作者：Christoph Hausl, Julian Emmert, Manuel Mielke, Benjamin Mehlhorn and Corbett Rowell, Rohde & Schwarz, Munich, Germany

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被称为NR的5G无线接入技术包含更多的灵活性，以应对不同的使用场景。^1,2,3 5G NR规范引入了诸多的优化，以减少延迟并大幅提高数据速率。这些优化涉及许多新的技术，包括新的频段、支持同步和广播的波束赋形以及多连接，以实现5G网元与LTE的结合。5G NR支持在两个频率范围内工作:低于7125 MHz的FR1⁴ 和24.25至52.6GHz的毫米波频段（FR2）⁵。

在实验室测试、外场试验、网络部署、优化和基准测试的整个流程中，需要移动网络测试（MNT）的测量工具来描述现场的无线信道和网络覆盖情况^6,7。例如，接收功率的测量能够验证5G NR小区波束赋形及其对覆盖区域的影响。对信道冲激响应的测量可以更深入地了解无线信号在不同环境中的传播，即城市与农村地区的反射、吸收和散射。对到达时间的测量能够验证网络同步⁸。

5G和相关技术，如波束赋形和3GHz以上的频率，由于人类暴露在基站的电磁场中，引起了潜在的健康问题。因此，5G基站的部署要求电场强度（V/m）低于每个国家的规定阈值。已经有文章描述了5G基站暴露的频率选择性测量方法^9,10，强调了编码选择性测量方法的必要性，特别是在有多个基站和数据流量的网络中。

移动网络运营商必须评估网络的质量，以解决网络问题和有害干扰或对新基站进行评估。虽然有可能使用手机来评估网络的性能，但缺点是测量有差异，其结果因手机芯片型号或安装的软件而异。因此，需要一个参考测量设备，如接收机或扫频仪，这为结果对比提供了一个共同的基础。

随着非独立（NSA）组网和动态频谱共享的应用，必须同时测量5G NR FR1和相应的LTE信道，以确保两个网络链路按预期工作。对这些基站小区的检测和测量具有挑战性，因为测量必须达到高灵敏度，同时避免导致检测到不存在的小区（即虚报小区）的错误警报。

测量移动网络的载波频率可以独立地表征网络特性，结合宽带接收机，可以对不同的网络——甚至是完全未知的网络——进行基准测试，消除了手机的影响。由于这种测量方法是完全被动的，所有公共和私有网络，如校园网络，都可以被检测和测量。

背景

5G NR同步信号/PBCH块（SSB）

5G NR技术使用正交频分复用（OFDM）²进行下行链路传输。3GPP规范中使用一个与频段有关的表格^4,5，定义了是使用时分双工（TDD）还是频分双工（FDD）来划分下行链路（DL）和上行链路（UL）。5G NR小区通过广播SSB以实现小区搜索和初始接入。一个SSB被映射到四个OFDM符号和240个子载波（SC）。

SSB由一个PBCH块、一个主同步信号和一个辅同步信号（PSS和SSS）组成。有不同的子载波间隔（SCS）：从FR1中用例A的15kHz到FR2中用例E的240kHz¹¹。因此，一个SSB的带宽在3.6和57.6MHz之间。相应地，SSB持续时间在285至18微秒之间，使5G NR在不同的频率范围和场景下能够灵活使用¹。

一个小区在5毫秒的窗口内最多传输64个SSB（即15/30KHz的SCS最多传输4或8个SSB）。每个SSB都有一个特定的索引，它与小区特定的物理小区标识（PCI）一起被编码到SSB信号中。根据3GPP技术规范，5毫秒窗口内的SSB的开始时间取决于索引¹¹。小区周期性地广播这些5毫秒窗口，默认周期为20毫秒。

通常情况下，一个小区使用波束赋形技术在不同的方向传输SSB（即波束扫描），因此，SSB也被称为波束。这些波束可以被认为是微扇区，它们将整个小区的宏扇区——通常是120度的方位角覆盖——进一步分割成更小的扇区⁶。图1说明了一个小区的七个SSB在地图上的主要传输方向。对同步信号和PBCH使用波束赋形技术可以提供更好的整体覆盖。请注意，波束的方向可以是二维的，即每个SSB传输到一个特定的水平方位角和仰角。

图1 一个小区的七个SSB的传输方向，通过比较所有SSB在路测期间的测量接收功率来估计。路线的颜色对应接收功率最强的SSB⁷。

移动网络测试

图1还显示了路测的路线，这是一种MNT的常用方法。路测的目的是测量基站小区及其SSB的接收质量，以确定网络质量和覆盖范围。路测也被用来寻找干扰，无论是来自其他小区还是未授权的部署。传统路测的变种是步行测试、骑行测试和无人机测试，后者由于电池容量有限，需要低功耗的小型接收机。

测量配置

6GHz以下的测量配置

图2显示了推荐的测量配置，其中有一个接收机或扫频仪，如R&S TSME6移动网络扫频仪。通过一个外部天线，扫频仪测量来自5G FR1和LTE小区的无线信号，将该信号转换为I/Q符号的数字基带信号，并将其发送到连接的笔记本电脑上进行解调、分析和展示。该扫频仪包含一个内置的全球导航卫星系统（GNSS）接收机，用于测量其地理位置，以及接收日期和时间信息。出于安全考虑，扫频仪本身是一个接收机，没有传输能力。它可以测量350MHz和6GHz之间带宽为20MHz的基带信号，该频率范围由笔记本电脑上的测量软件控制。测量软件可以基于R&S ViCom，这是一个开放的应用编程接口，可以实现定制扫频仪的应用。另外，也可以使用现成的软件，如R&S Romes。

图2 6GHz以下频段的5G NR FR1和LTE信号测量配置

FR2测量配置

5G NR中的载波聚合允许在FR2中与FR1载波互补操作以确保良好的覆盖¹，需要在FR1和FR2中同时进行SSB测量。图3显示了FR2的测量配置。它需要一个下变频器，将毫米波信号转换为低于6GHz的中频信号，因此一个带有专用天线的单一扫频仪可以支持在FR1和FR2中同时测量。一个单一的扫频仪与一个下变频器支持在FR2中的SSB测量，并且有可能用一个下变频器连接几个扫频仪，将基带带宽扩展到100MHz；然而，这对目前的应用来说是没有必要的。

图3 带有毫米波天线和下变频器的配置，用于同时进行FR2和6GHz以下频段的5G NR测量。

挑战1：如何分析5G NR SSB？

接入或测量一个5G NR载波，首先要发现SSB的中心频率。在LTE中，PSS/SSS和PBCH信号总是以固定的周期围绕载波的中心频率传输，因此有可能使用接收机测量频谱去手动检测它们。然而，在5G NR中，SSB的传输特性更加灵活，为配置5G NR接收机/扫频仪带来新的挑战。

最具挑战性的问题是关于SSB中心频率（SSRef）的灵活性。3GPP标准为SSB的位置定义了一个频率栅格^4,5，但这个栅格很窄，在一个5G NR载波内有数百种可能。此外，一个SSB只出现很短的时间，所以用传统的扫频调谐频谱分析仪很难检测到SSB；SSB的周期性随着帧的起始点和其相应的周期而灵活变化：5、10、20、40、80或160ms。¹²

为了避免耗时的频谱扫描、错误的扫频仪配置或盲猜SSB中心频率，推荐的接收机/扫频仪解决方案是使用一种称为自动信道检测（ACD）的算法来检测SSRef。ACD可以在大的频率范围内快速搜索，它运行内部频谱扫描并搜索SSB¹³。ACD可以在几秒钟内提供正确的SSRef，使扫频仪能够分析带内和带外信号，即蜂窝网络参数完全未知的竞争者网络。

ACD算法首先提供一个SSB中心频率的列表；然后，扫频仪开始对这些频率应用SSB测量算法（SSBmeas）。ACD可以在基带处理的后台运行，不断搜索新的SSB中心频率。在测量过程中，只要扫频仪收到一个基站小区的信号，其强度足以达到ACD的灵敏度，相应的SSRef将在测量的剩余部分用更灵敏的SSBmeas进行扫描。ACD算法期望一个符合3GPP标准的5G NR SSB在系统帧数增加的情况下传输。在内部，它使用3GPP频段表来选择选定频段的SSB传输情况。这加速了ACD算法，避免了检查不必要的情况（例如，n1频段的用例E）。

从SSB测量中可以获得许多网络特征来评估网络质量，如同步信号的信号与干扰加噪声比（SS-SINR）和同步信号的参考信号接收功率（SS-RSRP）¹⁴。还可以提取所有检测到的小区ID（PCI）、SSB索引、信道冲激响应和到达时间。SSB检测包括对PBCH的解码，防止误报，因为PBCH的有效载荷包含一个用于错误检测的循环冗余检查。

图4显示了在SSRef为3,574.56MHz（用例C）下两个小区（PCI 75和PCI 362）的SSB索引0和2的信道冲激响应峰值的测量到达时间。该测量主要关注第一个测量峰值的到达时间差，以测量时延扩展。测量结果证实了预期¹¹，即索引为2的SSB比索引为0的SSB晚500微秒传输。从图4中可以看出，峰值的分布表明，索引0的时延扩展较高，发生了多少反射和散射。采用PCI 362的小区的信号比采用PCI 75的另一小区的信号晚到约2微秒，这主要是由于PCI 362的小区到接收机的距离较远所致。

图4 两个小区的SSB ID 0和2的实测到达时间和信道冲激响应。

挑战2：网络同步测量

确保基站同步是成功部署网络的关键。如果一个基站不同步，连接态下的切换会失败，导致用户的通话中断，用户体验不佳。对于TDD，同步要求尤其关键，因为时间偏移会导致上行和下行时隙的重叠，影响基站性能，并干扰正确同步的相邻基站（图5）。

图5 两个小区之间的干扰。

3GPP（第15版第6.5.3节）规定了允许的时间同步误差。为确保适当的同步，小区从网络或通过连接的GNSS接收机接收其参考时间⁸。不同运营商的网络必须同步，以避免相邻频率的网络之间的互调产物造成的干扰。这使所有运营商能够最大限度地减少干扰。

以前，这些定时测量是用频谱分析仪和基站上的特殊测试端口进行的，需要用电缆测量。在5G NR中，普遍使用了射频拉远头（RRH）和有源天线系统，它们没有特殊的测试端口，使得传统的定时测量变得困难，需要进行空口定时测量。

为了验证网络的时间同步性，建议扫频仪使用两种不同精度的测量方法：1）接收到的SSB的到达时间（ToA）测量；2）接收到的SSB的时间同步误差（TAE）测量。ToA测量为接收的SSB提供一个时间戳。这提供了一个很好的指示，与其他收到的基站相比，某个基站小区是否不同步。ToA测量提供了大约400ns的精度。为了达到更高的精度和满足协调世界时（UTC）的同步要求，使用了TAE测量。

对于TAE测量，需要测量天线和小区天线之间的视线（LoS）距离是已知的——这可以用激光测距仪来测量——再加上良好的GPS接收或外部时基作为时间参考。接收机/扫频仪可以计算出每个接收到的SSB的UTC传输时间以及小区的频率误差（图6）。然后，测量精度取决于内置GNSS接收机所提供的参考。良好的GPS接收信号产生的时间精度优于30纳秒。从测量位置和基站之间的已知距离，可以计算出发射时间，确定源于基站设置的时间问题。实验证明，要实现如此精确的测量，需要满足以下条件：

·         来自被测基站的信号的SINR必须高于15dB

·         时延扩展需要低于17纳秒，这被用作LoS的指标。

·         为了获得GNSS接收机的最佳性能，建议移动速度超过30公里/小时，以消除接收信号的反射。

·         必须有一个高精度的秒脉冲（PPS）信号，可以来自GNSS接收机或外部连接

·         PPS信号需要提供比内部时基更高的精度

·         GNSS接收机必须报告一个有效的UTC时间同步。

图6 UTC同步的基站。

结论

本文展示了如何使用扫频仪在5G NR网络中进行测量，特别关注了FR1和FR2频段的网络同步。提出了测量网络覆盖范围、网络同步和信道冲激响应的方法，并且易于实施。提出了一种ACD方法，用于在未知配置的网络中找到5G MNT所需的相关载波频率。最后，在已部署的5G现网中应用了我们推荐的方法以验证其有效性。

参考文献

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