星接入節點 (SAN)。這是為了在衛星節點中實現更快的調度以及更強大的處理和計算能力。但是，復雜程度也會隨之增加。

目前，有兩種規范針對未來的 SAN 測試提出了重要的標準化要求：

• TS38.108規定了 NTN 接收機和發射機的測試要求。
• TS38.181規定了實際測試要求。
• TS 38.101-5規定了 NTN 用戶設備 (UE) 測試的相應規范。

針對在 NTN 透明有效載荷模式下工作的 SAN，下方的圖 1 簡要顯示了測試場景和典型裝置。被測設備 (DUT) 由三個功能模塊組成：衛星（作為 NTN 射頻有效載荷）、網關和非地面網絡功能 (gNB)。

射頻接口測試大體上可以分為三種：

• 發射機測試 (TX)
• 接收機靈敏度 (RX)
• 接收機性能（RX 性能）

發射機測試方法和地面測試類似，會測試發射功率（TX 功率、TX 功率控制）、調制質量 (EVM) 和頻譜發射特性（ACLR、雜散發射、SEM）等。信號分析儀非常適合這種測試場景。根據衛星節點的類別，可以通過電纜或空口 (OTA) 方式連接到測試儀器。OTA 測試可以驗證波束賦形所用的定向天線。這種測試需要使用全電波暗室 (FAC)和定位系統。

接收機測試有兩種不同的方法：

• 測試接收機靈敏度等指標時，使用信號發生器將參考測試信號發送到被測設備。測試結果即為接收機的誤塊率 (BLER)或數據吞吐量。根據 3GPP 規范，最小輸入電平下的吞吐量需要達到定義的參考通道閾值的 95%，才能通過靈敏度測試。由于組件分解，射頻信號的注入點位于衛星輸入端，但只能在 gNB 協議棧中測定 BLER。
• 第二種方法是測試RX 性能，并且和靈敏度測試一樣，吞吐量需要達到閾值的 95%。但是，性能測試會對測試信號應用衰落分布，或者增加干擾信號，以便為接收機模擬壓力情況。

NTN 用戶設備的測試設備

一般而言，5G 衛星通信的終端設備對發射機和接收機的要求與地面網絡的終端設備相同。但是，細節方面有所不同：根據 NTN UE 功能和用例，將有若干不同的測試設置和方法。例如，NTN-IoT設備將使用復雜程度較低的架構。

此外，消息傳輸或小數據集等用例通常不會請求特定的 QoS 配置文件，并且能夠容忍較長的延遲。未來的 NTN UE（例如甚小口徑終端 (VSAT)）將集成更加先進的方法（例如波束賦形）、更高的頻率和更大的帶寬。這將需要進行擴展測試。頻譜對于 NTN 至關重要，因為頻譜排列會出現多種可能：NTN 頻段可能與地面頻段重疊、相鄰或維持充分的安全間距。因此，測試活動還應該考慮一些共存場景。

3GPP 正在通過 TS 38.101-5規范擴展衛星通信中的 UE 要求。該規范擴展了有關 UE 要求的規范系列 TS 38.101-x ，以便包含 NTN 測試和相關指標：

• 發射功率
• 頻譜帶寬
• 調制質量
• 接收機靈敏度
• 頻譜發射（SEM、ACLR、雜散發射）

全面開展 UE 測試需要利用系統模擬器來處理包括整個協議棧在內的連接，并支持射頻測試和協議測試。下方的圖 2 展示了這種測試設置。UE 是通過電纜或在 OTA 暗箱中連接到系統模擬器的被測設備。該系統模擬器會執行射頻和協議測試，其中協議測試對于檢查連接和移動場景尤其重要。

NTN 終端的一個要求是確定地面位置。因此，NTN UE 必須能夠根據 GNSS 信號進行定位。衛星站通過系統信息發送自己的軌道數據，支持 UE 校正時間偏移和多普勒頻移。

在用于一致性測試的 NTN 測試系統中，信號發生器可以模擬 GNSS 信號來確定 UE 位置。此外，型式批準和監管測試也需要進行擴展頻譜測量，例如雜散發射和 RX 性能測試。5G 系統模擬器可以集成其他測試與測量儀器（例如信號發生器和分析儀），以便滿足額外的干擾場景或 擴展頻譜分析的需求。

R&S?CMX500 移動無線電測試儀支持 完全獨立的 LTE/FR1 和 FR2 射頻信令與測量選件以及所有當前和未來的 3GPP 頻段組合，IP 級數據吞吐量高達 20 Gbps。它采用羅德與施瓦茨的單一平臺策略，總頻率帶寬高達 10 GHz，幫助用戶應對當前和未來的測試挑戰。借助直觀的 R&S?CMsquares Web 圖形用戶界面，這款一體化測試儀在 5G 和太空測試方面樹立了新標桿。

R&S?SMW200A 矢量信號發生器

主要特點：

• 頻率最高達 67 GHz（雙通道：最高 44 GHz）
• 2 GHz 調制帶寬
• 集成式衰落，最高 800 MHz 帶寬和 8x8 MIMO

R&S?SMBV100B 矢量信號發生器

主要特點：

• 頻率范圍介于 8 kHz 至 3 GHz 或 6 GHz
• 高額輸出功率，高達 +33 dBm
• 1 GHz 調制帶寬，準確度令人滿意

總結

• “基站”一詞不再適用于 NTN。
• 目前，有兩種架構方法正在進行標準化：透明有效載荷模式和未來的可再生有效載荷模式。
• 有兩種規范針對未來的衛星接入節點測試提出了重要的標準化要求：TS 38.108 和 TS 38.181 規范。
• 頻譜至關重要，因為頻譜排列會出現多種可能：NTN 頻段可能與地面頻段重疊、相鄰或維持充分的安全間距。
• TS 38.101-5 擴展了 NTN UE 規范，對現有的 UE 測試規范作了補充。
• 全面開展 UE 測試需要利用支持協議測試的系統模擬器。
• NTN 終端的一個要求是根據 GNSS 信號進行定位，在測試裝置中集成信號發生器有助于確定 UE 位置。
• 在 NTN 一致性測試系統中，信號發生器和信號模擬器能夠提供其他共存和頻譜發射場景，讓測試場景更加完善。