5G終端SISO OTA及MIMO OTA測試方法研究

葉揚韜 景洪恩 徐振飛 陳楚軒 劉泳海

（1.威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663；2 深圳創(chuàng)維-RGB電子有限公司 深圳 518108）

引言

近年來，第五代移動通信技術(shù)（5G）成為全球科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域的重要課題。據(jù)我國工信部數(shù)據(jù)顯示，截止到2021年8月底，我國5G終端的連接數(shù)量接近4.2億。而隨著5G技術(shù)對智慧交通、智能制造等垂直領(lǐng)域的滲透，5G將進(jìn)一步的影響到社會生活的方方面面，5G終端的數(shù)量也將進(jìn)一步增長。

空口（OTA）測試技術(shù)能夠從終端整機(jī)的角度考察終端的無線性能，比射頻傳導(dǎo)測試更加全面，在以往的移動通信技術(shù)中被廣泛采用。根據(jù)天線端口的數(shù)量，OTA測試又分為SISO OTA測試和MIMO OTA測試。5G包含了FR1頻段（450 MHz～7.125 GHz）與FR2頻段（24.25～52.6 GHz）。一方面，5G 終端在FR1頻段的天線數(shù)量相比LTE將更多，OTA測試能夠?qū)Χ嗵炀€的無線性能做出評估。另一方面，5G FR2頻段的終端具有高集成的特點，不再具有射頻測試接口，只能利用OTA技術(shù)進(jìn)行無線性能測試。因此，OTA測試在5G時代將發(fā)揮更加重要的作用。

本文將對5G終端在FR1和FR2頻段的SISO OTA和MIMO OTA測試方法進(jìn)行分析介紹。

1 5G FR1頻段SISO OTA測試

5G FR1頻段都采用的6GHz以下的載波進(jìn)行通信，其SISO OTA測試系統(tǒng)可以基本與LTE保持一致，主要測試的項目為總?cè)蜉椛涔β剩═IRP）和總?cè)蜉椛潇`敏度（TIRS）。但由于5G相比4G在通信帶寬和子載波間隔的支持上都有所增強(qiáng)，并包含獨立組網(wǎng)（SA）及非獨立組網(wǎng)（NSA）兩種模式，其設(shè)置參數(shù)上相比4G還是存在一定差異。

由于5G頻段的最大帶寬由LTE的20 MHz變?yōu)镹R FR1頻段的100 MHz，5G FR1 OTA測試的相關(guān)帶寬設(shè)置也相應(yīng)做出調(diào)整，如中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會CCSA制訂的《無線終端空間射頻輻射功率和接收機(jī)性能測量方法第9部分：5G NR無線終端（Sub-6GHz）》標(biāo)準(zhǔn)中即采用100 MHz作為TIRP和TIRS的測試參數(shù)設(shè)置[1]。表1和表2分別給出了NR FR1在獨立組網(wǎng)（SA）模式下的測試信道列表和相應(yīng)的信道帶寬、子載波間隔參數(shù)設(shè)置，可以看到在輻射功率和接收靈敏度的測試中，信道帶寬都是設(shè)置為100 MHz，而子載波間隔都是設(shè)置為30 MHz。

表1 NR FR1獨立組網(wǎng)射頻輻射功率測試信道列表

表2 NR FR1 獨立組網(wǎng)接收靈敏度測試信道列表

在SA模式下，TIRP和TIRS的測試方式與LTE近似。在測試射頻輻射功率時，EUT要在整個測試過程中都以最大功率發(fā)射，試驗將測試等效全向輻射功率EIRP并計算TIRP。在測試接收機(jī)靈敏度時，上行功率采用閉環(huán)功率控制模式，EUT要以最大功率發(fā)射，試驗將測量等效全向靈敏度EIS并計算TIRS。

在NSA模式下，NR FR1與LTE處于雙連接狀態(tài)，5G終端的LTE和NR FR1的射頻性能都要求被測試。在射頻輻射功率的測試中，NR TIRP與LTE TIRP可被同時測試或者先后測試。在接收機(jī)靈敏度的測試中，當(dāng)NR TIRS被測試時，LTE下行鏈路功率設(shè)置需保持穩(wěn)定連接且誤塊率（BLER）為零，當(dāng)LTE TIRS被測試時，NR下行鏈路功率設(shè)置需保持穩(wěn)定連接且誤塊率為零。

2 5G FR2頻段SISO OTA測試

在LTE測試中，射頻性能主要采用傳導(dǎo)的方式進(jìn)行測試。但毫米波由于高度集成的特點，不再保留射頻測試端口，毫米波的全部射頻性能測試都將采用OTA測試的方式。目前，毫米波測試主要有直接遠(yuǎn)場法、間接遠(yuǎn)場法和近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換法三種方式。

2.1 直接遠(yuǎn)場法

直接遠(yuǎn)場法要求測試距滿足三個基本條件R＞3D，R＞3λ，R＞2D2/λ，其中R是EUT的旋轉(zhuǎn)中心到測試天線相位中心的距離，D是輻射天線孔徑。直接遠(yuǎn)場法在傳統(tǒng)OTA測試中被普遍采用，因為傳統(tǒng)測試頻率低于3GHz，測試距離約為2m，傳統(tǒng)測試對空間的要求不高，空間損耗也較小。

對于FR2毫米波頻段，其頻率較高，波長較小，遠(yuǎn)場的測試距離主要由R＞2D2/λ決定。由于天線與被測物其他部分的耦合效應(yīng)，EUT的實際輻射天線孔徑難以被準(zhǔn)確評估，3GPP采用天線陣列尺寸作為D值來計算測量距離[2]，這樣能夠減小測量距離的要求，但同時會增加系統(tǒng)的總不確定度。隨著頻率的增加，系統(tǒng)對于測試距離的要求顯著增長，表3給出了28 GHz和100 GHz頻段對于不同被測物尺寸的遠(yuǎn)場距離最小要求，可以看出，當(dāng)D達(dá)到15 cm時，遠(yuǎn)場的測試距離很大，系統(tǒng)的建設(shè)成本急劇上升，空間損耗也非常高，影響系統(tǒng)動態(tài)范圍和射頻指標(biāo)的測試難度。所以，直接遠(yuǎn)場法在FR2頻段適用于天線孔徑較小的5G終端，3GPP也將直接遠(yuǎn)場法的使用條件規(guī)定為D ≤ 5 cm。

表3 對于不同孔徑被測天線的最小測試距離

2.2 間接遠(yuǎn)場法

間接遠(yuǎn)場法是利用一些替代方法來近似模擬遠(yuǎn)場環(huán)境，從而減小測量距離。緊縮場法（CATR）就是一種典型的間接遠(yuǎn)場法，其基本原理是利用高精度的反射面，在較短的距離內(nèi)將原始信號發(fā)射的球面波轉(zhuǎn)化為平面波。緊縮場系統(tǒng)由EUT、饋電天線、反射面等構(gòu)成，EUT安裝在旋轉(zhuǎn)支架上，示意圖如圖1所示。緊縮場法能利用較短的距離實現(xiàn)等效遠(yuǎn)場的測試環(huán)境，從而降低系統(tǒng)建設(shè)成本和系統(tǒng)空間損耗。

圖1 緊縮場系統(tǒng)示意圖

緊縮場測試系統(tǒng)的性能主要由系統(tǒng)靜區(qū)的性能來進(jìn)行表征，靜區(qū)尺寸一般為反射面尺寸的一半左右。例如，對于120 cm的反射面，靜區(qū)尺寸為60 cm左右。靜區(qū)性能包含幅度變化和靜區(qū)相位變化兩個主要參數(shù)，會受到饋源、反射面平整度、反射面尺寸、吸波材料等參數(shù)的影響。一般認(rèn)為，幅度變化小于1 dB，相位變化小于10度能滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本需求。緊縮場系統(tǒng)可以對靜區(qū)內(nèi)任意尺寸的EUT進(jìn)行測試，制造商不需要提供EUT的天線位置以及天線陣列尺寸等信息。也即是說，緊縮場是采用“黑盒”模式進(jìn)行測試。無論是單個天線孔徑，還是多個相干或者不相干的天線孔徑，都可以在“黑盒”模式下進(jìn)行測試。緊縮場系統(tǒng)可用于EIRP、TIRP、EIS、EVM、雜散輻射以及阻塞指標(biāo)的測試。另外，由于反射面可以為信號提供額外的增益，系統(tǒng)的空間損耗降低，系統(tǒng)能夠降低對放大器等射頻器件的性能要求。

目前，3GPP、CCSA和CTIA等組織都采用緊縮場法作為FR2 SISO OTA測試的主要方案，緊縮場法將成為未來主流的FR2認(rèn)證測試方案。

2.3 近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換法（NFTF）

無論是直接遠(yuǎn)場法還是間接遠(yuǎn)場法，由于高頻信號的衰減較大，部分測試指標(biāo)的測試精度較低。而近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換法的空間損耗較小，對于頻率、解調(diào)相關(guān)的射頻指標(biāo)，可以保持更高的測試精度。

近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換法的原理是在近場的一個截面上采集電磁場的幅度、相位和頻譜等信息，再通過數(shù)值計算推導(dǎo)相對應(yīng)的遠(yuǎn)場幅度、相位等信息，得到遠(yuǎn)場的輻射特性。根據(jù)采集面的形狀，近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換法又分為平面法、球面法和柱面法。

近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換法的關(guān)鍵步驟是對近場截面幅度及相位信息的精確測量。但有源天線的寬帶信號的相位信息難以被準(zhǔn)確測量，這也是近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換法的主要問題。另一方面，采樣間隔也是影響結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素，采樣網(wǎng)格尺寸需要小于波長的一半，隨著頻率的升高，網(wǎng)格密度也會不斷上升，掃描時間也會隨之增大。

目前，近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換法已被3GPP采納，但僅限于5G終端發(fā)射性能的測試，所以近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換法的適用范圍較窄。

3 5G FR1頻段MIMO OTA測試

5G FR1頻段的MIMO OTA測試，目前主要包括多探頭法（MPAC）和輻射兩步法（RTS）兩種測試方法。

3.1 多探頭法（MPAC）

在LTE MIMO OTA測試中，MPAC測試系統(tǒng)采用2D多探頭天線環(huán)結(jié)構(gòu)，共有8個探頭呈環(huán)形均勻分布，在暗室內(nèi)構(gòu)建具有特定來波角、多普勒時延等參數(shù)的信道環(huán)境。LTE MIMO OTA測試采用了城區(qū)微小區(qū)（SCME UMi）模型和城區(qū)宏小區(qū)（SCME UMa）模型，能夠進(jìn)行2X2 MIMO OTA性能測試。5G FR1頻段的MIMO OTA與LTE類似，也是采用的2D多探頭天線環(huán)形架構(gòu)，但在多個方面進(jìn)行了升級。

在信道方面，5G基于3GPP TR38.901定義的集群延遲線（CDL）信道模型重新定義了多個信道模型[3]，其中典型的信道模型為應(yīng)用于5G 4X4 MIMO OTA測試的UMa CDL-C模型。在探頭分布方面，為了保證在暗室測試區(qū)域內(nèi)精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)具有特定功率強(qiáng)度、時延、來波角度和相關(guān)性等參數(shù)的信道環(huán)境，F(xiàn)R1 MIMO OTA測試系統(tǒng)在LTE多探頭法的基礎(chǔ)上對探頭數(shù)量進(jìn)行了升級，探頭間的間隔角度由45度減小為22.5度，探頭數(shù)量由8個上升為16個[4]。這樣的探頭分布，不僅可以向前兼容LTE MIMO OTA測試，也易于拓展標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以外的其他信道模型。而在天線端口數(shù)量的支持上，由于5G終端對于n7，n77，n78，n79等頻段一般采用至少4個接收天線端口，5G MIMO OTA測試系統(tǒng)也要求能夠支持4X4 MIMO無線性能的測試。

5G FR1 MIMO OTA測試系統(tǒng)的框架如圖所示，由基站模擬器、信道仿真器、放大器及多探頭暗室組成。在測試過程中，EUT被放置在暗室中心的靜區(qū)范圍內(nèi)，并以30度為步長在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，在12個不同方向上依次進(jìn)行吞吐量的測試。目前，3GPP已確定多探頭法為5G FR1 MIMO OTA認(rèn)證測試方案。

3.2 輻射兩步法（RTS）

多探頭法需要16個探頭呈環(huán)形分布，成本過高，而輻射兩步法則對探頭數(shù)量要求較低，可以有效降低建設(shè)成本及系統(tǒng)復(fù)雜度。圖3顯示了一種典型的4X4 MIMO OTA的測試架構(gòu)圖。

圖2 FR1 MIMO OTA架構(gòu)示意圖

圖3 輻射兩步法的典型測試架構(gòu)圖

輻射兩步法分為兩個步驟，第一步需要在暗室中測量得到EUT的接收天線方向圖，該步驟要求EUT的芯片能夠支持信號幅度和相對相位信息的獲取及上報。

在第二步中，EUT放在全電波暗室中進(jìn)行測試，但實際上我們希望測試系統(tǒng)能夠模擬一種“無線版的射頻傳導(dǎo)測試”。為達(dá)到這一目標(biāo)，系統(tǒng)需要先校準(zhǔn)發(fā)射天線和EUT接收機(jī)之間的傳輸矩陣。將第一步中得到的接收天線方向圖信息加載到信道模仿真中，獲得包含EUT天線特性的無線信道，再將系統(tǒng)的傳輸矩陣的逆矩陣也加載到信道仿真器中。這樣EUT的接收機(jī)接收到的信號類似于射頻傳導(dǎo)方式接入的信號，但同時被測設(shè)備的多天線自干擾特性也被考慮在內(nèi)了。之后，就可以對不同角度下的吞吐量進(jìn)行測試了。與多探頭法旋轉(zhuǎn)被測設(shè)備的方式不同，輻射兩步法是通過旋轉(zhuǎn)信道仿真器中EUT的天線方向圖來實現(xiàn)不同角度下的測試，由于省略了物理旋轉(zhuǎn)的步驟，輻射兩步法可以有效節(jié)省測試時間。

輻射兩步法要求測試系統(tǒng)發(fā)射天線具有一定的隔離度，具體的隔離度要求限值還需進(jìn)一步研究。另外，輻射兩步法僅適用于EUT天線配置和方向圖不隨外界環(huán)境變化而改變的情形。但很多采用四天線系統(tǒng)的5G終端，在2X2 MIMO模式下會隨外界環(huán)境變化進(jìn)行天線的切換。對于這種情形，輻射兩步法無法完成測試。

目前，3GPP已經(jīng)采納輻射兩步法成為5G FR1 MIMO OTA的測試方法，但將其作為第二優(yōu)先級。

4 5G FR2頻段MIMO OTA測試

與5G FR1頻段不同，F(xiàn)R2 MIMO OTA測試采用3D信道模型，測試場景包括城市微小區(qū)（UMi）和室內(nèi)辦公室（InO），其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 FR2 MIMO OTA測試框架圖

在3D-MPAC系統(tǒng)中，探頭數(shù)量和位置是準(zhǔn)確構(gòu)建信道模型的關(guān)鍵。在FR1頻段，信道模型的準(zhǔn)確性與空間相關(guān)性關(guān)系密切，而在FR2頻段，角度功率譜相似度（PSP）則至關(guān)重要。為了優(yōu)化信道PSP，3GPP規(guī)定了在距離測試區(qū)域中心最小半徑為0.75 m扇區(qū)上放置6個雙極化探頭的測試系統(tǒng)，每個探頭的位置見表4，3D-MPAC系統(tǒng)目前支持的最大測試區(qū)域為20 cm。

表4 FR2 MIMO OTA測試系統(tǒng)探頭位置

5 結(jié)語

本文分析介紹了5G終端在FR1和FR2頻段的SISO OTA和MIMO OTA測試方法。由于5G仍處于起步階段，相關(guān)的測試方法還需進(jìn)一步的討論和完善。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，全球各大標(biāo)準(zhǔn)組織和認(rèn)證機(jī)構(gòu)也會進(jìn)一步規(guī)范5G OTA的測試方法，共同促進(jìn)OTA技術(shù)在5G中的廣泛應(yīng)用。