基于波束賦形技術多天線無線局域網設備測試方法探究

楊昀潮，王志欣，付 靖

（1.中國信息通信研究院西部分院，重慶 401336；2.國家無線電監測中心，北京 100037；3.國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

隨著無線局域網技術的不斷演進，Wi-Fi 6（802.11ax）[1]作為新一代無線局域網技術，相關產品正加快應用。802.11ax在多天線技術方面繼續延用和加強了波束賦形技術，該技術是通過調整多天線陣列中每個天線陣元的加權系數產生指向性波束，從而能夠獲得明顯的賦形增益。鑒于此種賦形增益帶來的輻射特性變化，有必要對使用波束賦形技術的無線局域網設備輻射功率等射頻指標進行進一步的研究與驗證。

本文對使用了波束賦形技術的無線局域網設備，在直連傳導、空口輻射與空口OTA環境下的等效全向輻射功率和總輻射功率指標進行了驗證試驗，對比分析得出在不同測試方法下測得的結果的差異，并對我國法規準入測試方法提供了參考建議。

1 國際相關類型無線電設備法規準入測試方法情況

（1）多天線無線局域網設備CE認證簡介。歐盟C E認證將無線局域網設備定義為寬帶數據傳輸設備，相關技術要求標準主要有2.4 GHz頻段《ETSI EN 300 328》[2]和5 GHz頻段《ETSI EN 301 893》[3]等。在歐盟CE認證法規中，如果被審查的設備支持多天線技術，則輸出功率、功率譜密度以及發射雜散等6項技術指標需要在多天線場景下進行測試，然后將各端口測試結果進行累加求和得出最終結果。

（2）多天線無線局域網設備FCC認證簡介。FCC對于無線局域網設備認證的測試指標及測試方法標準分別為E-CFR（聯邦法規電子代碼），Part 15.247和Part 15.407；測試方法標準為《ANSI C63.10》[4]和FCC知識數據庫（FCC Knowledge Database）中規定的測試方法。針對多天線無線局域網設備主要需要對每根天線端口的輸出功率、功率譜密度、占用帶寬、邊帶雜散以及發射雜散等指標進行檢測評定，再將每根天線的測試結果進行求和作為最終結果以用來驗證其法規符合性。

2 現行國內無線局域網設備無線電管理技術要求及測試方法

現階段國內無線局域網類設備的無線電管理檢測技術要求依據主要有，信部無〔2002〕353號[5]、工信部無函〔2012〕620號[6]、信部無〔2002〕277號[7]等相關無線電管理規定及文件。對于多天線無線局域網設備，目前國內無線電管理準入檢測方法是對被測設備每個天線端口的射頻指標進行核驗檢測，再通過累加各端口測試結果從而得到該設備的最終檢測結果。

3 國內多天線無線局域網測試方法探究

鑒于波束賦形增益所帶來的空間輻射特性的變化，本文依托現有測試手段對被測樣品的發射功率，在直連傳導、空口輻射以及OTA測試環境下開展驗證測試，得到在不同環境下的測試結果，并對結果進行了比對分析，給出了一套國內無線電法規準入測試方法參考建議。

3.1 直連傳導測試

對于多天線設備，直連傳導測試主要是將被測設備設置在多天線并發模式下發射信號，再針對設備每個天線端口進行功率測量，結合企業宣稱的天線增益等參數，對各端口測量結果進行累加計算得出最終結果。

圖1 直連傳導測試環境圖

3.2 空口輻射測試

空口輻射測試是將被測樣品放入全電波暗室環境下，在確定被測設備最大輻射方向后，對被測樣品進行射頻參數測試。該種測試方式的具體測試環境示意圖如圖2所示。

圖2 空口輻射測試環境圖

3.3 空口OTA測試

空口OTA測試主要用以完成總全向輻射功率（TRP），其定義為被測設備在空間三維球面上的射頻輻射功率積分值，反映了被測設備在所有方向上的發射特性。

通過在被測設備周圍不同球面位置測量EIRP來衡量EUT的射頻輻射性能，得到EUT的三維輻射特性。在球坐標的θ軸和φ軸分別每間隔15°取1個測量點，即能夠充分描述EUT的遠場輻射情景和總全向輻射功率情況。由于考慮輻射球面完整度，在θ=0°和θ=180°時不用測試，所以每個極化需測量264個點，將所有測量結果按要求積分得到TRP。

圖3 空口OTA測試環境示意圖

圖4 空口OTA球面示意圖

3.4 測試結果與結論

3.4.1 直連傳導及空口輻射測試結果

圖5 描繪的是對被測樣品在直連傳導及空口輻射環境下測得的發射功率結果，從測試數據總體趨勢上看，直連傳導環境下測得的EIRP結果基本均高于在空口輻射的結果。

圖5 直連傳導與空口輻射測試結果趨勢對比圖

3.4.2 空口OTA總輻射功率（TRP）測試情況

從OTA TRP試驗結果來看，TRP測試結果均遠小于直連傳導以及空口輻射測試結果。造成此種情況的原因有兩方面：

一是總輻射功率TRP測試原理造成，總輻射功率TRP是對被測設備在OTA暗室環境下對其三維空間全向進行EIRP測量，再通過如下公式對所測得的球面EIRP進行平均計算而得出的結果。

這就使得TRP在理論上是全向EIRP做平均計算的結果，故肯定會小于最大EIRP值。

二是考慮被測樣品實際天線的天線效率較低，無法把端口全部功率向空間進行輻射所造成的，此點將會在下一節通過實際測試結果進行計算驗證。上述兩方面是導致總輻射功率TRP測試結果偏小的主要原因。

圖6 直連傳導與空口OTA測試結果趨勢對比圖

3.4.3 測試方法優劣勢分析

基于上述所開展的具體測試情況，從測試環境配置及操作復雜程度、測量精度以及測試效率三個維度，對上述三種試驗方法進行橫向對比分析。

（1）測試環境配置及操作復雜程度。如圖1、圖2、圖3所示，從直連傳導、空口輻射以及空口OTA測試環境配置方面來看：直連傳導測試的測試環境通常為電磁屏蔽室，直接將被測設備通過射頻電纜及相關射頻器件（如衰減器、功分器等）與測量儀表即可，測試環境搭建簡便，測量場地要求相對較低；空口輻射測試需要在電波暗室環境下開展測試，測試前需要測試人員對被測設備的最大功率輻射方向以及天線極化方向進行搜索確認，以保證相關測試在被測設備最大輻射方向下進行，從而得到有效數據；空口OTA測試需要在OTA電波暗室環境下開展測試，對于總輻射功率（TRP）項目，需要對被測設備輻射球面上的上百個測量點分別進行測量，從而獲取整個球面測量點的測試數據，在通過相應TRP計算公式，計算得出測量結果。

（2）測試精度。直連傳導測試方法的優勢在于測試鏈路校準節點相對較少，校準精度高且操作簡便。相比空口輻射測試環境及OTA測試環境，僅需對測量鏈路中所用的射頻電纜及測試附件（如衰減器、功分器等）進行校準，無需對電波暗室環境下的空間鏈路進行校準，空間鏈路校準在很大程度上，精度相比傳導鏈路校準有所差距。故直連傳導測試方法由于其校準精度高且方便開展，在測量精度方面有更高的保證。

（3）測試效率。綜合上述測試環境配置及操作復雜程度，以及測試前對測試鏈路校準的方便程度，直連傳導測試作為現階段最常用的射頻測試手段，在大部分射頻指標測試項目上的測試效率相對較高。

4 結束語

綜上，通過驗證試驗結果可以看出，由于在測試環境精度、被測設備天線效率等因素上存在不可避免的差別，直連傳導測試無論從測試精度以及測試效率角度來看，相較空口輻射及OTA測試更加準確便捷。最后，在無線通信技術更迭日趨頻繁的今天，國內相關無線電頻率及設備的管理方式方法也應充分考慮新技術發展的特點。本文通過對多天線無線局域網設備的相關技術特性進行了實際驗證測試，對比在不同測試方法下的結果準確性，相關研究結論可為后續相關工作提供參考。