5G系統的更加先進(jìn)，無(wú)線(xiàn)用戶(hù)的數量將大幅增加。用戶(hù)都希望自己所有的移動(dòng)設備都具備更好的質(zhì)量和更高的可用性，因此提高網(wǎng)絡(luò )和設備的可靠性勢在必行。在評估和確定移動(dòng)電話(huà)和平板電腦等無(wú)線(xiàn)設備以及基站的可靠性和性能特性的過(guò)程中，空中傳輸(OTA)測試是十分重要的一個(gè)環(huán)節，其測試環(huán)境需要十分接近上述設備的實(shí)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(dòng)設備和測試設備是最為方便和劃算的做法，但這樣將無(wú)法模擬出設備的實(shí)際運行狀況，因此隨著(zhù)設備的集成度日益提升，這種方法的可行性將越來(lái)越低。為了獲得5G所需的更高帶寬支持，移動(dòng)運營(yíng)商將著(zhù)眼點(diǎn)放到了更高的頻率，這使得測試設備面臨更大的挑戰。為了使移動(dòng)設備的測試環(huán)境接近用戶(hù)的實(shí)際使用環(huán)境，測試必須以無(wú)線(xiàn)或空中傳輸方式執行。通過(guò)這種方式，設計人員可以觀(guān)察到無(wú)線(xiàn)電波從用戶(hù)設備傳播到基站以及從基站傳播到用戶(hù)設備時(shí)的實(shí)際情況。

 

在移動(dòng)技術(shù)面向5G系統不斷演進(jìn)的過(guò)程中，有兩大推動(dòng)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(wú)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(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(guò)波束聚焦或波束成形來(lái)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(shí)，需要進(jìn)行測試設置。只有OTA測試系統才具備此功能。

 

 

目前，為數眾多的監管機構、標準化組織、產(chǎn)業(yè)組織和運營(yíng)商均要求對無(wú)線(xiàn)設備進(jìn)行OTA測試。為了實(shí)現移動(dòng)系統的全球可訪(fǎng)問(wèn)性和互操作性，業(yè)內已經(jīng)發(fā)起了認證測試，使得全世界制造商旗下的全新移動(dòng)設備都能具備相同的質(zhì)量水平。

 

CTIA（移動(dòng)電話(huà)行業(yè)協(xié)會(huì )）針對3G和4G LTE設備制定了OTA測試標準，并在全球各地設有認證實(shí)驗室。業(yè)內針對傳輸過(guò)程中有關(guān)輻射功率電平和接收機靈敏度等級的OTA性能定義了最低性能要求，使所有呼叫在預先定義的環(huán)境下都能夠被接收。尤其是在美國，無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商也制定了行業(yè)性能要求，且新設備必須符合相關(guān)要求方可入網(wǎng)運行。

 

通常情況下，所有能夠發(fā)射電磁波的設備在其研發(fā)階段都會(huì )應用OTA測試。例如，目前階段的移動(dòng)電話(huà)測試是為了確保設備能夠從各個(gè)方向均勻接收并向各個(gè)方向均勻發(fā)射同一信號（圖1）。其重要性在于，天線(xiàn)向各個(gè)方向均勻發(fā)射信號使得移動(dòng)設備用戶(hù)無(wú)需面朝特定方向即可獲得高質(zhì)量信號，也不會(huì )在經(jīng)過(guò)高層建筑物時(shí)掉線(xiàn)。研發(fā)時(shí)使用OTA測試設備還有一點(diǎn)尤為重要的作用，就是能夠在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的初期發(fā)現問(wèn)題。

 

圖1：目前的手機是針對均勻電磁場(chǎng)設計和測試。

 

 

為了容納更多的用戶(hù)、獲得更高的帶寬和實(shí)現更高的數據率，移動(dòng)運營(yíng)商需要啟用更高的頻率。啟用30、40、50、60甚至90GHz的頻段時(shí)，設備會(huì )進(jìn)入厘米波和毫米波范圍。在較高頻率下波長(cháng)變短，同時(shí)給定功率電平的傳輸距離也變短。為了應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(wèn)題等因素導致的損耗，我們需要進(jìn)行技術(shù)革新。這些應用需要全新設備將具有很高的集成度，這使得通過(guò)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(lái)說(shuō)，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(huì )變得更高。為了實(shí)現必要的通信距離，提供商需要提高發(fā)射機的功率，或將移動(dòng)設備的輻射能聚焦為尖窄波束（圖2）。

 

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

 

這一過(guò)程需要新的天線(xiàn)結構和陣列，確保以適當方式聚焦波束。需針對聚焦波束設置空間或方向組件，以確保波束指向正確，并確保在出現通信信道阻塞時(shí)切換波束。這種波束成形技術(shù)將利用用戶(hù)設備（UE）的不相關(guān)位置同時(shí)向不同的UE發(fā)送數據，從而使得名為MIMO的多天線(xiàn)理念得以延伸。此外，波束成形指向特定UE，專(zhuān)門(mén)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(shí)最大限度地減少對其他設備的干擾。

 

連接器的成本、損耗和耦合度均很高，因此無(wú)法在測試中使用。此外，在大規模MIMO系統中，無(wú)線(xiàn)電收發(fā)信機直接與天線(xiàn)集成（圖4），由此造成RF測試端口的損耗，因此DUT無(wú)線(xiàn)電和天線(xiàn)的性能只能通過(guò)空中傳輸OTA方式測量。

 

圖4：5G設備可能包含一組極化天線(xiàn)陣，而難以通過(guò)有線(xiàn)方式測試。

 

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

 

 

OTA性能測試系統的核心部分包括測試暗室、轉臺定位設備、用于生成和分析信號的測試儀器、測量天線(xiàn)，以及用于測量自動(dòng)化的控制和報告軟件。被測設備和測量天線(xiàn)之間建立了通信，以確保設備正確發(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(wú)反射且無(wú)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備的輻射特性，同時(shí)應消除其他一切傳輸干擾。

 

圖5：OTA測試需要在無(wú)反射且無(wú)回波的電波暗室中進(jìn)行。

 

現實(shí)生活中移動(dòng)設備會(huì )在室內或室外、城市或農村、開(kāi)闊區域或森林，或存在其他無(wú)線(xiàn)設備的各類(lèi)環(huán)境下以固定或移動(dòng)方式使用，無(wú)法直接應用于測試目的。這些現實(shí)生活中情景都需要通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )測試進(jìn)行模擬，目前這一過(guò)程正在運用在5G應用的轉換。認證測試需要在指定的測試暗室內進(jìn)行，以生成精確且可重現和復驗的測量數據。

 

OTA測試可用于測量?jì)炔拷M件和其他設備的各類(lèi)性能因素，包括信號路徑、天線(xiàn)增益、天線(xiàn)方向圖、輻射功率和設備靈敏度等。2015年5月，CTIA發(fā)布了“無(wú)線(xiàn)設備空中傳輸性能測試計劃”(Test Plan for Wireless Device Over-the-Air Performance)，專(zhuān)門(mén)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(guān)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規范）、總輻射靈敏度（TRS，需參照3GPP規范），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)射機性能指標，而TIS/TRS屬于接收機性能指標。為了對天線(xiàn)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(shí)應用多個(gè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)時(shí)的靈敏度下降情況?？赏ㄟ^(guò)OTA測試提高出現了問(wèn)題的區域中的設備性能。

 

 

我們在進(jìn)行OTA測量和建立OTA測試系統時(shí)，會(huì )面臨多個(gè)挑戰。一部分挑戰與天線(xiàn)系統有關(guān)。隨著(zhù)面向5G系統的技術(shù)不斷發(fā)展，要使3D天線(xiàn)既能測試移動(dòng)波束，又能控制干擾和散射因素，找到合適的3D天線(xiàn)設置和定位方案將變得十分困難。測量時(shí)必須考慮到一個(gè)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(gè)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(xiàn)方向圖的OTA測試可以在近場(chǎng)或遠場(chǎng)情況下進(jìn)行（圖6）?？稍谳^小的電波暗室內進(jìn)行近場(chǎng)測量，但需要能夠以較高定位精度測量相位和振幅，并能夠對近場(chǎng)到遠場(chǎng)的變換進(jìn)行后期處理。

 

圖6：近場(chǎng)和遠場(chǎng)OTA測量需要不同測試設置。

 

還有一項挑戰是，有源天線(xiàn)系統中的每臺收發(fā)信機都需要通過(guò)OTA接口進(jìn)行測試，同時(shí)對發(fā)射機和接收機進(jìn)行測量。必須將每臺收發(fā)信機打開(kāi)進(jìn)行單獨驗證，或將一組收發(fā)信機打開(kāi)進(jìn)行聯(lián)合評估。

 

第三項挑戰所專(zhuān)門(mén)針對的是5G中大量應用的波束成形。由于毫米波無(wú)線(xiàn)系統的路徑損耗較高且范圍有限，移動(dòng)用戶(hù)需要通過(guò)精確的波束生成來(lái)快速采集和跟蹤信號。對于現有蜂窩通信技術(shù)的天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，靜態(tài)方向圖特征校準已經(jīng)足夠，但毫米波系統則需要通過(guò)動(dòng)態(tài)波束測量系統對波束跟蹤和波束控制算法進(jìn)行精確的測量。

 

還有幾項挑戰所涉及的是設備的RF一致性測試，如今可憑借經(jīng)過(guò)良好特征校準的電纜測試端口連接來(lái)實(shí)現重復測量。5G設備中缺少外接型RF測試端口，因此需要在OTA環(huán)境中定義此類(lèi)測試設置和必要的校準措施。

 

類(lèi)似的挑戰也存在于生產(chǎn)過(guò)程中。每臺具備無(wú)線(xiàn)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(chǎn)速度，OTA測試系統必須靈活多變，且能夠快速適應未來(lái)不可預見(jiàn)的設備測試需求，而不會(huì )影響到測試方法的質(zhì)量或深度。對天線(xiàn)系統進(jìn)行校準的目的是確保RF信號路徑間的偏差小于規定極限，并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(jìn)過(guò)程中，OTA測試的作用將變得愈發(fā)重要。隨著(zhù)集成度和毫米波頻率的提升，我們可能無(wú)法繼續通過(guò)測試端口進(jìn)行測量。設備供應商將需要依靠OTA測試來(lái)驗證設備性能。此外，隨著(zhù)5G設備的設計方案最終敲定，OTA測試系統供應商必須快速利用自身經(jīng)驗和專(zhuān)業(yè)知識，完成對全新測試方法和測量系統的定義。與前幾代設備相比，5G設備生態(tài)系統中的測試和測量將發(fā)揮更大的戰略性作用，同時(shí)OTA測試供應商需要與客戶(hù)緊密合作，以滿(mǎn)足其不斷變化的需求，并在這一過(guò)程中與客戶(hù)建立牢固的合作伙伴關(guān)系。

 

本文轉載自EDN電子技術(shù)設計。