5G系統的更加先進,無線用戶的數量將大幅增加。使用者都希望自己所有的行動設備都具備更好的品質和更高的可用性,因此提高網路和設備的可靠性勢在必行。在評估和確定行動電話和平板電腦等無線設備,以及基地台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。

對支援5G環境的元件進行的測試與4G/LTE環境中的測試迥然相異。儘管利用電纜連線行動設備和測試設備是最為方便和划算的做法,但這樣將無法類比出設備的實際運行狀況,因此隨著設備的整合度日益提升,這種方法的可行性將越來越低。

為了獲得5G所需的更高頻寬支持,行動營運商將著眼點放到了更高的頻率,這使得測試設備面臨更大的挑戰。為了使行動設備的測試環境接近使用者的實際使用環境,測試必須以無線或空中傳輸方式執行。通過這種方式,設計人員可以觀察到無線電波從使用者設備傳播到基地台,以及從基地台傳播到使用者設備時的實際情況。

在行動技術針對5G系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,待測物(DUT)的整合度大幅提升,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測試。其次,毫米波頻率下的訊號傳輸損耗很高,因此需要通過波束聚焦或波束成形來提高增益。進行波束特徵測試,以及檢查波束採集和波束跟蹤性能時,需要進行測試設置。只有OTA測試系統才具備此功能。

OTA測試的當前狀態

目前,為數眾多的監管機構、標準化組織、產業組織和營運商均要求對無線設備進行OTA測試。為了實現行動系統的全球可訪問性和互通性,業內已經發起了認證測試,使全世界製造商旗下的全新行動設備都能具備相同的品質水準。

美國行動通訊產業協會(CTIA,現已改名為無線通訊協會,CTIA—The Wireless. Association)針對3G和4G LTE設備制定了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性能定義了最低性能要求,使所有呼叫在預先定義的環境下都能夠被接收。尤其是在美國,無線營運商也制定了產業性能要求,且新設備必須符合相關要求方可入網運行。

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,目前階段的行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訊號(圖1)。其重要性在於,天線向各個方向均勻發射訊號使得行動設備使用者無需面朝特定方向即可獲得高品質訊號,也不會在經過高層建築物時掉線。研發時使用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。

20171226NT01P1 圖1 目前的手機是針對均勻電磁場設計和測試。

釐米波和毫米波頻率OTA測試

為了容納更多的用戶、獲得更高的頻寬和實現更高的資料率,行動營運商需要啟用更高的頻率。啟用30、40、50、60甚至90GHz的頻段時,設備會進入釐米波和毫米波範圍。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致的損耗,需要進行技術革新。這些應用需要全新設備將具有很高的整合度,這使得透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。因此對於5G來說,OTA測試至關重要。

由於上述損耗,較高頻率下的訊號吸收率會變得更高。為了實現必要的通訊距離,提供商需要提高發射機的功率,或將行動設備的輻射能聚焦為尖窄波束(圖2)。

20171226NT01P2 圖2 行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。

這一過程需要新的天線結構和陣列,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元件,以確保波束指向正確,並確保在出現通訊通道阻塞時切換波束。這種波束成形技術將利用使用者設備(UE)的不相關位置同時向不同的UE發送資料,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)。

20171226NT01P3 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,在大規模MIMO系統中,無線電收發訊機直接與天線整合(圖4),由此造成RF測試埠的損耗,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。

20171226NT01P4 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系統帶來變革,也將成為全新設計和認證的前提。在5G測試系統中,基本元件大致維持不變,但必須能夠適應較高頻率。

OTA測試

OTA性能測試系統的核心部分包括測試暗室、轉檯定位設備、用於生成和分析訊號的測試儀器、測量天線,以及用於測量自動化的控制和報告軟體。被測設備和測量天線之間建立了通訊,以確保設備正確發送和接收訊號。目前的OTA測試需在(遮罩和封閉的)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)。暗室的大小取決於被測物體和頻率範圍,其內部襯有用於吸收反射訊號的吸波材料。測試中需要考慮到設備的輻射特性,同時應消除其他一切傳輸干擾。

20171226NT01P5 圖5 OTA測試需要在無反射且無回波的電波暗室中進行。

現實生活中行動設備會在室內或室外、城市或農村、開闊區域或森林,或存在其他無線設備的各類環境下以固定或移動方式使用,無法直接應用於測試目的。這些現實生活中情景都需要通過行動網路測試進行類比,目前這一過程正在運用在5G應用的轉換。認證測試需要在指定的測試暗室內進行,以生成精確且可重現和複驗的測量資料。

OTA測試可用於測量內部元件和其他設備的各類性能因素,包括訊號路徑、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發佈了「無線設備空中傳輸性能測試計畫(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式,以及測量方法。

如今,關鍵的OTA測試測量資料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,其中TRP屬於發射機性能指標,而TIS/TRS屬於接收機性能指標。為了對天線的方向圖和效率進行測試,還需進行其他測量。可進行共存性測量,以評估同時應用多個無線技術時的靈敏度下降情況。可利用OTA測試提高出現了問題的區域中的設備性能。

5G OTA測量面臨的挑戰

在進行OTA測量和建立OTA測試系統時,會面臨多個挑戰,一部分挑戰與天線系統有關。隨著針對5G系統的技術不斷發展,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。

20171226NT01P6 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,主動天線系統中的每台收發信機都需要通過OTA介面進行測試,同時對發射機和接收機進行測量。必須將每台收發訊機打開進行單獨驗證,或將一組收發訊機打開進行聯合評估。

第三項挑戰所專門針對的是5G中大量應用的波束成形。由於毫米波無線系統的路徑損耗較高且範圍有限,行動使用者需要利用精確的波束生成來快速採集和跟蹤訊號。對於現有蜂巢通訊技術的天線來說,靜態方向圖特徵校準已經足夠,但毫米波系統則需要透過動態波束測量系統對波束跟蹤和波束控制演算法進行精確的測量。

還有幾項挑戰所涉及的是設備的RF一致性測試,如今可憑藉經過良好特徵校準的電纜測試埠連接來實現重複測量。5G設備中缺少外接型RF測試埠,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測試系統必須靈活多變,且能夠快速適應未來不可預見的設備測試需求,而不會影響到測試方法的品質或深度。對天線系統進行校準的目的是確保RF訊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。

總結

向5G標準的演進過程中,OTA測試的作用將變得愈發重要。隨著整合度和毫米波頻率的提升,可能無法繼續透過測試埠進行測量,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測試系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系統的定義。

與前幾代設備相比,5G設備生態系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。

(參考原文: OTA testing to gain importance with 5G,by Christoph Pointner)