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OTA测试对5G标准更加重要

2017-12-28 来源:Christoph Pointner,罗德与施瓦茨公司 [责任编辑:wenwei]
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【导读】在移动技术面向5G系统不断演进的过程中,有两大推动力使得OTA测试成为必然。首先,被测设备(DUT)的集成度大幅提升,无法使用电缆在被测设备和测试设备之间建立物理连接,因此需要进行OTA测试。其次,毫米波频率下的信号传输损耗很高,因此需要通过波束聚焦或波束成形来提高增益。
 
5G系统的更加先进,无线用户的数量将大幅增加。用户都希望自己所有的移动设备都具备更好的质量和更高的可用性,因此提高网络和设备的可靠性势在必行。在评估和确定移动电话和平板电脑等无线设备以及基站的可靠性和性能特性的过程中,空中传输(OTA)测试是十分重要的一个环节,其测试环境需要十分接近上述设备的实际使用环境。对支持5G环境的组件进行的测试与4G/LTE环境中的测试迥然相异。尽管利用电缆连接移动设备和测试设备是最为方便和划算的做法,但这样将无法模拟出设备的实际运行状况,因此随着设备的集成度日益提升,这种方法的可行性将越来越低。为了获得5G所需的更高带宽支持,移动运营商将着眼点放到了更高的频率,这使得测试设备面临更大的挑战。为了使移动设备的测试环境接近用户的实际使用环境,测试必须以无线或空中传输方式执行。通过这种方式,设计人员可以观察到无线电波从用户设备传播到基站以及从基站传播到用户设备时的实际情况。
 
在移动技术面向5G系统不断演进的过程中,有两大推动力使得OTA测试成为必然。首先,被测设备(DUT)的集成度大幅提升,无法使用电缆在被测设备和测试设备之间建立物理连接,因此需要进行OTA测试。其次,毫米波频率下的信号传输损耗很高,因此需要通过波束聚焦或波束成形来提高增益。进行波束特征测试以及检查波束采集和波束跟踪性能时,需要进行测试设置。只有OTA测试系统才具备此功能。
 
OTA测试的当前状态
 
目前,为数众多的监管机构、标准化组织、产业组织和运营商均要求对无线设备进行OTA测试。为了实现移动系统的全球可访问性和互操作性,业内已经发起了认证测试,使得全世界制造商旗下的全新移动设备都能具备相同的质量水平。
 
CTIA(移动电话行业协会)针对3G和4G LTE设备制定了OTA测试标准,并在全球各地设有认证实验室。业内针对传输过程中有关辐射功率电平和接收机灵敏度等级的OTA性能定义了最低性能要求,使所有呼叫在预先定义的环境下都能够被接收。尤其是在美国,无线运营商也制定了行业性能要求,且新设备必须符合相关要求方可入网运行。
 
通常情况下,所有能够发射电磁波的设备在其研发阶段都会应用OTA测试。例如,目前阶段的移动电话测试是为了确保设备能够从各个方向均匀接收并向各个方向均匀发射同一信号(图1)。其重要性在于,天线向各个方向均匀发射信号使得移动设备用户无需面朝特定方向即可获得高质量信号,也不会在经过高层建筑物时掉线。研发时使用OTA测试设备还有一点尤为重要的作用,就是能够在产品开发的初期发现问题。
 
OTA测试对5G标准更加重要
图1:目前的手机是针对均匀电磁场设计和测试。
 
厘米波和毫米波频率OTA测试
 
为了容纳更多的用户、获得更高的带宽和实现更高的数据率,移动运营商需要启用更高的频率。启用30、40、50、60甚至90GHz的频段时,设备会进入厘米波和毫米波范围。在较高频率下波长变短,同时给定功率电平的传输距离也变短。为了应对自由空间路径损耗以及大气吸收、雨水/气体散射和视距问题等因素导致的损耗,我们需要进行技术革新。这些应用需要全新设备将具有很高的集成度,这使得通过电缆建立物理测试连接将成为异常艰难或不可能完成的任务。因此对于5G来说,OTA测试至关重要。
 
由于上述损耗,较高频率下的信号吸收率会变得更高。为了实现必要的通信距离,提供商需要提高发射机的功率,或将移动设备的辐射能聚焦为尖窄波束(图2)。
 
OTA测试对5G标准更加重要
图2:移动设备需要集中发射机波束,以最大化毫米波频率的发射功率。
 
这一过程需要新的天线结构和阵列,确保以适当方式聚焦波束。需针对聚焦波束设置空间或方向组件,以确保波束指向正确,并确保在出现通信信道阻塞时切换波束。这种波束成形技术将利用用户设备(UE)的不相关位置同时向不同的UE发送数据,从而使得名为MIMO的多天线理念得以延伸。此外,波束成形指向特定UE,专门排除指向其他UE,因此也有助于降低能耗(图3)。
 
OTA测试对5G标准更加重要
图3:波束成形可以将功率指向所需位置,同时最大限度地减少对其他设备的干扰。
 
连接器的成本、损耗和耦合度均很高,因此无法在测试中使用。此外,在大规模MIMO系统中,无线电收发信机直接与天线集成(图4),由此造成RF测试端口的损耗,因此DUT无线电和天线的性能只能通过空中传输OTA方式测量。
 
OTA测试对5G标准更加重要
图4:5G设备可能包含一组极化天线阵,而难以通过有线方式测试。
 
OTA测试将为5G系统带来变革,也将成为全新设计和认证的前提。在5G测试系统中,基本组件大体维持不变,但必须能够适应较高频率。
 
OTA测试
 
OTA性能测试系统的核心部分包括测试暗室、转台定位设备、用于生成和分析信号的测试仪器、测量天线,以及用于测量自动化的控制和报告软件。被测设备和测量天线之间建立了通信,以确保设备正确发送和接收信号。目前的OTA测试需在(屏蔽和封闭的)理想环境中进行,即在无反射且无回波的电波暗室中进行(图5)。暗室的大小取决于被测物体和频率范围,其内部衬有用于吸收反射信号的吸波材料。测试中需要考虑到设备的辐射特性,同时应消除其他一切传输干扰。
 
OTA测试对5G标准更加重要
图5:OTA测试需要在无反射且无回波的电波暗室中进行。
 
现实生活中移动设备会在室内或室外、城市或农村、开阔区域或森林,或存在其他无线设备的各类环境下以固定或移动方式使用,无法直接应用于测试目的。这些现实生活中情景都需要通过移动网络测试进行模拟,目前这一过程正在运用在5G应用的转换。认证测试需要在指定的测试暗室内进行,以生成精确且可重现和复验的测量数据。
 
OTA测试可用于测量内部组件和其他设备的各类性能因素,包括信号路径、天线增益、天线方向图、辐射功率和设备灵敏度等。2015年5月,CTIA发布了“无线设备空中传输性能测试计划”(Test Plan for Wireless Device Over-the-Air Performance),专门针对功率和性能指定了测试和设置程序以及测量方法。
 
如今,关键的OTA测试测量数据包括设备的总辐射功率(TRP)、总全向灵敏度(TIS,需参照CTIA规范)、总辐射灵敏度(TRS,需参照3GPP规范),等效全向辐射功率(EIRP)以及中间通道辐射灵敏度(RSIC)等等。TRP属于发射机性能指标,而TIS/TRS属于接收机性能指标。为了对天线的方向图和效率进行测试,还需进行其他测量。可进行共存性测量,以评估同时应用多个无线技术时的灵敏度下降情况。可通过OTA测试提高出现了问题的区域中的设备性能。
 
5G OTA测量所面临的挑战
 
我们在进行OTA测量和建立OTA测试系统时,会面临多个挑战。一部分挑战与天线系统有关。随着面向5G系统的技术不断发展,要使3D天线既能测试移动波束,又能控制干扰和散射因素,找到合适的3D天线设置和定位方案将变得十分困难。测量时必须考虑到一个全新的维度——空间或功率与离波方向的对比。必须要为设备考虑到一个特殊因素,那就是在OTA测试期间,关系对辐射方向图产生的阻挡作用。测量三维天线方向图的OTA测试可以在近场或远场情况下进行(图6)。可在较小的电波暗室内进行近场测量,但需要能够以较高定位精度测量相位和振幅,并能够对近场到远场的变换进行后期处理。
 
OTA测试对5G标准更加重要
图6:近场和远场OTA测量需要不同测试设置。
 
还有一项挑战是,有源天线系统中的每台收发信机都需要通过OTA接口进行测试,同时对发射机和接收机进行测量。必须将每台收发信机打开进行单独验证,或将一组收发信机打开进行联合评估。
 
第三项挑战所专门针对的是5G中大量应用的波束成形。由于毫米波无线系统的路径损耗较高且范围有限,移动用户需要通过精确的波束生成来快速采集和跟踪信号。对于现有蜂窝通信技术的天线来说,静态方向图特征校准已经足够,但毫米波系统则需要通过动态波束测量系统对波束跟踪和波束控制算法进行精确的测量。
 
还有几项挑战所涉及的是设备的RF一致性测试,如今可凭借经过良好特征校准的电缆测试端口连接来实现重复测量。5G设备中缺少外接型RF测试端口,因此需要在OTA环境中定义此类测试设置和必要的校准措施。
 
类似的挑战也存在于生产过程中。每台具备无线功能的设备都需要执行辐射设备测试。为了不影响设备的生产速度,OTA测试系统必须灵活多变,且能够快速适应未来不可预见的设备测试需求,而不会影响到测试方法的质量或深度。对天线系统进行校准的目的是确保RF信号路径间的偏差小于规定极限,并且必须对组装完毕的设备执行功能性测试。
 
总结
 
在向5G标准的演进过程中,OTA测试的作用将变得愈发重要。随着集成度和毫米波频率的提升,我们可能无法继续通过测试端口进行测量。设备供应商将需要依靠OTA测试来验证设备性能。此外,随着5G设备的设计方案最终敲定,OTA测试系统供应商必须快速利用自身经验和专业知识,完成对全新测试方法和测量系统的定义。与前几代设备相比,5G设备生态系统中的测试和测量将发挥更大的战略性作用,同时OTA测试供应商需要与客户紧密合作,以满足其不断变化的需求,并在这一过程中与客户建立牢固的合作伙伴关系。
 
本文转载自EDN电子技术设计。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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关键字:OTA/空中下载技术 5G通信 测试与测量 毫米波 
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