解析现阶段2G、3G和4G模拟网自动化测试实现方法
与前几代移动通信发展周期相比，5g产业的发展速度明显加快，这对产业链内各类产品研发和测试提出了更高要求。随着5g网络大规模商用，尤其是3gpp r16标准冻结后，5g各类特色应用将陆续出现，作为承载各类应用的网络和终端产品将面临更大研发压力。实验室模拟网测试作为产品上市前重要的全系统集成测试环节，受到业界越来越多的关注和重视。而5g系统自身的技术特点和紧迫的市场化压力，让实现自动化成为5g模拟网测试的重要发展方向。
现阶段2g、3g和4g模拟网自动化测试实现方法
模拟网测试是指利用商用设备在实验室或可控小规模外场区域，建设与商用网同样架构的端到端测试环境，用于验证被测产品在实际网络中的功能、性能和兼容性。2g、3g和4g终端模拟网单小区测试如图1所示。在2g、3g和4g产品测试中，模拟网测试一般作为进入外场测试前的最后门槛，目的是提前暴露问题，实施定位、改进和优化，避免将故障泄露到外场测试中，保障外场测试效率，缩短产品研发周期。由于2g和3g终端留存主要为单天线，主流4g终端为两天线，少数高端4g终端能实现4×4 mimo，因此在2g和3g时代，模拟网测试环节主要通过传导方式实现，4g时代则普遍采用将终端放入屏蔽箱的方式。
4g系统与前几代组成多模异构网络，使实验室模拟网建设面临测试场景复杂度提升和全场景覆盖能力提升的新需求，除了对多模多制式的考虑，多设备厂家甚至多家电信运营商覆盖场景的需求使模拟网建设和测试复杂度迅速提升。
终端产品的模拟网测试面临两大难题：一是多小区网络覆盖的测试环境难以通过手动方式实现多路信号控制；二是多模多频网络建设成本极高，必须实现多测试线复用。因此，系统厂家在建设多小区测试环境时用到的程控衰减方案逐渐成为自动化测试的主流实现方式。2013年中国信通院技术与标准研究所mtnet实验室建成业界首套涵盖td-lte/lte fdd/td-scdma/wcdma/gsm/cdma制式的全模多频室内外一体化测试系统，并将2g、3g和4g信号实现资源池化管理，通过程控衰减系统，形成了4g多模终端模拟网自动化测试能力，成为业界模拟网自动化测试方案最完整的应用。4g多模终端模拟网自动化测试方案如图2所示。
这种基于程控衰减器构建的模拟网自动化测试方案包括软件和硬件两个部分，硬件包括程控衰减器、连接线缆和元器件，软件为控制软件和测试脚本。首先，需要根据模拟网的规模和测试能力进行技术规划和设备选型。
• 精确路损估算
射频信号从基站天线口通过程控衰减器，经过多跳射频线缆及连接器，最终到达终端天线口或屏蔽箱，中间需要对测试设备和连接件路损进行精确估算。考虑能模拟远、中、近点测试，一般要求到达终端天线口功率不低于-75dbm（极好点）。例如，一台2.6ghz的td-lte基站输出功率为33dbm，一套32×8的程控衰减器路损为31.5db，这就要求其他线缆和连接器的合计路损不大于76.5db，如果终端侧不是线缆直连，而是使用屏蔽箱内置天线进行空口测试，还需考虑屏蔽箱40db的路损，那么对线缆和连接器的合计路损要求则达到36.5dbm，对测试线的距离规划极具挑战。对于一些物理距离较长，合计路损难以达标，而对基站共用需求不高的实验室，可考虑选择程控开关矩阵替代程控衰减器方案，但需要在终端侧增加单路程控衰减以满足自动化要求，而开关矩阵的最大输入功率一般不可高于27dbm，需要对基站输出口增加固定衰减器进行功率控制。
• 路损、端口数及成本因素统筹规划
基站输出信号对应程控系统的输入，而程控系统的输出决定并行测试线数量，同时，程控系统通道数越大，带来路损的倍数增长。因此，对程控系统的选择不应盲目追求大容量，需根据实验室内模拟网规模和测试线数量平衡考量。
自动化测试的实现主要通过控制软件和测试脚本进行，控制软件可以对程控衰减器的每一路信号按照0.5db的步进值进行衰减，测试工程师根据测试用例要求编写对应脚本对信号自动化控制，模拟出小区开/关、近/中/远点等静态场景和切换、重选等动态场景。
5g实验室模拟网测试需求和挑战
5g商用后，对测试效率的追求让实现模拟网测试自动化成为重要议题。同时，5g系统对大规模天线阵列的应用，使得手动测试效率极低，更让自动化测试成为模拟网测试的基础需求。
然而，5g模拟网测试系统建设远不是在4g多模系统中叠加5g设备那么简单，其挑战表现在以下方面：5g需要考虑nsa模式和sa模式并存，使得多模系统复杂度显著提升；5g宏基站主流配置为64天线或128天线，终端要求4天线接收，为满足4×4 mimo功能和性能测试，对通道数量规模和线缆间隔离度要求极高；5g工作于更高频点、更大带宽，而5g基站单天线口发射功率相对于4g降低不少，这对测试系统的路损要求极高；5g空口更高阶的信号调制，需要极低的链路evm特性以及sinr特性，这对测试系统抗干扰能力以及测试设备非线性特性都提出了新要求。
5g模拟网测试空口自动化测试方案
面临上述挑战，首先要实现模拟网的空口自动化，即如何将5g信号融入到现有的4g多模自动化程控测试网络中。通过表1路损比对分析不难看出，在4.9ghz频段工作的硬件与2.6ghz相比，单位路损明显提升。为了在终端侧获得-75dbm的极好点场景，必须减少信号路径中的器件数量，并对元器件进行严格选型。
例如，建设一套sa/nsa混合测试环境，按照5个lte小区和5个5g nr小区规划，每个lte小区和5g nr小区均需要考虑4天线口输出，因此输入信号需求为40路。如果需要建设4条测试线，每条测试线的输入也是4路，则程控系统的输出需求为16路。综合考虑选用两台32路输入16路输出的程控衰减器并联，这样既可满足当前需求，同时预留24路输入用于后期扩展。5g sa/nsa程控自动化测试系统硬件架构如图3所示。
这样的设计使每个测试点都同时具备lte信号和nr信号，测试能力翻倍。其中，32×16程控衰减矩阵是一个双向非阻塞的矩阵切换系统，它有32个输入端口和16个输出端口，由512个程控衰减单元组成，每个程控衰减单元的衰减范围为0~63db，每个程控衰减单元都能独立控制信号衰减，用于调节不同信道信号能量值。而基站与程控系统之间，程控系统与测试终端之间的连接应尽量选择低阻抗线缆，并精确计算基站与终端间的连线距离，以达到在终端侧获得-75dbm极好点场景的目标。更重要的，为形成4×4 mimo场景，需在终端侧重点考虑四天线的隔离度，尤其是终端通过屏蔽箱内天线实施空口测试时，应优选双极化天线。
由于在硬件规划和设计时充分保障了终端侧信号强度，形成的各条测试线都能满足严苛的性能测试要求，而对信号强度要求略低的功能测试线则可进行拆分，形成更多并行环境，提升效率。在硬件环境保证了系统基本架构和信号质量后，自动化测试主要通过软件实现。自动化测试系统软件架构如图4所示。
5g模拟网自动化测试能力建设主要分为三个阶段，见表2。
当前，系统侧的自动化能力还处于第一阶段，系统、终端和芯片厂家及各类第三方实验室最成熟的自动化方案还是基于程控衰减器开发自动化信号控制脚本，根据测试场景要求，对5g sa和nsa基站的信号强度进行精确控制，模拟出终端在各类信号条件下的测试场景。
而终端侧的自动化能力已进入第二阶段，通用性测试方案基于at指令，对通信芯片发起语音、数据下载等基础业务，实现自动化拨测。一些手机厂家不满足于基础业务的自动化，开发了基于自身操作系统的自动化测试应用程序，可以控制发起各类手机应用（app），但只能对少数应用进行带反馈的交互。而系统和终端的自动化控制软件之间，主要还是通过时间同步，这就导致如果其中一方出现问题，对方无法做出相应判断和调整，只能按预设程序继续执行。
现阶段还处于5g商用初期，终端产品的自动化测试对系统侧的配合要求并不严格，即使是无交互的测试场景也能暴露大量问题。但随着产品稳定性不断提升，自动化测试能力也面临不断增强的压力，实现第二阶段和第三阶段自动化的方案正在酝酿当中。
5g模拟网自动化测试展望
随着5g普及，海量应用将创造出各类新形态终端，为5g模拟网的自动化测试技术提出更高要求。首先，终端稳定性测试要求长时间烤机和各类应用的自动化运行，需要系统与终端高度协调的自动化控制系统；其次，对系统测的自动化配置不仅满足于对信号强弱的控制，对系统设备的参数配置将是未来自动化测试方案的重要研究方向；第三，随着网络切片和边缘计算技术的商用，测试对象将从设备转向应用和体验，针对用户场景的全网络自动化模拟测试将应运而生。（作者来自中国信息通信研究院技术与标准研究所）
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4g系统与前几代组成多模异构网络，使实验室模拟网建设面临测试场景复杂度提升和全场景覆盖能力提升的新需求，除了对多模多制式的考虑，多设备厂家甚至多家电信运营商覆盖场景的需求使模拟网建设和测试复杂度迅速提升。
终端产品的模拟网测试面临两大难题：一是多小区网络覆盖的测试环境难以通过手动方式实现多路信号控制；二是多模多频网络建设成本极高，必须实现多测试线复用。因此，系统厂家在建设多小区测试环境时用到的程控衰减方案逐渐成为自动化测试的主流实现方式。2013年中国信通院技术与标准研究所mtnet实验室建成业界首套涵盖td-lte/lte fdd/td-scdma/wcdma/gsm/cdma制式的全模多频室内外一体化测试系统，并将2g、3g和4g信号实现资源池化管理，通过程控衰减系统，形成了4g多模终端模拟网自动化测试能力，成为业界模拟网自动化测试方案最完整的应用。4g多模终端模拟网自动化测试方案如图2所示。
这种基于程控衰减器构建的模拟网自动化测试方案包括软件和硬件两个部分，硬件包括程控衰减器、连接线缆和元器件，软件为控制软件和测试脚本。首先，需要根据模拟网的规模和测试能力进行技术规划和设备选型。
• 精确路损估算
射频信号从基站天线口通过程控衰减器，经过多跳射频线缆及连接器，最终到达终端天线口或屏蔽箱，中间需要对测试设备和连接件路损进行精确估算。考虑能模拟远、中、近点测试，一般要求到达终端天线口功率不低于-75dbm（极好点）。例如，一台2.6ghz的td-lte基站输出功率为33dbm，一套32×8的程控衰减器路损为31.5db，这就要求其他线缆和连接器的合计路损不大于76.5db，如果终端侧不是线缆直连，而是使用屏蔽箱内置天线进行空口测试，还需考虑屏蔽箱40db的路损，那么对线缆和连接器的合计路损要求则达到36.5dbm，对测试线的距离规划极具挑战。对于一些物理距离较长，合计路损难以达标，而对基站共用需求不高的实验室，可考虑选择程控开关矩阵替代程控衰减器方案，但需要在终端侧增加单路程控衰减以满足自动化要求，而开关矩阵的最大输入功率一般不可高于27dbm，需要对基站输出口增加固定衰减器进行功率控制。
• 路损、端口数及成本因素统筹规划
基站输出信号对应程控系统的输入，而程控系统的输出决定并行测试线数量，同时，程控系统通道数越大，带来路损的倍数增长。因此，对程控系统的选择不应盲目追求大容量，需根据实验室内模拟网规模和测试线数量平衡考量。
自动化测试的实现主要通过控制软件和测试脚本进行，控制软件可以对程控衰减器的每一路信号按照0.5db的步进值进行衰减，测试工程师根据测试用例要求编写对应脚本对信号自动化控制，模拟出小区开/关、近/中/远点等静态场景和切换、重选等动态场景。
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5g商用后，对测试效率的追求让实现模拟网测试自动化成为重要议题。同时，5g系统对大规模天线阵列的应用，使得手动测试效率极低，更让自动化测试成为模拟网测试的基础需求。
然而，5g模拟网测试系统建设远不是在4g多模系统中叠加5g设备那么简单，其挑战表现在以下方面：5g需要考虑nsa模式和sa模式并存，使得多模系统复杂度显著提升；5g宏基站主流配置为64天线或128天线，终端要求4天线接收，为满足4×4 mimo功能和性能测试，对通道数量规模和线缆间隔离度要求极高；5g工作于更高频点、更大带宽，而5g基站单天线口发射功率相对于4g降低不少，这对测试系统的路损要求极高；5g空口更高阶的信号调制，需要极低的链路evm特性以及sinr特性，这对测试系统抗干扰能力以及测试设备非线性特性都提出了新要求。
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例如，建设一套sa/nsa混合测试环境，按照5个lte小区和5个5g nr小区规划，每个lte小区和5g nr小区均需要考虑4天线口输出，因此输入信号需求为40路。如果需要建设4条测试线，每条测试线的输入也是4路，则程控系统的输出需求为16路。综合考虑选用两台32路输入16路输出的程控衰减器并联，这样既可满足当前需求，同时预留24路输入用于后期扩展。5g sa/nsa程控自动化测试系统硬件架构如图3所示。
这样的设计使每个测试点都同时具备lte信号和nr信号，测试能力翻倍。其中，32×16程控衰减矩阵是一个双向非阻塞的矩阵切换系统，它有32个输入端口和16个输出端口，由512个程控衰减单元组成，每个程控衰减单元的衰减范围为0~63db，每个程控衰减单元都能独立控制信号衰减，用于调节不同信道信号能量值。而基站与程控系统之间，程控系统与测试终端之间的连接应尽量选择低阻抗线缆，并精确计算基站与终端间的连线距离，以达到在终端侧获得-75dbm极好点场景的目标。更重要的，为形成4×4 mimo场景，需在终端侧重点考虑四天线的隔离度，尤其是终端通过屏蔽箱内天线实施空口测试时，应优选双极化天线。
由于在硬件规划和设计时充分保障了终端侧信号强度，形成的各条测试线都能满足严苛的性能测试要求，而对信号强度要求略低的功能测试线则可进行拆分，形成更多并行环境，提升效率。在硬件环境保证了系统基本架构和信号质量后，自动化测试主要通过软件实现。自动化测试系统软件架构如图4所示。
5g模拟网自动化测试能力建设主要分为三个阶段，见表2。
当前，系统侧的自动化能力还处于第一阶段，系统、终端和芯片厂家及各类第三方实验室最成熟的自动化方案还是基于程控衰减器开发自动化信号控制脚本，根据测试场景要求，对5g sa和nsa基站的信号强度进行精确控制，模拟出终端在各类信号条件下的测试场景。
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