5G 和太空：对 NTN 测试与测量的影响

5G 非地面网络 (NTN) 是无线通信向全球性星基和机载通信的精彩演进。这种技术发展将分多个阶段进行，显著扩展了 5G 的潜在用例领域。测试方法和程序需要进行调整，以便保障 5G NTN 系统的性能、功能和互操作性。

NTN 基站测试与测量

技术正在经历重要转变，“基站”一词已不再适合非地面网络 (NTN)。网络节点被集成到卫星，并相对于地球表面移动。未来，6G 技术将实现多轨道网络，低地球轨道 (LEO)、中地球轨道 (MEO) 和地球静止轨道 (GEO) 高度都将部署3D 网络节点。

目前，多种架构方法正在进行标准化：

• 根据 R17 规范的定义，一开始将使用透明模式。在这种模式下，卫星将用作中继器，在地面节点 (gNB) 中生成和接收 5G NR 无线电信号。地面 gNB 和卫星将通过卫星和地面网关之间的馈线链路进行通信。卫星和设备之间的直接连接被称为服务链路。
• 未来的可再生模式是 R19 规范当中一项正在讨论的工作项目，将整个或分解的 gNB 功能整合到卫星接入节点 (SAN)。这是为了在卫星节点中实现更快的调度以及更强大的处理和计算能力。但是，复杂程度也会随之增加。

目前，有两种规范针对未来的 SAN 测试提出了重要的标准化要求：

• TS38.108规定了 NTN 接收机和发射机的测试要求。
• TS38.181规定了实际测试要求。
• TS 38.101-5规定了 NTN 用户设备 (UE) 测试的相应规范。

针对在 NTN 透明有效载荷模式下工作的 SAN，下方的图 1 简要显示了测试场景和典型装置。被测设备 (DUT) 由三个功能模块组成：卫星（作为 NTN 射频有效载荷）、网关和非地面网络功能 (gNB)。

射频接口测试大体上可以分为三种：

• 发射机测试 (TX)
• 接收机灵敏度 (RX)
• 接收机性能（RX 性能）

发射机测试方法和地面测试类似，会测试发射功率（TX 功率、TX 功率控制）、调制质量 (EVM) 和频谱发射特性（ACLR、杂散发射、SEM）等。信号分析仪非常适合这种测试场景。根据卫星节点的类别，可以通过电缆或空口 (OTA) 方式连接到测试仪器。OTA 测试可以验证波束赋形所用的定向天线。这种测试需要使用全电波暗室 (FAC)和定位系统。

接收机测试有两种不同的方法：

• 测试接收机灵敏度等指标时，使用信号发生器将参考测试信号发送到被测设备。测试结果即为接收机的误块率 (BLER)或数据吞吐量。根据 3GPP 规范，最小输入电平下的吞吐量需要达到定义的参考通道阈值的 95%，才能通过灵敏度测试。由于组件分解，射频信号的注入点位于卫星输入端，但只能在 gNB 协议栈中测定 BLER。
• 第二种方法是测试RX 性能，并且和灵敏度测试一样，吞吐量需要达到阈值的 95%。但是，性能测试会对测试信号应用衰落分布，或者增加干扰信号，以便为接收机模拟压力情况。

NTN 用户设备的测试设备

一般而言，5G 卫星通信的终端设备对发射机和接收机的要求与地面网络的终端设备相同。但是，细节方面有所不同：根据 NTN UE 功能和用例，将有若干不同的测试设置和方法。例如，NTN-IoT设备将使用复杂程度较低的架构。

此外，消息传输或小数据集等用例通常不会请求特定的 QoS 配置文件，并且能够容忍较长的延迟。未来的 NTN UE（例如甚小口径终端 (VSAT)）将集成更加先进的方法（例如波束赋形）、更高的频率和更大的带宽。这将需要进行扩展测试。频谱对于 NTN 至关重要，因为频谱排列会出现多种可能：NTN 频段可能与地面频段重叠、相邻或维持充分的安全间距。因此，测试活动还应该考虑一些共存场景。

3GPP 正在通过 TS 38.101-5规范扩展卫星通信中的 UE 要求。该规范扩展了有关 UE 要求的规范系列 TS 38.101-x ，以便包含 NTN 测试和相关指标：

• 发射功率
• 频谱带宽
• 调制质量
• 接收机灵敏度
• 频谱发射（SEM、ACLR、杂散发射）

全面开展 UE 测试需要利用系统模拟器来处理包括整个协议栈在内的连接，并支持射频测试和协议测试。下方的图 2 展示了这种测试设置。UE 是通过电缆或在 OTA 暗箱中连接到系统模拟器的被测设备。该系统模拟器会执行射频和协议测试，其中协议测试对于检查连接和移动场景尤其重要。

NTN 终端的一个要求是确定地面位置。因此，NTN UE 必须能够根据 GNSS 信号进行定位。卫星站通过系统信息发送自己的轨道数据，支持 UE 校正时间偏移和多普勒频移。

在用于一致性测试的 NTN 测试系统中，信号发生器可以模拟 GNSS 信号来确定 UE 位置。此外，型式批准和监管测试也需要进行扩展频谱测量，例如杂散发射和 RX 性能测试。5G 系统模拟器可以集成其他测试与测量仪器（例如信号发生器和分析仪），以便满足额外的干扰场景或 扩展频谱分析的需求。

R&S®CMX500 移动无线电测试仪支持 完全独立的 LTE/FR1 和 FR2 射频信令与测量选件以及所有当前和未来的 3GPP 频段组合，IP 级数据吞吐量高达 20 Gbps。它采用罗德与施瓦茨的单一平台策略，总频率带宽高达 10 GHz，帮助用户应对当前和未来的测试挑战。借助直观的 R&S®CMsquares Web 图形用户界面，这款一体化测试仪在 5G 和太空测试方面树立了新标杆。

R&S®SMW200A 矢量信号发生器

主要特点：

• 频率最高达 67 GHz（双通道：最高 44 GHz）
• 2 GHz 调制带宽
• 集成式衰落，最高 800 MHz 带宽和 8x8 MIMO

R&S®SMBV100B 矢量信号发生器

主要特点：

• 频率范围介于 8 kHz 至 3 GHz 或 6 GHz
• 高额输出功率，高达 +33 dBm
• 1 GHz 调制带宽，准确度令人满意

总结

• “基站”一词不再适用于 NTN。
• 目前，有两种架构方法正在进行标准化：透明有效载荷模式和未来的可再生有效载荷模式。
• 有两种规范针对未来的卫星接入节点测试提出了重要的标准化要求：TS 38.108 和 TS 38.181 规范。
• 频谱至关重要，因为频谱排列会出现多种可能：NTN 频段可能与地面频段重叠、相邻或维持充分的安全间距。
• TS 38.101-5 扩展了 NTN UE 规范，对现有的 UE 测试规范作了补充。
• 全面开展 UE 测试需要利用支持协议测试的系统模拟器。
• NTN 终端的一个要求是根据 GNSS 信号进行定位，在测试装置中集成信号发生器有助于确定 UE 位置。
• 在 NTN 一致性测试系统中，信号发生器和信号模拟器能够提供其他共存和频谱发射场景，让测试场景更加完善。