5G车载通讯模组测试：为智能汽车驾驶体验带来新
5G车载通信模组测试为智能汽车驾驶体验带来新突破
当前，全球5G规模商用部署已进入“快车道”，在网络条件日趋成熟的背景下，车联网产业迅速发展，已经开始改变普通大众的驾驶体验和日常生活。完整的车联网业务需要人、车、路协同，基于蜂窝移动通信、V2X等基础设施，与大数据、人工智能网络协同，提供包括自动驾驶、高级辅助驾驶、智慧交通等全新业务体验。现阶段V2X相关路侧设施产业尚处于技术示范阶段，车企为了打造初级辅助驾驶、智能座舱、车载信息娱乐等可以直接提升驾驶体验的方案，越来越关注车载通信模组尤其是5G通信模组的通信质量。5G商用网络经过多年与手机、行业终端的协同发展和优化，条件较为成熟，发挥了车联网产业第一阶段基础设施的作用。
随着汽车制造行业越来越关注车载通信系统在5G网络中的表现，车企也开始自建模拟网实验室用于实现更细化的5G车载通信模组测试。本文介绍了针对5G多模通信模组进行模拟网测试的技术挑战和基本方案，涵盖功能测试、性能测试和稳定性测试等，并分享了实践经验。
5G多模模拟网实验室测试发展现状
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。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“门槛”，避免故障进入外场测试阶段。到了5G阶段，各大终端、芯片和模组厂家开始自建大规模模拟网测试环境，将模拟网测试向研发阶段前移，其重要程度也显著提升，主要原因在以下方面。
一是商用网络“四代同堂”，测试不仅要解决5G单模问题，还需要解决5G与4G、3G甚至2G的互操作问题，测试难度提升，测试用例增加，测试周期必然大幅拉长。
二是为了获得最佳用户体验，基础性的功能、兼容性、互操作测试已经无法满足终端厂家对通信性能的极致追求，将模拟网作为信号源，利用空口信道模型完成针对基带芯片、射频前端和天线的测试及优化成为主流终端厂家的重要研发环节。
三是设备稳定性不断提升，传统的“外场测试出现问题后回到实验室复现解决”的模式已经非常低效，企业利用自建模拟网实验室引入大量的稳定性、自动化测试方案，可以在产品商用前将可能出现的问题提前暴露在实验室。
基于上述目的，近3年来基于模拟网的测试方案普遍应用于终端研发阶段的测试中，从基本的功能性、兼容性测试逐渐演进到性能、稳定性测试。形成了如下几类典型实践。
功能和互联互通测试
作为最传统的模拟网测试类型，功能和互联互通类测试是在产品商用前，在最接近运营商真实网络的环境中对各类业务的功能和互联互通能力进行验证，通过业务拉通各网元间信令流程，对通信协议层面可能存在的问题进行最终验证。该类型测试对模拟网环境配置要求较低，针对重点关注的商用市场，配置对应模式、厂家和频段的小区，接入业务平台，测试工程师通过手动或自动化的方式操作被测终端完成业务流程，配合信令分析软件或路测软件定位并分析故障。
网络兼容性测试
在通信芯片和终端开发初期，协议一致性测试主要是通过综测仪完成，理论上综测仪、系统设备、终端和芯片都是根据标准化的协议开发，但在实际测试中却出现各类兼容性问题，其主要原因是各厂商对协议理解不一致。为保障自家产品与各系统设备均能兼容，终端厂家需要与各基站、核心网设备厂家完成兼容性测试。，实际商用的核心网和基站配置参数量巨大，在运营商网络中的具体配置千差万别，由于配置差异而导致的外场问题需要在实验室内复现解决，这也属于兼容性测试的范畴。
无线性能优化
在功能和兼容性较为成熟后，终端进入性能的差异化竞争阶段。终端性能表现不仅受限于基带算法，天线设计和优化也起到关键性作用，，需要在确定的空口信道条件下，开展针对性的基带和天线优化。相比综测仪等网络模拟仪表而言，模拟网系统使用与运营商商用网络相同的设备，其容量和处理能力也与运营商商用网络相同，不存在上下行网络能力受限的情况。只有将模拟网作为信号源，配合信道模拟器和空口信道模型，才能构建出最接近真实商用环境的性能测试系统。业界主流终端厂家已经着手建立自有典型无线空口信道场景库，以此作为全系列机型的精准性能优化手段。
稳定性测试
终端稳定性测试是从终端M T B F（Mean Time Beteen Failure）测试的基础上发展而来。为了保证终端内置软件长期运行的稳定性和可靠性，在保证网络通畅的前提下进行软件系统的大容量、高负荷、长时间测试以发现系统故障。考虑到通信质量本身就是影响终端业务表现的关键因素，终端厂家在MTBF测试中引入了蜂窝移动通信网络，将信号强度、信号变化、切换、重配、干扰等因素作为测试条件，大幅提升了终端稳定性测试完整度。部分终端厂家已将网络损伤因素引入MTBF测试条件中，完成之后就能模拟现网全部测试条件，形成完整的模拟网稳定性测试系统，如图1所示。
图1 模拟网稳定性测试系统方案架构
经过多年探索和应用，5G多模智能手机的模拟网测试方案已非常成熟。该测试方案持续帮助企业提升产品质量、优化产品性能，在模拟网基础上实现不断探索创新，为车载通信引入模拟网测试打下了坚实基础。
5G车载通信模组测试的需求和挑战
近两年，越来越多的车企意识到通信系统对整车的重要性，加大了通信系统研发和测试方向的团队建设力度和资源投入，部分车企已经具备自研车载通信模组能力，可以预见，移动通信和汽车制造之间的行业融合将越来越紧密。车载通信模组的测试可以借鉴大量传统终端成熟测试方案，而对于典型的车载场景，需要针对性地开发测试系统或进行现有测试方法的定制化升级，表1为传统终端与车载通信模组测试需求差异对比。
表1 传统终端与车载通信模组测试需求差异对比
针对模拟网相关的测试方向，5G车载通信模组的需求和挑战主要包括以下3个方面。
一是多类型业务并发。车载通信模组需要完成整车运行数据、辅助驾驶数据、信息娱乐数据等多类型业务，对通信性能要求更高。在模拟网测试系统设计的过程中，需要配套对应的各类业务模型，在核心网和业务平台侧的建设规模将比智能手机测试更大。
二是天线模组的差异化设计。车载通信天线不断升级，传统的鲨鱼鳍天线、最新应用的前置板状天线以及未来整车布放的天线系统都会带来不同的通信性能影响。天线的尺寸直接影响模拟网测试线屏蔽室的建设规划，新测试系统的建设需要提前考虑后续整车天线方案的需求。
三是大量高速移动场景和复杂特殊场景需求。大量高速移动场景主要带来多普勒效应和频繁小区间切换的挑战，使得模拟网测试方案从初期就不能只考虑功能测试，需要引入集成了信道模拟器的性能测试模块。，面临隧道、地库、高架桥等复杂特殊场景和恶劣气候环境影响，车载通信测试方案与传统测试方案的差别主要是空口多径传播和小尺度衰落的差异化，这就更依赖空口信道模型的引入。
5G车载通信模组的模拟网测试方案设计
5G车载通信模组的模拟网测试方案设计统筹需考虑功能测试、性能测试和稳定性测试需求，针对特定应用场景和无线性能需求，兼顾成本和收益，以实现较完整的模拟网基础平台和可扩展的各类测试系统。
模拟网基础平台方案
面对日益全球化的汽车市场，国内外车企均面临“出海”需求，模拟网建设应考虑对全球运营商网络的模拟，平台设计须考虑现存移动通信制式和全球主要频段的要求。
核心网
运营商级的商用核心网建设和维护成本极高，且2G、3G、4G和5G的核心网需要全部配置，而全球有4家主流核心网设备提供商，对于模拟网平台建设都是必选。采购4套运营商级核心网对于企业自建模拟网来说投入极高，目前的最优方案是与现有多厂家大型核心网的实验室合作通过远程方式接入，在本地架设核心网用户面网元设备，既保证了用户面业务性能，又保障了测试数据安全，极大节省了投入。
接入网
基站采购是模拟网平台建设的主要投入，应针对全球重点市场确定制式和频段，选择当地运营商主要宏基站供应商的设备。5G基站有AAU和RRU两类站型，如果选择AAU站型则需要配置对应的工装转接板，才能将射频信号以传导方式引出，便于后续各测试系统建设。
射频信号控制
模拟网基站数量多且覆盖多制式，要实现对信号强度的控制、小区间切换和模式间切换，比较高效的方式是通过软件控制将射频信号配置到所需测试线。这就需要引入程控衰减系统，将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，最终到达被测通信模组的天线口或屏蔽室中，程控衰减系统如图2所示。
图2 程控衰减系统示意
基于模拟网的测试系统
基于5G多模车载通信模组的模拟网测试系统主要分为3类，现阶段各种针对性的测试能力都可以归纳在这3类之中。
射频信号控制
主要是完成基本功能和接口协议类相关测试，包括L1/L2/L3协议的NVIOT测试、外场问题复现测试、基本业务测试等。测试系统可以是传导方式或OTA方式，测试工程师根据测试用例预置核心网和基站配置，控制信号强度，完成终端拨测并记录和分析测试结果，功能测试系统的典型测试用例见表2。
表2 功能测试系统的典型测试用例
性能测试系统
主要完成空口性能相关测试，需要在测试环境中配置信道模拟器，将3GPP标准信道模型（如EVA、ETU、EPA、SCME、IMT-A、38.901 CDL等）或外场录制的真实信道模型（如密集城区、高架桥、隧道、地库等）导入，用于性能优化和问题定位。以传导方式构建的性能测试系统主要针对通信芯片算法进行性能优化和评估；以OTA方式构建的性能测试系统可以完成整机和天线性能优化测试，测试环境则需要引入多探头微波暗室。性能测试系统架构如图3所示。
图3 性能测试系统架构
稳定性测试系统
稳定性测试系统需要模拟在不同网络配置和条件下，车载通信模组各类用户行为的长时间烤机测试。
测试系统重点要求3个方面的自动化控制一是被测车载通信模组的自动化拨测，可以通过模组厂家自研或第三方APP实现模拟用户行为的控制；二是射频信号的自动化控制，通过设计和编制脚本控制程控衰减矩阵系统实现小区信号强弱、小区间切换、制式间切换、干扰信号开关等的控制；三是基站的自动化配置，通过基站网管的控制接口实现小区组网控制和参数的配置修改。上述3个方面通过统一管理软件协同控制，并且能将模组侧和基站侧的Log进行自动化比对分析，最终实现完整的稳定性测试能力。稳定性测试系统架构如图4所示。
图4 稳定性测试系统架构
测试线规划设计原则
需求优先原则
在模拟网测试系统建设时，车企需要提前考虑现阶段和未来一段时间内的全球出货地，根据当地运营商和系统厂家设备配置对应的基站站型和频段，在基站设备资源池预留足够的未来扩容空间。根据对自身产品和测试量的考虑，对功能测试线、性能测试线和稳定性测试线数量进行合理规划和配比，其中稳定性测试线需要考虑并行测试的方式和数量，选择建设多条测试线还是可容纳更多被测物的大型测试间。
最低路损原则
基站资源池放置地应设计在与各测试线均靠近的位置，以满足最低路损要求。对信号路损敏感程度从高到低依次为性能测试系统、稳定性测试系统和功能测试系统。性能测试系统在未加载空口信道模型时须保证峰值，一般需要独占小区资源，对性能测试需求较多时可以考虑专门配置基站资源。
结束语
车载通信模组的模拟网测试仍处于起步阶段，且目前以5G多模蜂窝移动通信系统作为主要测试内容，相应场景、模型、脚本的积累刚刚开始。随着车载通信系统的不断发展和完善，未来针对车载通信模组的模拟网测试将向着蜂窝移动通信与短距通信结合、蜂窝移动通信与V2X结合、车载模组测试与整车测试结合的方向进行技术演进，为提升车内、车外通信质量和广大车主驾驶体验作出更大贡献。
本文刊载于《通信世界》
总第917期 2023年4月10日 第7期
原文标题《针对5G车载通信模组的模拟网测试方案研究》
END
作者中国信息通信研究院新一代移动通信测试验证国家工程研究中心高级工程师 陈凯
责编/版式王鹤迦
审核舒文琼
监制刘启诚
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