信息通信测试仪器仪表产业技术白皮书

信息通信测试仪器仪表 产业技术白皮书 中国仪器仪表学会信息通信测试仪器仪表专业委员会中国移动研究院 2023年6月 前言 为加快发展数字经济，促进数字经济和实体经济的深度融合，近年来网络强国、数字中国战略深入实施，信息通信行业与国民经济和社会发展多领域的融合不断深入。作为推动国家数字经济发展的中坚力量，未来几年信息通信行业迈入了高质量发展的关键时期。 为进一步支撑建立高速泛在、集成互联、智能绿色、安全可靠的新型数字基础设施体系，促进信息通信行业的高质量发展，仪器仪表是基础的基础、先行的先行。作为技术和标准验证的双载体，信息通信测试仪器仪表在科学技术研究、标准创新、产品研发、生产制造、商用验证、计量认证等全产业环节中广泛使用，是信息通信产业技术演进和落地的实体标准。尤其是高端仪器仪表，更是一个国家科技水平的综合体现。 中国移动在聚焦“数智化转型、高质量发展”主线，构建以5G、算力网络、智慧中台为重点的新型信息基础设施的过程中，一方面需要依托仪器仪表在多技术、多厂商、多网络叠加的常态中保障网络和产品业务的质量；另一方面，为了更好支撑移动通信、算力网络以及应用安全等领域的新标准、新技术、新产品，也需要同步推动仪器仪表及相应测试测量技术的发展和应用。 本白皮书将面向信息通信关键领域的仪器仪表和测试测量技术进行分析，并希望联合合作伙伴共同推进信息通信测试仪器仪表的生态建设，实现产业需求与仪器仪表的精准对接，从而推动信息通信产业和仪器仪表的协调发展、同频共振。 本白皮书的版权归中国仪器仪表学会信息通信测试仪器仪表专业委员会、中国移动研究院所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本白皮书内容。 目录 第一章国内信息通信测试仪器仪表发展趋势1 仪器仪表是信息通信行业高质量发展的重要保障1 信息通信测试仪器仪表的产业发展1 信息通信测试仪器仪表的技术趋势2 第二章信息通信测试仪器仪表专题分析4 移动通信领域4 移动通信技术发展及测试需求4 移动通信测试仪器仪表的发展及测量挑战6 算力网络领域10 承载网络技术发展及测试需求10 承载网络测试仪器仪表的发展及测量挑战13 应用及安全领域16 应用及安全技术发展及测试需求16 应用及安全测试仪器仪表的发展及测量挑战17 基础测量领域19 示波器需求分析及技术发展19 频率测量仪器需求分析及技术发展21 第三章展望和倡议23 联合编写单位及作者24 第一章国内信息通信测试仪器仪表发展趋势 仪器仪表是信息通信行业高质量发展的重要保障 信息通信测试仪器仪表（下文简称为“仪器仪表”）是信息化和工业化深度融合的源头，是支撑信息通信产业和技术高质量发展的重“器”。仪器仪表作为网络业务及产品质量保证的关键要素，广泛应用于技术研究、设备研发、生产制造、认证计量、现网维护及优化等全行业场景，贯穿产品技术商用的全生命周期。 仪器仪表是典型的“专精特新”产品，其以电子技术为基础，融合了电子测量、射频微波、数字信号处理、计算机、软件、通信协议、人工智能等多学科、多领域的先进技术，由高性能电子元器件构成，具有“高科技、高性能、高价值”的特征。同时，其作为技术和标准验证的双载体，虽然自身工业总产值占比仅4%，但对行业经济的影响达66%，具有独特的产业话语权和技术影响力。仪器仪表泰斗、中国科学院、中国工程院院士王大珩曾精辟地总结仪器仪表是“科学研究的先行官、工业生产的倍增器、军事上的战斗力、生活上的物化法官”。离开信息通信仪器仪表，一切信息技术创新及网络产品质量都无从谈起。 信息通信测试仪器仪表的产业发展 从市场上看，全球电子测量仪器仪表行业2021年市场规模约为140.3亿美 元，预计2025年将以4.7%的年复合增长率增长至172.38亿美元。而仪器仪表是我国除集成电路、汽车外的第三大工业进口商品，我国电子测量仪器仪表市场规模约占全球总市场规模的三分之一，期间CAGR高达11.5%，成为全球电子测试 仪器仪表主要生产和消费市场之一，其中信息通信测试仪器仪表占比超过60%，覆盖了我国通信、IT、半导体、工业电子、智能驾驶等相关产业。 从技术上看，仪器仪表作为测试计量工作的标尺，产品本身的性能指标要求远高于设备。当前信息通信行业新协议、新技术层�不穷，更高带宽、海量连接、高可靠、低时延等网络能力的演进将带来更加复杂多变的网络环境，给测试测量技术提�了许多新的需求和挑战。作为先行者，仪器仪表须跟随着技术发展同步谋划和预研，测试设计将更复杂，其整体研发周期也更长，技术门槛极高。在国内外同行的共同努力下，我国信息通信测试仪器仪表及测量体系已经初步建立。随着5G/6G时代的到来，在更高频率、更宽带宽和更优性能的要求下，仪器仪表尤其是高端仪器仪表跟随着信息通信技术升级迭代，逐步融入千行百业，不断拓展新的应用场景，行业价值将显著提升，产业边际扩张明显。 信息通信测试仪器仪表的技术趋势 高性能 对于单体仪器仪表，电子元器件水平的提高推动测试仪器性能特性大幅提升，关键核心部件的小型化推动测试仪器仪表的高度集成化。特别是高速A/D、D/A变换器、DSP和FPGA等大规模集成电路性能提高，测量电路数字化前移，未来信息通信测试仪器仪表将在分辨率、精度、量程、采样频率等方面进一步突破，实现更高的系统测量性能。超高速数据采集、超高精度测量以及超大规模数据处理成为仪器仪表性能发展的主要方向。 网络化 随着算力网络、6G、空天地一体化等技术的提�与构建，在线的、复杂网络 现场条件下的测试测量需求将迅速增长。未来的测试体系将打破本地环境、单一网络的格局，将云计算、边缘计算等技术框架应用到虚拟仪器和网络仪器上，形成更通用灵活的测试仪器仪表组网，实现多元、异构、协同的一体化大规模测试系统。同时，如何构建网络化测量方法理论、技术和工程系统，以服务未来各类空间测量的需求，也将成为研究的热点。 智能化 随着人工智能技术的发展和普及，其在测试测量系统中的应用将带来颠覆性的改变。技术层面，神经网络、机器学习等智能算法的创新将使得仪器仪表测量从传统的自动化升级到具有场景感知和自适应能力。工程层面，人工智能芯片的应用使得智能化测量的高效实现成为可能，通过优化测量算法、提升核心算力以及AI能力来增强仪器仪表控制面、数据面的处理水平和统计分析能力。 多元融合 众多相关学科紧密交叉融合，越来越成为现代仪器技术，特别是高端仪器技术发展的趋势。一方面，仪器科学与技术的发展借助于当前集成电路、通信、IT等新技术，仪器仪表的测量能力不断提升。另一方面，相关学科发展过程中遇到的难题与需求也为发明新原理的仪器仪表提供了机遇。随着5G、云计算、工业互联网、人工智能等业务的提速，仪器仪表的技术要求和应用范围也驶入了多学科、多领域融合发展的快车道。仪器仪表在集成支持不同协议和网络仿真的基础上，必须要与实际应用紧密结合，进一步提升数字化水平，形成通用与专用融合、硬件与软件融合的测试仪器仪表测量生态，以满足下游不同场景的测试需求。 第二章信息通信测试仪器仪表专题分析 移动通信领域 移动通信技术发展及测试需求 纵观移动通信的发展史，可以发现通信技术约以10年为一代向前演进。衡量通信制式重要因素之一的速率，从GSM的百kbps、WCDMA的十几兆，到LTE的几百兆，再到如今的5G的Gbps以上。移动通信速率极大提升的背后是技术的演进，更高的频率，更大的带宽，高阶的调制方式，MIMO多天线技术等，而网络架构和信令流程也在这个过程中不断优化和发展。 随着5G网络的建设和普及，6G已经提上日程。6G的目标网络性能有了极大的提高：峰值传输速率将达到1Tbps，室内定位精度10厘米，室外1米，时延小于0.1ms，可靠性达到99.99999%，连接密度每立方米万级以上等。为达到预期网络性能，6G需要全新的技术引入，例如超大规模MIMO、太赫兹、智能超表面、空天地一体化等。同时，通信技术的演进也对测试测量技术和仪器仪表提�了极大的挑战。 超大规模MIMO 被广泛认为是6G潜在关键技术之一，这项技术充分利用空间多样性来改善系统的容量、能源效率和频谱效率。 考虑到6G信道数量必不可少的大量增长以及可能的高波段使用，超大规模MIMO测试测量方法需要在射频通道数、基带处理、测试时间和成本之间找到一 个合理的平衡点，比如使用OTA测试来代替电缆的传导测试。而OTA需要测试设备结合暗室来进行，这对暗室的尺寸是非常大的考验。如想使用远场定义范围内的暗室，暗室尺寸会变的非常巨大，导致测试成本急剧增加。为此，可能需要考虑更现实可行的方案，比如紧缩场天线测试技术。 太赫兹通信 太赫兹是指频谱在0.1～10THz之间的电磁波，是一种介于微波与光波之间的全新频段。太赫兹通信频谱资源丰富、传输速率高（Tbps级），是未来移动通信中可能采用的优势型宽带无线接入通信技术。此外，太赫兹通信还具波束窄、方向性好、抗干扰能力强、穿透性强、能量效率高等特点。 考虑到太赫兹通信系统Tbps量级的传输速率，将对高速率、大带宽信号的测量带来极限挑战。此外，为了实现信道表征与度量，还需针对太赫兹通信不同场景进行信道测量与建模，建立精确实用化的信道模型，这也对信道探测与仿真提�了新的要求。 可见光通信 可见光通信指利用400-800THz频谱的高速通信方式，具有免授权、高保密、绿色辐射等特点，适合于室内场景、空间通信、水下通信等特殊场景以及医院、加油站等电磁敏感场景。 智能超表面 智能超表面采用可编程超材料，通过主动智能调控，形成幅相、极化可控的电磁场，实现对无线传播环境的主动控制。 超表面材料物理模型与设计如何有效评估、信道状态信息如何获取及探测、波束赋形如何精确刻画、AI使能设计如何更加有效，这些参数性能都需要新的 测量方法及仪器支撑。 空天地一体化 空天地一体化网络主要包括不同轨道卫星构成的天基、各类空中飞行器构成的空基以及卫星地面站和传统地面网络构成的地基三部分，是天基、空基、陆基网络的深度融合，需构建统一终端、统一空口协议和组网协议的服务化网络架构，满足天基、空基、陆基等各类用户随时随地的接入与应用。 星地一体融合组网后所需的测试体系需要将卫星通信与移动通信两个领域的测试测量需求融合，测试的对象涉及移动通信设备、卫星设备、终端芯片。同时，网络化的空间测量需求将逐步凸显，未来需要在有限的物理资源和多种网络空间协同下构建有效的评估网络及设备性能的仪器仪表及测试体系。 移动通信测试仪器仪表的发展及测量挑战 终端领域 网优领域 无线接入领域 核心网领域 矢量网络分 信号 综测仪 路测软件 扫频仪 终端模拟器 核心网性能测试 频谱分析仪 信道模拟 移动通信测试仪器仪表涉及四个领域，终端领域、网优领域、无线接入网领域及核心网领域，主要测试仪器仪表包括综测仪、路测软件、扫频仪、信道模拟器、矢量网络分析仪、频谱分析仪、信号源、终端模拟器、核心网协议性能测试仪等。 图1移动通信测试仪器仪表图谱 未来5G-A乃至6G网络性能的突破和技术的发展，对测试仪器仪表也提�了更高的要求： 高频率 在4G之前，通信频段主要集中在6GHz以内，这也是目前射频类仪器主要覆盖的频段。随着通信频率的提高，尤其是到了毫米波、太赫兹频段，甚至可见光，传统的仪器无法连续覆盖6GHz到10THz频段及可见光，只能采用变频的方式间接测量。仪器需要配合特殊的毫米波或太赫兹前端才能满足测量需求。这导致了测试已经由传统的单一设备演变为了测试系统，对测量准确度和成本均需要重新考虑。另外，高频率还会带来的测试效率下降、功率误差恶化等问题需要解决。以频谱分析仪为例，一般在4G以上的频段设计中会引入电调滤波器，其幅度误差相对于低频段大幅增加，且存在磁滞效应，从而导致测量速度明显变慢。 大带宽 带宽的增加给仪器仪表带来的挑战可能更大。4G之前，通信带宽一般在100MHz以内，5G的通信带宽增加到400MHz以上，毫米波的带宽增加到20GHz以上，而6G由于引入太赫兹及可见光