5G信道建模与性能测试方法

专题：移动通信（5G）测试

网络信息技术是全球研发投入最集中、创新最活跃、应用最广泛、辐射带动作用最大的技术创新领

域，是全球技术创新的竞争高地。我国在5G通信系统设备开发与制造方面全球领先，在通信技术应用领

域正在全面走向国际前列。但是在影响通信技术方向长远发展的颠覆性技术的孕育环境及验证能力方面

仍然有待进一步加强。在面向上述创新链的验证环境建设中，通信测试技术是推动关键技术突破、支撑

国际标准工作、打造未来应用潜力的重要基础，是建设具有国际影响力的网络通信领域创新链验证平台

的关键组成部分，是打造网络通信技术创新链“镜子”的核心支撑技术。通信测试技术的深入研究，有

助于改变跟随式研究情况，强化我国通信与网络领域优势，实现通信与网络发展的前沿技术和具有国际

竞争力的关键核心技术的突破。

中国工程院院士/北京邮电大学教授

2021年2月10日

十九届五中全会提出，坚定不移建设制造强国、质量强国、网络强国、数字中国，推进产业基础高

级化、产业链现代化，提高经济质量效益和核心竞争力。要建设质量强国，锻造高质量产品，过硬的测

试技术与测试装备是前提。随着我国信息通信产业进入全球前列，作为产业链的关键环节，测试技术与

仪器仪表装置也面临研发超前一步、精准度提高一步、系列产品扩大一步等迫切需求。这需要企业与高

校、研发机构等携手前行，潜心研究测试技术，匠心创新产品研发，为推动我国信息通信业的高质量发

展奉献我们的力量。

中国信息通信研究院副院长

2021年2月10日

通信测试是国家新一代信息技术创新工程的重要组成部分。通信测试客观中立、高于被测方精度的

技术门槛，决定了通信测试机构作为设备商和运营商之外的第三方，肩负了不同而重要的责任。移动通

信产业的快速发展，给产业链的各个环节提出了更高的要求，不断研发新的测试形态和测试方法是不得

不面对的考验，这无疑给我国通信测试产业带来了较大的压力和一定的制约，但也是重新探索新的发展

定位和路线的契机。运营商引领需求，设备商引领技术，测试商是跟随还是引领？如果引领，又应该引

领什么？都是值得我们思考的。

南京信息工程大学电子与信息工程学院院长

2021年2月10日

专题：移动通信（5G）测试 ·14·

专 题 导 读

通信测试包含测试方法、测试技术和测试服

《5G毫米波OTA测试技术》分析了毫米波OTA

务等内容，是通信行业开展理论与技术验证、产

品质量评价以及网络建设与维护的支撑性环节。

随着5G的到来，更高的网络容量、数据速率和更

低的时延等特性要求，以及毫米波、物联网、车

联网等新元素的引入，为传统通信测试带来了新

的挑战。本期专题邀请国内从事移动通信测试的

主要检测机构、高等院校、科研院所、设备制造

商和电信运营商的科研人员，针对这些热点问题

的研究与读者进行交流。

基站和终端在实际外场环境下的吞吐量性能

对用户体验至关重要，在室内精确建模和复现外

场信道环境是支撑其测试的重要环节。《5G信道

建模与性能测试方法》介绍了5G信道建模方法，

提出了实验室MIMO OTA性能测试解决方案，探

讨了测试系统的发展方向。

终端测试是移动终端研发、生产、入网的关

键环节，评估天线系统辐射性MIMO测试是终端

测试的重要内容。《5G终端MIMO OTA测试方法

研究现状与展望》论述了4G MIMO OTA测试方

法对于5G终端测试的适用性，分析了5G毫米波

终端测试需求、系统模型和测试原理。

在5G网络支持下，车联网作为5G应用重点

向着协同化和智能化发展。针对整车产品通信性

能评估这个热点问题，《面向汽车的MIMO OTA

测试技术》研究了基于多探头吸波暗室的汽车空

口测量MIMO OTA系统搭建方法，并针对整车空

口测试提出了一种低成本解决方案。

为满足5G新型应用及其多样化场景和高性能

需求，高频段和低频段需要协同发展。目前低频段

作为5G基础频段，已经广泛部署，毫米波作为重

要补充频段，在5G商用前期还未得到充分应用。

测试关键技术，提出了5G毫米波大带宽OTA测

试系统建设方案，为未来网络升级做技术准备。

移动通信扫频仪是测试网络特性的重要仪

器，通过小区搜索，检测空间的多个基站射频信

号，进行无线网络覆盖等指标测试，为移动通信

网络的建设、校准及故障排除提供必要支持。《5G

NR的小区搜索改进算法》提出了一种5G NR小

区搜索改进算法，降低了算法复杂度，有效提高

了检测效率和整体小区搜索性能。

移动通信网络维护和优化是保持网络高速稳

定运行、提升用户感知质量的重要举措，《城市场

景5G eMBB网络速率提升研究与应用》通过对

5G网络遍历测试数据进行聚类分析，提出了复杂

城市场景下5G eMBB网络部署后快速提升网络

速率的方法，并对不同场景下不同业务需求的业

务质量优化给出建议。

物联网技术的大规模商用，带来了大数量、

多种类、多形态的物联网终端评测需求，《物联网

终端评测体系发展研究》提出了包含基础性、功

能性和安全性3个维度的物联网终端评测体系，

以及感知、网络和业务终端的主要测量指标。对

促进物联网产业成熟、推进标准化进程和保障网

络安全具有指导作用。

专题策划人：

程方，南京信息工程大学科技产业处副处

长、教授，中国通信学会通信测试专业委

员会委员，长期从事通信技术与网络、测

试技术与仪器仪表方向的科研和教学工

作，承担国家重点项目、省部级重大重点

项目十余项。获得一项国家科技进步奖二

等奖，一项国家教学成果奖二等奖，两项

省部级科技进步奖，两项省部级教学成果奖，授权发明专利

十余项。

专题：移动通信（5G）测试

5G信道建模与性能测试方法

魏贵明，张翔，郭宇航，乔尚兵

（中国信息通信研究院，北京 100191）

摘 要：随着5G移动通信系统的快速发展，5G基站和终端在实际外场环境下的吞吐量性能对用户体验至关

重要。如何在室内精确建模和复现外场信道环境，成为学术界和产业界的研究热点。介绍了4G和5G的信道

建模方法，并针对5G终端设备，阐述了目前实验室多输入多输出（multi-input multi-output，MIMO）空口（over-

the-air，OTA）测试解决方案的优势，然后给出了具体的OTA信道建模原理描述以及吞吐量仿真结果，以期

为相关工作提供参考。

关键词：5G；吞吐量；信道建模；空口测试

中图分类号：TP393

文献标识码：A

doi: 10.11959/.1000−0801.2021034

Channel modeling and performance test method for 5G

WEI Guiming, ZHANG Xiang, GUO Yuhang, QIAO Shangbing

China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China

Abstract: With the rapid development of 5G wireless communication system, the throughput of 5G gNB and user

equipment (UE) in the practical field environment is of great important. How to generate the accurate model in lab,

which can represent the propogation condition in the field, has drawn great interests from both the academic and in-

dustrial communities. The channel modeling methods of 4G and 5G were introduced, and for 5G UE testing, the ad-

vantages of the multi-input multi-output (MIMO) and over-the-air (OTA) performance test solution were showed.

Then, a detailed description of the OTA channel modeling principle and throughput simulation results were given in

order to provide reference for related work.

Key words: 5G, throughput, channel modeling, over-the-air testing

1 引言

2019年6月6日，工业和信息化部正式为中

国移动、中国联通、中国电信和中国广电4家企

业发放5G移动通信牌照，意味着中国在移动通信

领域正式从长期演进（long term evolution，LTE）

收稿日期

：2020−09−18；

修回日期

：2021−02−04

通信作者

：张翔，********************.cn

进入5G时代。传输速率的大幅提升和端到端时延

的明显降低为移动互联网、车联网、工业互联网

等业务的发展提供了有力支撑，目前已经有超过

300个运营商在100多个国家和地区部署商用5G

网络或正在进行5G试验。

为提升频谱效率和系统容量，从已经成熟的

专题：移动通信（5G）测试

4G LTE到现今的5G NR，诸多新技术被广泛应

用：Sub 6G、毫米波和大规模天线都是其中的典

型代表

[1]

。新技术的应用也带来了信道建模方案

的变更以及终端性能测试方法的革新。传统的测

试方案采用线缆直连信道模拟器的方式，仅可评

估终端基带的性能，且不适用于大规模天线阵列

的测试

[2]

。为解决该问题，5G的通用方案是采用

多探头吸波暗室（multi-probe anechoic chamber，

MPAC），利用OTA暗室建立一个无反射的自由空

间，使用多角度的探头天线模拟出目标信道环境，

从而将目标信道搬移到实验室，以评估终端的整

体性能。

为精准实现MIMO OTA测试系统构建，将信

道模型在实验室中进行真实的复现，信道建模的

理论与技术显得至关重要。随着大规模MIMO的

应用，信道模型的构建也日趋复杂完善。第三代

合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，

3GPP）在TR38.901中提出了适用于0.5～100 GHz

的信道模型

[3]

，信道由传统增强随机信道模型

stochastic channel model enhanced，SCME）的二

维模型升级为三维，且对传播簇的数量和应用场

景进行了进一步的划分。

2 信道建模

信道模型按照建模方式可以分为两大类：基

于相关性矩阵的信道模型以及基于几何的随机信

道模型（stochastic channel model，SCM）

[4]

，前

者通过预先设定的相关性矩阵，乘以多径衰落生成；

后者依托发送端和接收端的几何地理关系，确定不

同传播路径发送和接收端的角度、功率、相位等信

息。相关矩阵信道模型的最大优势是模型不确定性

小，测试结果稳定，但是由于其无法确定传播方向，

因此不能用于波束成形技术的验证。从LTE中后期

至5G阶段，性能测试均倾向采用SCM模型。

2.1 LTE SCME

LTE阶段，广泛采用的信道模型是增强的SCM

·16·

（SCME）

[5]

，适用于中心频率为6 GHz以下、带宽

为100 MHz的系统，可模拟3种不同的外场环境：

市区宏小区（urban macro，UMa）、郊区宏小区（rural

macro，RMa）以及市区微小区（urban micro，UMi）。

SCME中独立的传播链路（簇）共6条，簇被进一

步细分为具有不同时延与子径数的中径，使得大带

宽系统的信道模型能够体现出频率选择性衰落。各

个子径除了具有各自特定的离开角、到达角等角度信

息和时延信息之外，簇内的子径功率还呈现一定的功

率分布（如拉普拉斯分布），该分布的标准差即簇的

角度扩展。SCME信道模型生成流程如图1所示。

2.2 5G信道模型

3GPP在无线电接入网（radio access network，

RAN）第69会议上批准了关于“6 GHz以上频谱

的信道模型”的研究。该模型基于前期三维

SCM

[3]

，针对场景、频率、带宽等指标进行升级。

新的信道模型适用范围如下。

y 支持的场景包括城市微蜂窝街道峡谷、城

市宏蜂窝、室内办公室和农村宏蜂窝。

y 频率支持0.5~100 GHz，带宽最高支持中心

频率的10％，但不超过2 GHz。

y 支持链路一端的移动性。

y 采用簇时延线（cluster delay line，CDL）

建模方式。

y 支持视距（line of sight，LOS）和非视距

（none line of sight，NLOS）模型。

y 终端移动速度高达500 km/h，被测设备支

持大型天线阵列。

5G信道模型的生成流程与SCME类似，两种

信道模型对比见表1。

3 MIMO OTA测试系统架构

3.1 传统线缆直连方案

在LTE系统中，传统低频基站和终端芯片的

性能测试主要采用线缆级联的方式。测试系统由

基站（或综测仪）、信道模拟器和终端组成。信道

（

·17· 电信科学 2021年第2期

图1 SCME信道模型生成流程

表1 两种信道模型对比

模型

类型

簇的数目

分类

是否支持LOS径

天线

维度

角度参数

LTE SCME

几何模型

5G

几何模型

6 12+(NLOS)/20+(LOS)

宏小区、微小区、室内或热点

是

线性

二维

局部

A/B/C/D/E

是

阵列

三维

全局

模拟器内运行包含路径衰落、阴影效应、快速衰

落、基站天线模型、终端天线模型在内的信道模

型，模拟基站与终端之间由于空间传播带来的损

耗，若单台信道模拟器的射频端口数量不够，可

采用多台信道模拟器级联使用。通过如图2所示

的系统，可以测试基站和终端在衰落场景下的吞

吐量性能，但是传统线缆级联的性能测试方法存

在以下问题。

y 5G采用的毫米波频段链路损耗较大

[6]

，

基站和终端将无法引出测试端口，线缆

级联的测试将因为没有测试连接端口而

失效。

y 大规模MIMO基站通道数过多，以64通

道基站为例，若需测试8流传输的性能，

需要信道模拟器同样具备64收、8发的双

向射频能力，具备1 024路逻辑通道。仪表

成本昂贵，连线过程复杂。

y 大规模天线阵列基站主要通过成形技术产

生分集增益和复用增益，而线缆级联的测

试方式屏蔽了模拟波束成形部分，测试结

果与基站在实际场景下的性能不符。

出于成本原因，毫米波gNB的射频通道数与

低频基站相比大幅减少，通常为2个或4个。每

一个射频通道对应大量的有源天线，一个毫米波

gNB的天线数量可高达1 024根。利用混合波束

成形、波束跟踪等技术，克服较大的路径损耗，

专题：移动通信（5G）测试 ·18·

输。信道模型需升级带宽至100 MHz，射频通道

数量至少为4×16。MIMO OTA三维多探头测试系

统结构如图3所示。除去在水平维度的探头环之

外，系统还在该环直径形成的球面上，按照相等

的仰角在上下方分别摆放一个探头环，每个环上

等角度间隔均匀地摆放探头。上中下3个环分别

图2 传导性能测试系统连接

放置4根、16根、4根双极化天线。

目前3GPP RAN4已经明确5G终端MIMO

OTA测试信道模型、探头布局、转台旋转方式、

静区空间相关性等关键指标。5G综测仪下行信

号经过信道模拟器添加衰落信道模型，为保证

终端接收功率强度，信道模拟器出口信号添加

固定增益的低噪声功率放大器。面向信道模型

中的不同来波角度和角度功率谱分布，采用凸

优化的方式，完成同一个簇在不同探头上的功

率分配，但是目前标准的5G MIMO OTA测试

系统存在如下瓶颈。

y 不支持上行性能测试：由于5G的商用频点

高于LTE，路径损耗较大，对终端上行发

射信号功率及质量要求高，5G终端上行链

路的设计挑战大。

y 不支持多种5G物理层关键技术：由于综测

仪功能限制，标准的MIMO OTA系统不支

持三维波束成形、波束跟踪、自适应编码

调制、混合自动重传等。

y 不支持大尺度模拟：目前的MIMO OTA系

实现有限距离下超大带宽、超高速率、超低时延

的数据传输。正如前文所述，由于毫米波缺乏可

供线缆连接的物理射频接口，必须通过空口测试

方案进行性能验证。

3.2 OTA测试系统

为了克服传导测试无法模拟终端天线的劣

势，LTE和5G的终端整机性能测试目前都倾向

于采用OTA方式

[7]

。LTE的MIMO OTA方案已

经在3GPP完成讨论，5G测试方案正在讨论中。

该方案通过电波暗室建立一个无反射的自由空

间，将衰落信道模型在实验室中进行真实的复现。

目前主流的MIMO OTA方案包括多探头法、混响

室法和两步法

[8]

。多探头法由于理论精确和复现

性好，成为目前的主流方案。

Sub 6 GHz的5G终端MIMO OTA测试系统

可沿用LTE的消音暗室、双极化探头、转台、功

放等设备，仅需对仪表进行功能和性能升级。综

测仪需支持5G终端连接，并能够进行下行业务传

图3 MIMO OTA三维多探头测试系统结构示意图

·19·

统仅模拟小尺度快衰模型，不支持阴影衰

落和路径损耗的环境模拟。

在此阶段，终端设备厂商和运营商均尝试采

用真实5G基站替代综测仪，同时增加上行低噪放

和信道模拟器通道，实现上下行双向互易信道模

拟。并可通过调相网络设备对信道模型进行降维，

实现5G终端的精确性能测试。

4 MIMO OTA测试系统实现

4.1 MIMO OTA信道建模

OTA信道模型的构建，需要在暗室中还原每

个簇的时延、功率、方位角以及交叉极化比等信

息，具体CDL（common channel date link，公共

信道数据链）参数可以依照相关的信道建模标准

3GPP TR38.901）。而其难点在于对OTA暗室

中不同天线探头赋予不同的权重因子，从而模拟

CDL簇的定向传播与角度拓展。

在MPAC系统中，有两种较为通用的探头赋值

算法，即预衰落合成（prefaded signal synthesis，PFS）

法和平面波合成（plane wave synthesis，PWS）法。

而PFS算法由于不受系统的相位波动影响，鲁棒性

更强，其弱点在于无法精准模拟角度拓展很小的直

射径信号。本文重点对PFS算法进行介绍。

在PFS算法中，选择空间相关性作为对信道的

空间特性建模的评价因子。空间相关性是接收信号相

似性的统计量度。OTA探头设置示意图如图4所示。

AoA以角度为

φ

p

的平面波射入间距为d的天线阵

列，天线法向与水平面夹角为

φ

a

,

φ

是平面波相对于

天线元向的角度。忽略天线极化，对于一对天线u

和v而言，假设终端天线是理想的点源天线，对于信

道模型下的连续功率角频谱，可以写为

[8]

：

ρ

Target

(

d

VAP

,

φ

a

)

=

∫

π

⎧

−

π

exp

⎨

⎩

−

j

2π

λ

(

r

)

φ

⎫

u

−

r

vp

⎬

⎭

P

(

φ

p

)

d

φ

p

=

（1）

∫

π

⎧

−

π

exp

⎨

⎩

−

j

2π

d

VAP

λ

sin(

φ

p

−

φ

⎫

a

)

⎬

⎭

P

(

φ

p

)

d

φ

p

电信科学 2021年第2期

其中，

P

(

φ

)

是信道的角度功率谱，其分布满足

∫

π

−

π

P(

φ

)d

φ

=1。

图4 OTA探头设置示意图（

θ

i

是第i个探头的角度位置）

也就是说，对于定义的连续PAS，空间相关

性是成对的虚拟天线之间的距离和相对位置（角

度）的函数。在MPAC中，信道模型中的连续PAS

由来自离散多探针天线的信号模拟，可以通过式

1）推导得出。测试区域中离散天线探头的空间

相关函数为：

ρ

2πd

VAP

⎫

OTA

(

K

d

⎧

VAP

,

φ

a

)

=

∑

ω

k

exp

⎨

⎩

−

j

k

=

1

λ

(

θ

k

−

φ

a

)

⎬

⎭

（

2

）

其中，

ω

k

是第

K

个探头的权重。

衡量

OTA

建模标准的评价因子是空间相关性

误差，即

ρ

OTA

−

ρ

Target

，需要注意的一个限制是

探头权重要满足归一化条件，且不能小于

0

。因此，

目标函数是：

min|

ρ

2

ω

OTA

−

ρ

Target

|

2

s.t.

ω

1

=1,0≤

ω

i

≤1,i∈[1,N]

（3）

通过此方案，可以计算出每个簇在各个探头

的权值映射关系，代入信道公式的对应链路，即

可还原出标准中所定义的信道模型。

（如

（

专题：移动通信（5G）测试 ·20·

4.2 吞吐量性能仿真

峰值要低于NLOS信道。这表明，反射和散射

径所带来的系统吞吐量提升，对于终端性能尤

为重要。

目前5G的低频基站通常采用64个发送和接

收通道、192根天线的配置，即1个射频通道映射

为3个相同极化方向的阵子。支持同时并行传输

高达16流的独立数据，与传统8天线2流的基站

数据传输方式相比，在不增加系统带宽的情况

下，基站的峰值速率提升8倍。5G低频终端多

采用4根天线配置，支持下行4流接收和上行1流

发送。以中国移动商用的带宽和时隙配比为例，

峰值速率约为1.6 Gbit/s，远高于目前商用的

LTE网络。

衰落场景单用户不同信噪比下吞吐量比较如

图5所示，采用水平8探头吸波暗室环境，通过CDL

信道仿真计算的不同速度下终端的吞吐量结果。

由仿真结果可以看到，在5G的大规模MIMO

天线配置下，单用户吞吐量可以达到近乎峰值。

在信道质量好（SNR高）的情况下，LOS信道的

5 结束语

终端性能测试作为5G技术与应用的重要环

节，对于优化终端设计方案、推进5G商用、反哺

5G理论体系都有极其重要的意义。本文着眼于5G

终端性能测试系统的构建，从信道理论、OTA系

统架构、建模技术以及吞吐量仿真等各个维度，

通过传统方案与新技术的对比分析，给出了进行

OTA性能测试的必要性与优越性，指明了测试系

统未来的发展方向。

参考文献：

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NI S J, ZHAO J H. Key technologies in physical layer of 5G

图5 衰落场景单用户不同信噪比下吞吐量比较（3.5 GHz，100 Mbit/s带宽）

·21·

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thod and channel modeling principle in MIMO OTA[J]. Radio

& TV Broadcast Engineering, 2014(12): 121-130.

电信科学 2021年第2期

[作者简介]

魏贵明（1970− ），男，中国信息通信研究

院移动通信创新中心常务副主任，主要研究

方向为移动通信技术标准、产业组织和发展

策略等。

张翔（1984− ），男，博士，中国信息通信

研究院移动通信创新中心副主任，主要研究

方向为大规模天线技术、5G OTA测试方法、

基站和终端的射频与性能测试技术等。

郭宇航（1993− ），男，中国信息通信研究

院移动通信创新中心工程师，主要研究方向

为模拟外场测试系统构建、OTA性能测试技

术、5G FR1信道建模技术、无线产品的性能

测试与标准化。

乔尚兵（1994− ），男，中国信息通信研究

院移动通信创新中心工程师，主要研究方向

为大规模天线技术、5G毫米波信道建模技术、

OTA终端性能测试系统构建、无线产品的性

能测试与标准化。