5G係(xi)統(tong)的(de)更(geng)加(jia)先(xian)進(jin)

，無(wu)線(xian)用(yong)戶(hu)的(de)數(shu)量(liang)將(jiang)大(da)幅(fu)增(zeng)加(jia)。用(yong)戶(hu)都(dou)希(xi)望(wang)自(zi)己(ji)所(suo)有(you)的(de)移(yi)動(dong)設(she)備(bei)都(dou)具(ju)備(bei)更(geng)好(hao)的(de)質(zhi)量(liang)和(he)更(geng)高(gao)的(de)可(ke)用(yong)性(xing)，因(yin)此(ci)提(ti)高(gao)網(wang)絡(luo)和(he)設(she)備(bei)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)勢(shi)在(zai)必(bi)行(xing)。在(zai)評(ping)估(gu)和(he)確(que)定(ding)移(yi)動(dong)電(dian)話(hua)和(he)平(ping)板(ban)電(dian)腦(nao)等(deng)無(wu)線(xian)設(she)備(bei)以(yi)及(ji)基(ji)站(zhan)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)性(xing)能(neng)特(te)性(xing)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)，空(kong)中(zhong)傳(chuan)輸(shu)(OTA)測試是十分重要的一個環節，其測試環境需要十分接近上述設備的實際使用環境。對支持5G環境的組件進行的測試與4G/LTEhuanjingzhongdeceshijiongranxiangyi。jinguanliyongdianlanlianjieyidongshebeiheceshishebeishizuiweifangbianhehuasuandezuofa，danzheyangjiangwufamonichushebeideshijiyunxingzhuangkuang，yincisuizheshebeidejichengduriyitisheng
，zhezhongfangfadekexingxingjiangyuelaiyuedi。weilehuode5G所(suo)需(xu)的(de)更(geng)高(gao)帶(dai)寬(kuan)支(zhi)持(chi)，移(yi)動(dong)運(yun)營(ying)商(shang)將(jiang)著(zhe)眼(yan)點(dian)放(fang)到(dao)了(le)更(geng)高(gao)的(de)頻(pin)率(lv)，這(zhe)使(shi)得(de)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)麵(mian)臨(lin)更(geng)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。為(wei)了(le)使(shi)移(yi)動(dong)設(she)備(bei)的(de)測(ce)試(shi)環(huan)境(jing)接(jie)近(jin)用(yong)戶(hu)的(de)實(shi)際(ji)使(shi)用(yong)環(huan)境(jing)，測(ce)試(shi)必(bi)須(xu)以(yi)無(wu)線(xian)或(huo)空(kong)中(zhong)傳(chuan)輸(shu)方(fang)式(shi)執(zhi)行(xing)。通(tong)過(guo)這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)觀(guan)察(cha)到(dao)無(wu)線(xian)電(dian)波(bo)從(cong)用(yong)戶(hu)設(she)備(bei)傳(chuan)播(bo)到(dao)基(ji)站(zhan)以(yi)及(ji)從(cong)基(ji)站(zhan)傳(chuan)播(bo)到(dao)用(yong)戶(hu)設(she)備(bei)時(shi)的(de)實(shi)際(ji)情(qing)況(kuang)。

 

在移動技術麵向5G係統不斷演進的過程中，有兩大推動力使得OTA測試成為必然。首先，被測設備(DUT)的集成度大幅提升，無法使用電纜在被測設備和測試設備之間建立物理連接，因此需要進行OTA測(ce)試(shi)。其(qi)次(ci)，毫(hao)米(mi)波(bo)頻(pin)率(lv)下(xia)的(de)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)損(sun)耗(hao)很(hen)高(gao)
，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)波(bo)束(shu)聚(ju)焦(jiao)或(huo)波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)來(lai)提(ti)高(gao)增(zeng)益(yi)。進(jin)行(xing)波(bo)束(shu)特(te)征(zheng)測(ce)試(shi)以(yi)及(ji)檢(jian)查(zha)波(bo)束(shu)采(cai)集(ji)和(he)波(bo)束(shu)跟(gen)蹤(zong)性(xing)能(neng)時(shi)，需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)設(she)置(zhi)。隻(zhi)有(you)OTA測試係統才具備此功能。

 

 

目前
，為數眾多的監管機構、標準化組織、產業組織和運營商均要求對無線設備進行OTA測(ce)試(shi)。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)移(yi)動(dong)係(xi)統(tong)的(de)全(quan)球(qiu)可(ke)訪(fang)問(wen)性(xing)和(he)互(hu)操(cao)作(zuo)性(xing)，業(ye)內(nei)已(yi)經(jing)發(fa)起(qi)了(le)認(ren)證(zheng)測(ce)試(shi)，使(shi)得(de)全(quan)世(shi)界(jie)製(zhi)造(zao)商(shang)旗(qi)下(xia)的(de)全(quan)新(xin)移(yi)動(dong)設(she)備(bei)都(dou)能(neng)具(ju)備(bei)相(xiang)同(tong)的(de)質(zhi)量(liang)水(shui)平(ping)。

 

CTIA（移動電話行業協會）針對3G和4G LTE設備製定了OTA測試標準
，並在全球各地設有認證實驗室。業內針對傳輸過程中有關輻射功率電平和接收機靈敏度等級的OTA性xing能neng定ding義yi了le最zui低di性xing能neng要yao求qiu
，使shi所suo有you呼hu叫jiao在zai預yu先xian定ding義yi的de環huan境jing下xia都dou能neng夠gou被bei接jie收shou。尤you其qi是shi在zai美mei國guo
，無wu線xian運yun營ying商shang也ye製zhi定ding了le行xing業ye性xing能neng要yao求qiu，且qie新xin設she備bei必bi須xu符fu合he相xiang關guan要yao求qiu方fang可ke入ru網wang運yun行xing。

 

通常情況下，所有能夠發射電磁波的設備在其研發階段都會應用OTA測試。例如，目前階段的移動電話測試是為了確保設備能夠從各個方向均勻接收並向各個方向均勻發射同一信號（圖1）。其(qi)重(zhong)要(yao)性(xing)在(zai)於(yu)，天(tian)線(xian)向(xiang)各(ge)個(ge)方(fang)向(xiang)均(jun)勻(yun)發(fa)射(she)信(xin)號(hao)使(shi)得(de)移(yi)動(dong)設(she)備(bei)用(yong)戶(hu)無(wu)需(xu)麵(mian)朝(chao)特(te)定(ding)方(fang)向(xiang)即(ji)可(ke)獲(huo)得(de)高(gao)質(zhi)量(liang)信(xin)號(hao)，也(ye)不(bu)會(hui)在(zai)經(jing)過(guo)高(gao)層(ceng)建(jian)築(zhu)物(wu)時(shi)掉(diao)線(xian)。研(yan)發(fa)時(shi)使(shi)用(yong)OTA測試設備還有一點尤為重要的作用，就是能夠在產品開發的初期發現問題。

 

圖1：目前的手機是針對均勻電磁場設計和測試。

 

 

為了容納更多的用戶
、獲得更高的帶寬和實現更高的數據率，移動運營商需要啟用更高的頻率。啟用30、40、50、60甚至90GHz的(de)頻(pin)段(duan)時(shi)，設(she)備(bei)會(hui)進(jin)入(ru)厘(li)米(mi)波(bo)和(he)毫(hao)米(mi)波(bo)範(fan)圍(wei)。在(zai)較(jiao)高(gao)頻(pin)率(lv)下(xia)波(bo)長(chang)變(bian)短(duan)，同(tong)時(shi)給(gei)定(ding)功(gong)率(lv)電(dian)平(ping)的(de)傳(chuan)輸(shu)距(ju)離(li)也(ye)變(bian)短(duan)。為(wei)了(le)應(ying)對(dui)自(zi)由(you)空(kong)間(jian)路(lu)徑(jing)損(sun)耗(hao)以(yi)及(ji)大(da)氣(qi)吸(xi)收(shou)、雨水/氣(qi)體(ti)散(san)射(she)和(he)視(shi)距(ju)問(wen)題(ti)等(deng)因(yin)素(su)導(dao)致(zhi)的(de)損(sun)耗(hao)，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)技(ji)術(shu)革(ge)新(xin)。這(zhe)些(xie)應(ying)用(yong)需(xu)要(yao)全(quan)新(xin)設(she)備(bei)將(jiang)具(ju)有(you)很(hen)高(gao)的(de)集(ji)成(cheng)度(du)，這(zhe)使(shi)得(de)通(tong)過(guo)電(dian)纜(lan)建(jian)立(li)物(wu)理(li)測(ce)試(shi)連(lian)接(jie)將(jiang)成(cheng)為(wei)異(yi)常(chang)艱(jian)難(nan)或(huo)不(bu)可(ke)能(neng)完(wan)成(cheng)的(de)任(ren)務(wu)。因(yin)此(ci)對(dui)於(yu)5G來說，OTA測試至關重要。

 

由you於yu上shang述shu損sun耗hao
，較jiao高gao頻pin率lv下xia的de信xin號hao吸xi收shou率lv會hui變bian得de更geng高gao。為wei了le實shi現xian必bi要yao的de通tong信xin距ju離li，提ti供gong商shang需xu要yao提ti高gao發fa射she機ji的de功gong率lv
，或huo將jiang移yi動dong設she備bei的de輻fu射she能neng聚ju焦jiao為wei尖jian窄zhai波bo束shu（圖2）。

 

圖2：移動設備需要集中發射機波束，以最大化毫米波頻率的發射功率。

 

zheyiguochengxuyaoxindetianxianjiegouhezhenlie，quebaoyishidangfangshijujiaoboshu。xuzhenduijujiaoboshushezhikongjianhuofangxiangzujian，yiquebaoboshuzhixiangzhengque
，bingquebaozaichuxiantongxinxindaozusaishiqiehuanboshu。zhezhongboshuchengxingjishujiangliyongyonghushebei（UE）的不相關位置同時向不同的UE發送數據，從而使得名為MIMO的多天線理念得以延伸。此外，波束成形指向特定UE，專門排除指向其他UE，因此也有助於降低能耗（圖3）。

 

圖3：波束成形可以將功率指向所需位置，同時最大限度地減少對其他設備的幹擾。

 

連接器的成本、損耗和耦合度均很高
，因此無法在測試中使用。此外，在大規模MIMO係統中
，無線電收發信機直接與天線集成（圖4），由此造成RF測試端口的損耗，因此DUT無線電和天線的性能隻能通過空中傳輸OTA方式測量。

 

圖4：5G設備可能包含一組極化天線陣，而難以通過有線方式測試。

 

OTA測試將為5G係統帶來變革，也將成為全新設計和認證的前提。在5G測試係統中，基本組件大體維持不變
，但必須能夠適應較高頻率。

 

 

OTA性能測試係統的核心部分包括測試暗室、轉台定位設備
、用於生成和分析信號的測試儀器、測量天線，以及用於測量自動化的控製和報告軟件。被測設備和測量天線之間建立了通信，以確保設備正確發送和接收信號。目前的OTA測試需在（屏蔽和封閉的）理想環境中進行

，即在無反射且無回波的電波暗室中進行（圖5）。暗an室shi的de大da小xiao取qu決jue於yu被bei測ce物wu體ti和he頻pin率lv範fan圍wei

，其qi內nei部bu襯chen有you用yong於yu吸xi收shou反fan射she信xin號hao的de吸xi波bo材cai料liao。測ce試shi中zhong需xu要yao考kao慮lv到dao設she備bei的de輻fu射she特te性xing，同tong時shi應ying消xiao除chu其qi他ta一yi切qie傳chuan輸shu幹gan擾rao。

 

圖5：OTA測試需要在無反射且無回波的電波暗室中進行。

 

現實生活中移動設備會在室內或室外、城市或農村、開kai闊kuo區qu域yu或huo森sen林lin，或huo存cun在zai其qi他ta無wu線xian設she備bei的de各ge類lei環huan境jing下xia以yi固gu定ding或huo移yi動dong方fang式shi使shi用yong
，無wu法fa直zhi接jie應ying用yong於yu測ce試shi目mu的de。這zhe些xie現xian實shi生sheng活huo中zhong情qing景jing都dou需xu要yao通tong過guo移yi動dong網wang絡luo測ce試shi進jin行xing模mo擬ni，目mu前qian這zhe一yi過guo程cheng正zheng在zai運yun用yong在zai5G應用的轉換。認證測試需要在指定的測試暗室內進行，以生成精確且可重現和複驗的測量數據。

 

OTA測試可用於測量內部組件和其他設備的各類性能因素，包括信號路徑
、天線增益
、天線方向圖、輻射功率和設備靈敏度等。2015年5月，CTIA發布了“無線設備空中傳輸性能測試計劃”(Test Plan for Wireless Device Over-the-Air Performance)
，專門針對功率和性能指定了測試和設置程序以及測量方法。

 

如今，關鍵的OTA測試測量數據包括設備的總輻射功率(TRP)
、總全向靈敏度（TIS，需參照CTIA規範）、總輻射靈敏度（TRS，需參照3GPP規範），等效全向輻射功率(EIRP)以及中間通道輻射靈敏度(RSIC)等等。TRP屬於發射機性能指標
，而TIS/TRS屬(shu)於(yu)接(jie)收(shou)機(ji)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)。為(wei)了(le)對(dui)天(tian)線(xian)的(de)方(fang)向(xiang)圖(tu)和(he)效(xiao)率(lv)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)，還(hai)需(xu)進(jin)行(xing)其(qi)他(ta)測(ce)量(liang)。可(ke)進(jin)行(xing)共(gong)存(cun)性(xing)測(ce)量(liang)，以(yi)評(ping)估(gu)同(tong)時(shi)應(ying)用(yong)多(duo)個(ge)無(wu)線(xian)技(ji)術(shu)時(shi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)下(xia)降(jiang)情(qing)況(kuang)。可(ke)通(tong)過(guo)OTA測試提高出現了問題的區域中的設備性能。

 

 

我們在進行OTA測量和建立OTA測試係統時
，會麵臨多個挑戰。一部分挑戰與天線係統有關。隨著麵向5G係統的技術不斷發展，要使3D天線既能測試移動波束，又能控製幹擾和散射因素，找到合適的3D天線設置和定位方案將變得十分困難。測量時必須考慮到一個全新的維度——空間或功率與離波方向的對比。必須要為設備考慮到一個特殊因素
，那就是在OTA測試期間，關係對輻射方向圖產生的阻擋作用。測量三維天線方向圖的OTA測試可以在近場或遠場情況下進行（圖6）。可在較小的電波暗室內進行近場測量
，但需要能夠以較高定位精度測量相位和振幅，並能夠對近場到遠場的變換進行後期處理。

 

圖6：近場和遠場OTA測量需要不同測試設置。

 

還有一項挑戰是，有源天線係統中的每台收發信機都需要通過OTA接口進行測試，同時對發射機和接收機進行測量。必須將每台收發信機打開進行單獨驗證
，或將一組收發信機打開進行聯合評估。

 

第三項挑戰所專門針對的是5G中zhong大da量liang應ying用yong的de波bo束shu成cheng形xing。由you於yu毫hao米mi波bo無wu線xian係xi統tong的de路lu徑jing損sun耗hao較jiao高gao且qie範fan圍wei有you限xian，移yi動dong用yong戶hu需xu要yao通tong過guo精jing確que的de波bo束shu生sheng成cheng來lai快kuai速su采cai集ji和he跟gen蹤zong信xin號hao。對dui於yu現xian有you蜂feng窩wo通tong信xin技ji術shu的de天tian線xian來lai說shuo
，靜jing態tai方fang向xiang圖tu特te征zheng校xiao準zhun已yi經jing足zu夠gou
，但dan毫hao米mi波bo係xi統tong則ze需xu要yao通tong過guo動dong態tai波bo束shu測ce量liang係xi統tong對dui波bo束shu跟gen蹤zong和he波bo束shu控kong製zhi算suan法fa進jin行xing精jing確que的de測ce量liang。

 

還有幾項挑戰所涉及的是設備的RF一致性測試
，如今可憑借經過良好特征校準的電纜測試端口連接來實現重複測量。5G設備中缺少外接型RF測試端口
，因此需要在OTA環境中定義此類測試設置和必要的校準措施。

 

類似的挑戰也存在於生產過程中。每台具備無線功能的設備都需要執行輻射設備測試。為了不影響設備的生產速度
，OTA測ce試shi係xi統tong必bi須xu靈ling活huo多duo變bian，且qie能neng夠gou快kuai速su適shi應ying未wei來lai不bu可ke預yu見jian的de設she備bei測ce試shi需xu求qiu
，而er不bu會hui影ying響xiang到dao測ce試shi方fang法fa的de質zhi量liang或huo深shen度du。對dui天tian線xian係xi統tong進jin行xing校xiao準zhun的de目mu的de是shi確que保baoRF信號路徑間的偏差小於規定極限，並且必須對組裝完畢的設備執行功能性測試。

 

 

在向5G標準的演進過程中，OTA測試的作用將變得愈發重要。隨著集成度和毫米波頻率的提升
，我們可能無法繼續通過測試端口進行測量。設備供應商將需要依靠OTA測試來驗證設備性能。此外，隨著5G設備的設計方案最終敲定，OTA測試係統供應商必須快速利用自身經驗和專業知識，完成對全新測試方法和測量係統的定義。與前幾代設備相比，5G設備生態係統中的測試和測量將發揮更大的戰略性作用，同時OTA測試供應商需要與客戶緊密合作，以滿足其不斷變化的需求
，並在這一過程中與客戶建立牢固的合作夥伴關係。

 

本文轉載自EDN電子技術設計。