5G系統(tǒng)的更加先進(jìn)，無線用戶的數(shù)量將大幅增加。用戶都希望自己所有的移動設(shè)備都具備更好的質(zhì)量和更高的可用性，因此提高網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的可靠性勢在必行。在評估和確定移動電話和平板電腦等無線設(shè)備以及基站的可靠性和性能特性的過程中，空中傳輸(OTA)測試是十分重要的一個環(huán)節(jié)，其測試環(huán)境需要十分接近上述設(shè)備的實際使用環(huán)境。對支持5G環(huán)境的組件進(jìn)行的測試與4G/LTE環(huán)境中的測試迥然相異。盡管利用電纜連接移動設(shè)備和測試設(shè)備是最為方便和劃算的做法，但這樣將無法模擬出設(shè)備的實際運行狀況，因此隨著設(shè)備的集成度日益提升，這種方法的可行性將越來越低。為了獲得5G所需的更高帶寬支持，移動運營商將著眼點放到了更高的頻率，這使得測試設(shè)備面臨更大的挑戰(zhàn)。為了使移動設(shè)備的測試環(huán)境接近用戶的實際使用環(huán)境，測試必須以無線或空中傳輸方式執(zhí)行。通過這種方式，設(shè)計人員可以觀察到無線電波從用戶設(shè)備傳播到基站以及從基站傳播到用戶設(shè)備時的實際情況。

 

在移動技術(shù)面向5G系統(tǒng)不斷演進(jìn)的過程中，有兩大推動力使得OTA測試成為必然。首先，被測設(shè)備(DUT)的集成度大幅提升，無法使用電纜在被測設(shè)備和測試設(shè)備之間建立物理連接，因此需要進(jìn)行OTA測試。其次，毫米波頻率下的信號傳輸損耗很高，因此需要通過波束聚焦或波束成形來提高增益。進(jìn)行波束特征測試以及檢查波束采集和波束跟蹤性能時，需要進(jìn)行測試設(shè)置。只有OTA測試系統(tǒng)才具備此功能。

 

 

目前，為數(shù)眾多的監(jiān)管機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化組織、產(chǎn)業(yè)組織和運營商均要求對無線設(shè)備進(jìn)行OTA測試。為了實現(xiàn)移動系統(tǒng)的全球可訪問性和互操作性，業(yè)內(nèi)已經(jīng)發(fā)起了認(rèn)證測試，使得全世界制造商旗下的全新移動設(shè)備都能具備相同的質(zhì)量水平。

 

CTIA（移動電話行業(yè)協(xié)會）針對3G和4G LTE設(shè)備制定了OTA測試標(biāo)準(zhǔn)，并在全球各地設(shè)有認(rèn)證實驗室。業(yè)內(nèi)針對傳輸過程中有關(guān)輻射功率電平和接收機(jī)靈敏度等級的OTA性能定義了最低性能要求，使所有呼叫在預(yù)先定義的環(huán)境下都能夠被接收。尤其是在美國，無線運營商也制定了行業(yè)性能要求，且新設(shè)備必須符合相關(guān)要求方可入網(wǎng)運行。

 

通常情況下，所有能夠發(fā)射電磁波的設(shè)備在其研發(fā)階段都會應(yīng)用OTA測試。例如，目前階段的移動電話測試是為了確保設(shè)備能夠從各個方向均勻接收并向各個方向均勻發(fā)射同一信號（圖1）。其重要性在于，天線向各個方向均勻發(fā)射信號使得移動設(shè)備用戶無需面朝特定方向即可獲得高質(zhì)量信號，也不會在經(jīng)過高層建筑物時掉線。研發(fā)時使用OTA測試設(shè)備還有一點尤為重要的作用，就是能夠在產(chǎn)品開發(fā)的初期發(fā)現(xiàn)問題。

 

圖1：目前的手機(jī)是針對均勻電磁場設(shè)計和測試。

 

 

為了容納更多的用戶、獲得更高的帶寬和實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率，移動運營商需要啟用更高的頻率。啟用30、40、50、60甚至90GHz的頻段時，設(shè)備會進(jìn)入厘米波和毫米波范圍。在較高頻率下波長變短，同時給定功率電平的傳輸距離也變短。為了應(yīng)對自由空間路徑損耗以及大氣吸收、雨水/氣體散射和視距問題等因素導(dǎo)致的損耗，我們需要進(jìn)行技術(shù)革新。這些應(yīng)用需要全新設(shè)備將具有很高的集成度，這使得通過電纜建立物理測試連接將成為異常艱難或不可能完成的任務(wù)。因此對于5G來說，OTA測試至關(guān)重要。

 

由于上述損耗，較高頻率下的信號吸收率會變得更高。為了實現(xiàn)必要的通信距離，提供商需要提高發(fā)射機(jī)的功率，或?qū)⒁苿釉O(shè)備的輻射能聚焦為尖窄波束（圖2）。

 

圖2：移動設(shè)備需要集中發(fā)射機(jī)波束，以最大化毫米波頻率的發(fā)射功率。

 

這一過程需要新的天線結(jié)構(gòu)和陣列，確保以適當(dāng)方式聚焦波束。需針對聚焦波束設(shè)置空間或方向組件，以確保波束指向正確，并確保在出現(xiàn)通信信道阻塞時切換波束。這種波束成形技術(shù)將利用用戶設(shè)備（UE）的不相關(guān)位置同時向不同的UE發(fā)送數(shù)據(jù)，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，因此也有助于降低能耗（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(shè)備的干擾。

 

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(guī)模MIMO系統(tǒng)中，無線電收發(fā)信機(jī)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只能通過空中傳輸OTA方式測量。

 

圖4：5G設(shè)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系統(tǒng)帶來變革，也將成為全新設(shè)計和認(rèn)證的前提。在5G測試系統(tǒng)中，基本組件大體維持不變，但必須能夠適應(yīng)較高頻率。

 

 

OTA性能測試系統(tǒng)的核心部分包括測試暗室、轉(zhuǎn)臺定位設(shè)備、用于生成和分析信號的測試儀器、測量天線，以及用于測量自動化的控制和報告軟件。被測設(shè)備和測量天線之間建立了通信，以確保設(shè)備正確發(fā)送和接收信號。目前的OTA測試需在（屏蔽和封閉的）理想環(huán)境中進(jìn)行，即在無反射且無回波的電波暗室中進(jìn)行（圖5）。暗室的大小取決于被測物體和頻率范圍，其內(nèi)部襯有用于吸收反射信號的吸波材料。測試中需要考慮到設(shè)備的輻射特性，同時應(yīng)消除其他一切傳輸干擾。

 

圖5：OTA測試需要在無反射且無回波的電波暗室中進(jìn)行。

 

現(xiàn)實生活中移動設(shè)備會在室內(nèi)或室外、城市或農(nóng)村、開闊區(qū)域或森林，或存在其他無線設(shè)備的各類環(huán)境下以固定或移動方式使用，無法直接應(yīng)用于測試目的。這些現(xiàn)實生活中情景都需要通過移動網(wǎng)絡(luò)測試進(jìn)行模擬，目前這一過程正在運用在5G應(yīng)用的轉(zhuǎn)換。認(rèn)證測試需要在指定的測試暗室內(nèi)進(jìn)行，以生成精確且可重現(xiàn)和復(fù)驗的測量數(shù)據(jù)。

 

OTA測試可用于測量內(nèi)部組件和其他設(shè)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(shè)備靈敏度等。2015年5月，CTIA發(fā)布了“無線設(shè)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(shè)置程序以及測量方法。

 

如今，關(guān)鍵的OTA測試測量數(shù)據(jù)包括設(shè)備的總輻射功率(TRP)、總?cè)蜢`敏度（TIS，需參照CTIA規(guī)范）、總輻射靈敏度（TRS，需參照3GPP規(guī)范），等效全向輻射功率(EIRP)以及中間通道輻射靈敏度(RSIC)等等。TRP屬于發(fā)射機(jī)性能指標(biāo)，而TIS/TRS屬于接收機(jī)性能指標(biāo)。為了對天線的方向圖和效率進(jìn)行測試，還需進(jìn)行其他測量?？蛇M(jìn)行共存性測量，以評估同時應(yīng)用多個無線技術(shù)時的靈敏度下降情況。可通過OTA測試提高出現(xiàn)了問題的區(qū)域中的設(shè)備性能。

 

 

我們在進(jìn)行OTA測量和建立OTA測試系統(tǒng)時，會面臨多個挑戰(zhàn)。一部分挑戰(zhàn)與天線系統(tǒng)有關(guān)。隨著面向5G系統(tǒng)的技術(shù)不斷發(fā)展，要使3D天線既能測試移動波束，又能控制干擾和散射因素，找到合適的3D天線設(shè)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(shè)備考慮到一個特殊因素，那就是在OTA測試期間，關(guān)系對輻射方向圖產(chǎn)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(yuǎn)場情況下進(jìn)行（圖6）?？稍谳^小的電波暗室內(nèi)進(jìn)行近場測量，但需要能夠以較高定位精度測量相位和振幅，并能夠?qū)鼒龅竭h(yuǎn)場的變換進(jìn)行后期處理。

 

圖6：近場和遠(yuǎn)場OTA測量需要不同測試設(shè)置。

 

還有一項挑戰(zhàn)是，有源天線系統(tǒng)中的每臺收發(fā)信機(jī)都需要通過OTA接口進(jìn)行測試，同時對發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行測量。必須將每臺收發(fā)信機(jī)打開進(jìn)行單獨驗證，或?qū)⒁唤M收發(fā)信機(jī)打開進(jìn)行聯(lián)合評估。

 

第三項挑戰(zhàn)所專門針對的是5G中大量應(yīng)用的波束成形。由于毫米波無線系統(tǒng)的路徑損耗較高且范圍有限，移動用戶需要通過精確的波束生成來快速采集和跟蹤信號。對于現(xiàn)有蜂窩通信技術(shù)的天線來說，靜態(tài)方向圖特征校準(zhǔn)已經(jīng)足夠，但毫米波系統(tǒng)則需要通過動態(tài)波束測量系統(tǒng)對波束跟蹤和波束控制算法進(jìn)行精確的測量。

 

還有幾項挑戰(zhàn)所涉及的是設(shè)備的RF一致性測試，如今可憑借經(jīng)過良好特征校準(zhǔn)的電纜測試端口連接來實現(xiàn)重復(fù)測量。5G設(shè)備中缺少外接型RF測試端口，因此需要在OTA環(huán)境中定義此類測試設(shè)置和必要的校準(zhǔn)措施。

 

類似的挑戰(zhàn)也存在于生產(chǎn)過程中。每臺具備無線功能的設(shè)備都需要執(zhí)行輻射設(shè)備測試。為了不影響設(shè)備的生產(chǎn)速度，OTA測試系統(tǒng)必須靈活多變，且能夠快速適應(yīng)未來不可預(yù)見的設(shè)備測試需求，而不會影響到測試方法的質(zhì)量或深度。對天線系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)的目的是確保RF信號路徑間的偏差小于規(guī)定極限，并且必須對組裝完畢的設(shè)備執(zhí)行功能性測試。

 

 

在向5G標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)過程中，OTA測試的作用將變得愈發(fā)重要。隨著集成度和毫米波頻率的提升，我們可能無法繼續(xù)通過測試端口進(jìn)行測量。設(shè)備供應(yīng)商將需要依靠OTA測試來驗證設(shè)備性能。此外，隨著5G設(shè)備的設(shè)計方案最終敲定，OTA測試系統(tǒng)供應(yīng)商必須快速利用自身經(jīng)驗和專業(yè)知識，完成對全新測試方法和測量系統(tǒng)的定義。與前幾代設(shè)備相比，5G設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)中的測試和測量將發(fā)揮更大的戰(zhàn)略性作用，同時OTA測試供應(yīng)商需要與客戶緊密合作，以滿足其不斷變化的需求，并在這一過程中與客戶建立牢固的合作伙伴關(guān)系。

 

本文轉(zhuǎn)載自EDN電子技術(shù)設(shè)計。