5G终端测试(精)/5G关键技术与应用丛书

第1章 绪论 1.1 终端测试历程及演变 从19世纪开始，人类就开启了对无线通信的探索。1831年法拉第发现电磁感应定律，1864年麦克斯韦建立电磁理论，1887年赫兹用实验证实了电磁波的存在，让无线电通信成为可能。1896年俄国物理学家、电气工程师波波夫和意大利物理学家马可尼都成功地实现了利用无线电传送信号，这标志着无线电通信进入实用阶段。从20世纪80年代以后，移动通信进入了蓬勃发展期。短短三四十年，移动通信已经实现了从**代移动通信到第五代移动通信的跨越式发展。每一代移动通信的发展都有质的飞越，从1G模拟时代走向2G语音时代；从2G语音时代走向3G数据时代；4G实现IP化，数据速率大幅提升；而5G的目标则是实现万物互联。 自 1978 年底，美国贝尔实验室研制先进移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS），并建成了现在广泛使用的蜂窝状移动通信网后，一直到20 世纪 80 年代中期，许多国家都开始建设基于频分复用（Frequency Division Multiple Access，FDMA）技术和模拟调制技术的**代移动通信系统（即1G）。AMPS成为1G的主要系统，另外还有在澳大利亚、加拿大、南美以及亚太地区广泛采用的北欧移动电话（Nordic Mobile Telephony，NMT）及全选址通信系统（Total Access Communications System，TACS）制式。中国于1987年广东第六届全运会正式启动蜂窝移动通信系统，填补了国内移动通信产业的空白。 2G时代是移动通信标准争夺的开始，在众多的移动通信制式中全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）脱颖而出并被广泛采用。20世纪90年代末，GSM在欧洲就成为通信系统的统一标准，并被正式商业化。同期的美国和日本市场被欧洲的诺基亚和爱立信逐渐占据，其中诺基亚仅仅用了10年时间就一举成为世界头号移动电话商。除GSM之外，还有时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、个人数字蜂窝（Personal Digital Cellular，PDC）与综合数字增强网络（Integrated Digital Enhanced Network，IDEN）等制式并存。1995年，中国采用了世界*主流的GSM制式，正式开通了GSM数字电话网。 为满足人们日益增长的移动网络需求，3G在新的频谱上制定通信标准，以实现更高的数据传输速率。3G不仅兼容了2G通信系统，还可以处理视频流、音乐、图像等多种媒体形式，在声音和数据传输上具有更快的速度。此外，3G在全球无线漫游方面表现得更好，提供了丰富的信息服务，包括电子商务、网页浏览、电话会议等。宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA）、码分多址2000（Code Division Multiple Access 2000，CDMA2000）、时分同步码分多址（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，TD-SCDMA）是3G通信系统中几个主流标准制式。实际上，2007年10月19日，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）还批准了全球微波互联接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）作为ITU移动无线标准。WiMAX是继WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA后的全球第四个3G标准。由于WiMAX标准没有得到欧洲和中国主流通信设备厂商的支持，2010年，WiMAX标准的*大支柱英特尔宣布解散WiMAX部门。中国在2009年1月7日颁发了3张3G牌照，分别是中国移动的TD-SCDMA、中国联通的WCDMA和中国电信的CDMA2000。 基于对更高速率的需求，移动通信演进到了4G时代。4G提出了基于正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）技术的长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术，其主要的网络制式为频分双工（Frequency-Division Duplex，FDD）和时分双工（Time-Division Duplex，TDD），这两种模式是由第三代合作伙伴计划（Third Generation Partnership Project，3GPP）组织制定的全球通用标准。2013年12月，工业和信息化部分别向中国移动、中国电信、中国联通颁发了3张4G牌照，即“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务（TD-LTE）”经营许可。2015年2月27日，中国电信集团有限公司和中国联合网络通信集团有限公司获得了工业和信息化部颁发的“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务（FDD-LTE）”经营许可。2018年4月3日，工业和信息化部向中国移动正式发放FDD 4G牌照，批准中国移动经营LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务。如今中国4G信号覆盖已非常广泛，支持TD-LTE、FDD-LTE的移动终端产品已经普及。 5G作为第五代移动通信技术，其应用场景被国际电信联盟划分为移动互联网和物联网两大类。5G不仅具有低时延，低功耗的特点，同时表现出高可靠的优点。与前几代通信技术相比，5G已经不再是简单的无线接入技术，而是集成多种现有（4G后向演进技术）和新型无线接入技术后的解决方案总称。早在2013年2月，工业和信息化部、国家发展改革委和科技部就联合成立IMT-2020（5G）推进组，对我国5G愿景与需求、5G频谱问题、5G关键技术和5G标准化等问题展开研究和布局。5G推进组的组织架构基于高级国际移动通信（International Mobile Telecommunications-Advanced，IMT-Advanced）（4G）推进组，下设多个工作组，包括需求工作组、频谱工作组、无线技术工作组、网络技术工作组、若干标准工作组以及知识产权工作组。 在IMT-2020（5G）推进组的组织下，我国从2015年就开展了5G技术研发试验，陆续完成了关键技术验证、技术方案验证和系统验证。2019年6月6日，中国电信、中国移动、中国联通和中国广电获得了工业和信息化部正式发放的5G商用牌照，标志着中国5G商用元年的开始。 伴随移动通信技术的发展，终端测试也与时俱进，测试内容也在不断调整中。20世纪90年代，欧洲*早开始了全面型号认证（Full Type Approval，FTA）。对于手机生产商来说，其生产的手机能否进入市场，取决于是否获得在全球范围内**的国际移动设备标识，即IMEI（International Mobile Equipment Identifier），而没有此标识的手机将无法使用GSM网络。 IMEI是根据FTA认证实验室的测试报告后，由GSM联盟（即GSM MOU，包括GSM的运营商和GSM手机的生产商）组织授权的中立发证机构（Notify Body）来发放。通过FTA认证测试是取得IMEI号的**途径。FTA认证测试共包含了300多项测试项目，其内容可分为软件测试、硬件测试和电磁兼容测试，其目的是检验手机是否符合GSM标准的要求。 我国GSM手机进网检测执行的是1996年颁布的《900MHz TDMA数字蜂窝移动通信网移动台设备技术指标及测试方法》（YD/T 884—1996）。该标准基于ETSI GSM11.10的第12～14章，主要规定了GSM900移动台无线收发信机的射频、音频指标的定义、要求及测试方法。1999年，随着GSM的YDT行业标准颁布，测试内容增加了可靠性、音频、功能、性能等。随后电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）、电磁波比吸收率（Specific Absorption Rate，SAR）和空中下载（Over the Air，OTA）等不同测试内容也加入了终端测试项。 2009～2011年，伴随着中国3G网络的商用，政府将监管重点放在互联互通和网络信息安全等方面。终端主要测试内容包括基本业务功能测试、射频一致性测试、无线资源管理（Radio Resource Management，RRM）一致性测试、协议一致性测试、机卡接口一致性测试、音频一致性测试、外场业务性能测试、高层业务测试、环境及可靠性测试、寿命试验、充电器安全性测试、耗电性能测试以及双模互扰测试等。2013年12月以后，随着LTE终端的商用，终端的进网要求分成了两大类：一是网络信息安全，包括信息安全与功能（信息安全）、信息安全协议、卡与终端互通性能、移动智能终端安全能力和无线局域网；二是互联互通和性能要求，包括信息安全与功能、射频接收性能、数据接收性能、互联互通协议、卡与终端互通性能、无线局域网和数据接收性能等内容。在这期间，运营商、终端厂家和相关测试实验室等对终端操作系统、应用软件兼容性等新领域也开展了很多有益的尝试。 2019年10月31日，在中国国际信息通信展览会举办了5G商用启动仪式，这标志着我国5G商用进入新征程。5G终端将会呈现多元化特点。增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）场景下的终端主要还是以手机为主，泛智能终端主要应用于海量机器类通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）和超高可靠低时延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）。从技术角度来看，由于毫米波的引入，OTA将成为一个重点和难点。从应用角度来看，安全测试仍然是基础保障，至关重要；人工智能（Artificial Intelligence，AI）和增强现实（Augmented Reality，AR）/虚拟现实（Virtual Reality，VR）等新技术的崛起，也给终端测试带来新的内容和方向。 1.2 终端测试技术概述 为了提升终端质量和用户体验，从2G时代终端测试技术就不断演进，发展到现在已形成相对完善的终端测试体系，涵盖了一致性测试、通信性能测试、软件与信息安全测试和用户体验测评等。 1.2.1 一致性测试 移动终端在商用之前需对其进行一致性测试，一致性测试也是芯片商、运营商、手机厂家等非常关注的内容。各种移动通信协议和标准都明确定义了在各种状态下手机和网络的行为、反应和指标，一致性测试检查手机的行为是否和标准规定相一致。 1. 射频和无线资源管理一致性测试 1）射频一致性测试 一般就终端射频功能的要求来讲，其包含了发射机和接收机。就发射机而言，不仅要求其产生精确且符合标准的有用信号，还要求干扰电平和无用发射控制在一定范围之内；对接收机来说，要求其在一定环境条件下，可以精准无误地接收有用信号并将信号准确地解调出来，同时可以抵御一定的干扰信号。射频一致性测试主要包括： （1）在工作模式和空闲模式下的传导杂散； （2）在正常条件和多径干扰条件下的频率相位误差； （3）发射机*大输出功率； （4）发射机输出频谱； （5）阻塞和寄生响应； （6）性能测试—通道功率（Channel Power，CP）、误差矢量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）、邻道泄漏比（Adjacent Channel Leakage Ratio，ACLR）、占用带宽