汽車整車OTA 測試研究

胡洋 李國慶

中國信息通信研究院西部分院（重慶信息通信研究院） 重慶市 400800

1 車聯(lián)網(wǎng)通信標準狀況

2022 年6 月，在3GPP TSG 第96 次 會議上，5G R17 標準宣布凍結(jié)，這標志著5G技術(shù)和標準已經(jīng)進入成熟和穩(wěn)定期，5G R18標準制定工作開始啟動。V2X（Vehicle to Everything）意為“車聯(lián)萬物”，是將車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術(shù)，其中V代表車輛，X代表任何與車交互信息的對象，主要包含車、人、路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)。V2X將“人、車、路、云”等交通參與要素有機地聯(lián)系在一起，構(gòu)建一個智慧的交通體系。

C-V2X 是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的車聯(lián)網(wǎng)，簡稱蜂窩車聯(lián)網(wǎng)，C-V2X 標準包括LTE-V2X及其演進的NR-V2X，在4G-LTE 時代最早由大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團提出，基于LTE 系統(tǒng)的LTE-V 技術(shù)又稱為LTE-V2X，奠定了C-V2X 系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)路線。NR-V2X 研究基于5G 新空口的PC5接口和Uu 接口增強，主要用于支持車輛編隊行駛、遠程駕駛、傳感器擴展等高級V2X 業(yè)務(wù)需求，支持NR-V2X的3GPP R16 版 本標準于2020.7 完成。

在國內(nèi)，2017 年由工業(yè)和信息化部、國家標準化管理委員會會同有關(guān)單位組織開展了《國家車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標準體系建設(shè)指南》系列文件編制工作，內(nèi)容包括總體要求、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、信息通信、電子產(chǎn)品和服務(wù)、智能交通和車輛智能管理等部分。從2017 年到2021 年陸續(xù)出臺了各標準體系，并在此基礎(chǔ)上共同構(gòu)建《車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全標準體系建設(shè)指南》，加強對車聯(lián)網(wǎng)安全支撐，形成了我國完善的車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標準體系。

目前我國已完成包括通信關(guān)鍵技術(shù)、信息感知與交互、決策預(yù)警核心技術(shù)以及ADAS 核心技術(shù)等標準制定工作，形成了完備的車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標準體系。C-V2X 應(yīng)用涉及汽車、通信、交通等多個行業(yè)領(lǐng)域，依據(jù)《指南》要求，由工信部、交通運輸部及國家標準化管理委員會等部門，組織各領(lǐng)域相關(guān)標準化技術(shù)委員會及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟共同開展標準制定工作，其中信息通信標準主要由中國通信標準化協(xié)會組織，在TC10 物聯(lián)網(wǎng)工作組下的WG5 車聯(lián)網(wǎng)小組進行。

目前已發(fā)布的信息標準有30 多項，包括LTE-V 技術(shù)、5G eV2X技術(shù)、空口、衛(wèi)星通信及網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)安全等，還有60 多項標準、研究課題及技術(shù)報告正在進行中，牽頭單位有中國信通院、移動、聯(lián)通、華為、中興、小米、中國汽車工程研究院等眾多機構(gòu)。

信息通信的關(guān)鍵標準分為感知層（端）、網(wǎng)絡(luò)層（管）和應(yīng)用層（云）三個層次，并以共性基礎(chǔ)技術(shù)和信息通信安全技術(shù)為支撐。端主要為各種通信設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、路側(cè)設(shè)施及個人終端等；管即為管道，由2G/3G/4G/5G，V2X 通信技術(shù)、車內(nèi)通信網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等組成；云為各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)平臺、公共服務(wù)、行業(yè)應(yīng)用等。共性基礎(chǔ)技術(shù)主要解決涉及的共性問題，并提供有效評估手段，主要包括天線、通信設(shè)備、電磁兼容性等技術(shù)。信息通信標準體系包含基礎(chǔ)標準、通信協(xié)議和設(shè)備、通信業(yè)務(wù)與應(yīng)用技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)安全四部分，下設(shè)20 多和分類。

目前，在車聯(lián)網(wǎng)標準體系中，整車OTA測試相關(guān)標準還未開始制定。

2 整車OTA 測量及難點

過去，將功率作為時間、頻譜或編碼（CDMA 系統(tǒng)）的函數(shù)進行測量。波束賦形的到來增加了另一個維度：空間或功率相對于離開方向?？罩袦y量參數(shù)可以分為兩大類：研發(fā)、認證或一致性測試對于被測設(shè)備輻射特性的完整評估，以及生產(chǎn)中的校準、驗證和功能測試。

天線設(shè)計者關(guān)心的主要測試參數(shù)包括增益圖、輻射功率、接收機靈敏度、收發(fā)器/接收器特征和波束控制/波束跟蹤，其中任何一項都會影響OTA 測量。然而，由于大規(guī)模MIMO 使用的頻率，更為關(guān)注波束控制/波束跟蹤。雖然現(xiàn)在的蜂窩技術(shù)使用靜態(tài)波束圖特征，毫米波系統(tǒng)將需要動態(tài)波束測量，以便精確表征波束跟蹤算法和波束控制算法。

近年來，汽車無線通信市場有了很大的發(fā)展。眾所周知，天線是決定通信系統(tǒng)性能和尺寸的關(guān)鍵因素。現(xiàn)代汽車可能包含多個天線，捕捉AM/FM 廣播、衛(wèi)星數(shù)字音頻無線電服務(wù)（SDARS）信號、全球定位系統(tǒng)（GPS）數(shù)據(jù)、移動電話通信、數(shù)字音頻廣播（DAB）、遠程無鍵進入（RKE）和遠程啟動發(fā)動機（RSE）系統(tǒng)、電視接收、電子收費（ETC）、輪胎壓力傳感器和汽車雷達。

用于汽車應(yīng)用的電子設(shè)備所使用的頻譜覆蓋頻率從0.5MHz（AM 無線電）到77 GHz（雷達碰撞系統(tǒng)）。

圖1 展示了通常用于安裝天線在車輛上的位置。位置3 或位置9 通常用于安裝AM/FM 鞭狀擋泥板天線。一個AM/FM 短螺旋天線可以安裝在汽車車頂?shù)奈恢? 或位置8。AM/FM 印刷在玻璃上的天線安裝在側(cè)玻璃（位置7），靠近加熱器的后玻璃，有時安裝在前玻璃（位置4）上。GPS、SDARS 和手機天線通常安裝在車頂?shù)? 號位置，或安裝在后備箱的1 號位置。衛(wèi)星電視天線安裝在汽車車頂上;對于地面應(yīng)用，天線可以打印在玻璃上，并與打印在玻璃上的AM/FM 天線安裝在一個單獨的包裝中。近距離無線通信設(shè)備的天線通常安裝在汽車內(nèi)部的視線之外，例如10 號位置（汽車前面板下方）或5號位置的門內(nèi)部。雷達碰撞天線從前面（位置6）或后面安裝。

圖1 用于不同應(yīng)用的汽車天線位置

相比其他領(lǐng)域的測試，汽車天線測試存在以下困難：

（1）天線性能與布局有關(guān)，天線放在車輛不同位置會有不同的性能；

（2）理論上測試時應(yīng)將天線相位中心置于系統(tǒng)靜區(qū)中心，否則會造成測試不確定度增大，測試結(jié)果不準確。但由于汽車的體積、重量造成測試時安裝困難，另外車輛金屬外殼會改變天線的電流分布，實際相心往往并不在天線或車輛中心上。

（3）天線測試時，為模擬電磁波開闊場地，一般在無回波暗室中進行，測試距離與天線尺寸的平方成正比，與波長成反比，如果以車輛的長度作為天線尺寸，測試距離將需要40-50 米，場地建設(shè)成本巨大，實際測試以近場為主，后做進一步數(shù)據(jù)處理，在基本確保測試精度的情況下降低測試成本。

（4）在汽車天線測試中，多數(shù)還是將天線作為無源設(shè)備來測試，得到的只是天線本身性能，不能完整體系性能；要得到完整的測試結(jié)果就需要進行OTA 測試，OTA 測試更加強調(diào)真實天線工作狀態(tài)時的測試。

（5）車輛使用時，地面反射會改變天線的輻射性能，地面的材質(zhì)和地形影響也是有差異的，因而即使在無回波室測試后，任需要在實際環(huán)境下做模擬測試。

3 車載天線測試-測試環(huán)境

已知的幾種可以測試車輛天線的測量環(huán)境：

（a）矩形消聲室：通常被用來模擬自由空間條件。在將能量直接反射到測試區(qū)域的表面上使用高質(zhì)量的吸收材料，以降低反射能量水平。

（b）帶有金屬地面的屏蔽室：與全消聲室?guī)缀跸嗤?，不同之處是其地板采用了完美的?dǎo)電表面，而不是用高質(zhì)量的吸波材料覆蓋。

（c）自由空間：天線測試范圍是一個室外設(shè)施，通常由金屬地面組成。它可能是由雷達罩保護的天氣。該系統(tǒng)周圍的區(qū)域沒有反射障礙物，如建筑物、樹木或墻壁。

測量環(huán)境需要允許確定車輛天線的遠場特性。這些特性的例子有自由空間輻射方向圖、天線增益、輻射功率、接收靈敏度、等效各向同性輻射功率（EIRP）、等效各向同性靈敏度（EIS）。

車輛天線遠場測量的最小測量距離R 為：

D 表示天線孔徑的大小。天線孔徑的大小受天線類型、安裝位置和附近物體的影響。在車輛上，這些物體可以是車頂軌道、窗戶開口、鏡子、傳感器外殼、與車輛結(jié)構(gòu)相關(guān)的組件等等。由于并非所有物體都會影響天線的輻射模式，并且已知它們對天線孔徑的影響，因此取汽車的最大尺寸來定義D。

作為遠場測量的替代方案，如上所述，如果對原始振幅和相位數(shù)據(jù)應(yīng)用適當?shù)臄?shù)學(xué)操作，測量也可以在比R 更短的距離上進行。這種近場測量的結(jié)果經(jīng)過數(shù)學(xué)處理后必須與遠場數(shù)據(jù)等價。在測量不確定度的評定中，必須考慮到數(shù)學(xué)操作。

當OTA 測量在整個球面上的近場進行時，可能不需要對測量數(shù)據(jù)進行廣泛的數(shù)學(xué)處理。如果在總體測量不確定度預(yù)算中考慮了與測量距離密切相關(guān)的不確定度，則OTA性能參數(shù)可以直接由測量功率密度得到。

4 坐標系/角度定義

如前所述，如在遠場測試，測試環(huán)境將十分龐大，目前的解決方案多為球面近場測試，球面坐標系見圖，與終端OTA 坐標系一致，定義車輛前方為X 軸方向，車頂為Z 方向。

由于車輛外殼會改變天線的電流分布，將天線孔徑視為和車輛本身一樣寬，因此車輛的最大尺寸決定了測試體積的大小。測試體積的大小必須足夠大，以完全包圍被測試車輛。

5 測試對比

為驗證整車天線球面近場測試可靠性，我們分別在1/4 環(huán)的球面近場和室內(nèi)遠場環(huán)境下，對北斗有源天線進行了比對測試。測試儀表采用網(wǎng)分，因北斗天線含有低噪放，在網(wǎng)分接收端增加20dB 衰減器，路徑校準時已包含衰減器。近場-10 度以下無探頭，算法上做截斷置零計算處理。

測試樣品：北斗天線，頻率1557MHz-1565MHz，天線尺寸約10cm*15cm，安裝在直徑1.2 米的鋁板上。

室內(nèi)遠場：長60 米，寬、高各30 米的矩形微波暗室，收發(fā)距離50 米，天線架高15米，采用U 形測試架，可進行3D 方向圖測試。測試時將天線和鋁板作為整體，鋁板模擬車體反射。

球面近場：采用1/4 環(huán)布局，角度覆蓋負10 度到90 度（以水平面作為0 度），在100 度范圍內(nèi)均勻布置101 個探頭，探頭陣列直徑12m，系統(tǒng)已做幅相一致性校準，支架金屬面均采用吸波材料處理。測試時將鋁板和天線置于球體中心，地面鋪滿500mm 吸波材料。

由數(shù)據(jù)對比看出，在60 度范圍內(nèi)一致性較好，85 度以下差異相對較大，分析原因一方面是因為近場做了截斷置零處理，邊緣處較大的截斷電平誤差導(dǎo)致通過近遠場變換得到的天線近場有效角域外的方向圖產(chǎn)生“振鈴效應(yīng)”，二是在接近水平面上，吸波材料反射率較大，三是在此方向上天線增益有所下降，信號自身波動較大。除個別位置外，兩場地測試增益差不超過0.5dB，基本滿足整車天線測試需求。