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OTA測試在5G時代的重要性
發表時間•₪✘✘:2018-11-24  來源•₪✘✘:http://www.eccpi.com/  瀏覽量•₪✘✘:897

5G 系統的更加先進·✘,無線使用者的數量將大幅增加││。使用者都希望自己所有的移動裝置都具備更好的質量和更高的可用性·✘,因此提高網路和裝置的可靠性勢在必行││。在評估和確定行動電話和平板電腦等無線裝置以及基站的可靠性和效能特性的過程中·✘,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裝置的實際使用環境││。

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││。儘管利用電纜連線移動裝置和測試裝置是最為方便和划算的做法·✘,但這樣將無法模擬出裝置的實際執行狀況·✘,因此隨著裝置的整合度日益提升·✘,這種方法的可行性將越來越低││。為了獲得 5G 所需的更高頻寬支援·✘,移動運營商將著眼點放到了更高的頻率·✘,這使得測試裝置面臨更大的挑戰││。為了使移動裝置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││。透過這種方式·✘,設計人員可以觀察到無線電波從使用者裝置傳播到基站以及從基站傳播到使用者裝置時的實際情況││。 

在移動技術面向 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·✘,被測裝置 (DUT) 的整合度大幅提升·✘,無法使用電纜在被測裝置和測試裝置之間建立物理連線·✘,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·✘,因此需要透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效能時·✘,需要進行測試設定││。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✘↟•·、產業組織和運營商均要求對無線裝置進行 OTA 測試││。為了實現移動系統的全球可訪問性和互操作性·✘,業內已經發起了認證測試·✘,使得全世界製造商旗下的全新移動裝置都能具備相同的質量水平││。CTIA(行動電話行業協會)針對 3G 和 4G LTE 裝置制定了 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 效能定義了最低效能要求·✘,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·✘,無線運營商也制定了行業效能要求·✘,且新裝置必須符合相關要求方可入網執行││。 

通常情況下·✘,所有能夠發射電磁波的裝置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裝置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││。其重要性在於·✘,天線向各個方向均勻發射訊號使得移動裝置使用者無需面朝特定方向即可獲得高質量訊號·✘,也不會在經過高層建築物時掉線││。研發時使用 OTA 測試裝置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││。

 

5G 對 OTA 測試的影響 

一.釐米波和毫米波的對比

為了容納更多的使用者✘↟•·、獲得更高的頻寬和實現更高的資料率·✘,移動運營商需要啟用更高的頻率││。啟用 30✘↟•·、40✘↟•·、50✘↟•·、60 甚至 90 GHz 的頻段時·✘,裝置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·✘,我們需要進行技術革新││。這些應用需要全新裝置將具有很高的整合度·✘,這使得透過電纜建立物理測試連線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││。

 

二.波束成形

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·✘,或將移動裝置的輻射能聚焦為尖窄波束││。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││。需針對聚焦波束設定空間或方向元件·✘,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 UE 的不相關位置同時向不同的 UE 傳送資料·✘,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││。

聯結器的成本✘↟•·、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·✘,無線電收發信機直接與天線整合·✘,由此造成 RF 測試埠的損耗·✘,因此 DUT 無線電和天線的效能只能透過空中傳輸OTA方式測量││。

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·✘,基本元件大體維持不變·✘,但必須能夠適應較高頻率││。

 

三.OTA 測試系統的元件和測量 

OTA 效能測試系統的核心部分包括測試暗室✘↟•·、轉檯定位裝置✘↟•·、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││。被測裝置和測量天線之間建立了通訊·✘,以確保裝置正確傳送和接收訊號││。目前的 OTA 測試需在(遮蔽和封閉的)理想環境中進行·✘,即在無反射且無回波的電波暗室中進行││。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││。測試中需要考慮到裝置的輻射特性·✘,同時應消除其他一切傳輸干擾││。 



現實生活中移動裝置會在室內或室外✘↟•·、城市或農村✘↟•·、開闊區域或森林·✘,或存在其他無線裝置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透過行動網路測試進行模擬·✘,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裝置的各類效能因素·✘,包括訊號路徑✘↟•·、天線增益✘↟•·、天線方向圖✘↟•·、輻射功率和裝置靈敏度等││。2015 年 5 月·✘,CTIA 釋出了“無線裝置空中傳輸效能測試計劃”(Test Plan for Wireless Device Over-the-Air Performance)·✘,專門針對功率和效能指定了測試和設定程式以及測量方法││。 

如今·✘,關鍵的 OTA 測試測量資料包括裝置的總輻射功率 (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││。TRP 屬於發射機效能指標·✘,而 TIS/TRS 屬於接收機效能指標││。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││。可透過 OTA 測試提高出現了問題的區域中的裝置效能││。

 

四.5G OTA 測量所面臨的挑戰 

我們在進行 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││。隨著面向 5G 系統的技術不斷髮展·✘,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 天線設定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││。必須要為裝置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││。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││。

還有一項挑戰是·✘,有源天線系統中的每臺收發信機都需要透過 OTA 介面進行測試·✘,同時對發射機和接收機進行測量││。必須將每臺收發信機開啟進行單獨驗證·✘,或將一組收發信機開啟進行聯合評估││。

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·✘,移動使用者需要透過精確的波束生成來快速採集和跟蹤訊號││。對於現有蜂窩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裝置的 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線來實現重複測量││。5G 裝置中缺少外接型 RF 測試埠·✘,因此需要在 OTA 環境中定義此類測試設定和必要的校準措施││。 

類似的挑戰也存在於生產過程中││。每臺具備無線功能的裝置都需要執行輻射裝置測試││。為了不影響裝置的生產速度·✘,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裝置測試需求·✘,而不會影響到測試方法的質量或深度││。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裝置執行功能性測試││。 

 

五.選擇 OTA 測試系統 

在選擇 OTA 效能測試系統時·✘,需要考慮的最重要的因素是系統的靈活性和可擴充套件性││。對於測試不同的頻率範圍✘↟•·、裝置大小以及使用模式而言·✘,這一點至關重要││。 



OTA 測試系統可透過以下兩種方式進行購買•₪✘✘:第一種是購買需要由使用者自己組裝和整合的單獨元件·✘,第二種是購買完整的交鑰匙系統││。由於系統十分複雜且需要整合大量不同的元件·✘,購買完整的交鑰匙系統將會是最為保險和便捷的方式││。OTA 測試系統供應商是客戶的寶貴資源和合作夥伴·✘,他們能夠為客戶培訓所需的功能✘↟•·、針對客戶的特定需求提出自定義功能建議·✘,並在整個安裝和使用過程中為其提供支援││。 

 

5G 的出現為 OTA 測試帶來了全新的挑戰·✘,因為移動裝置設計將需要的全新測試方法和測試裝置仍待確定││。由於 OTA 測試供應商實際上是在為不斷變化的目標開發裝置·✘,因此需要與主要客戶保持密切聯絡·✘,並需要積極參與標準化委員會和研討會的各項活動·✘,以掌握最新趨勢和整體市場需求││。 

如今羅德與施瓦茨公司推出了 R&S®TS8991 OTA 效能測試系統·✘,該系統為用於無線測試的交鑰匙系統·✘,可滿足業內和監管部門的認證測試需求││。R&S®TS8991 內含電波暗室✘↟•·、定位裝置✘↟•·、測試儀器和自動化測量軟體││。該系統符合 CTIA✘↟•·、 CTIA & Wi-FI Alliance® 和 3GPP 測試計劃的要求││。該測試系統適用於不同尺寸的裝置·✘,其模組化系統設計允許客戶進行特定配置││。系統支援自定義設計·✘,以滿足尺寸✘↟•·、功能✘↟•·、頻率範圍和應用方面的特定要求││。為了滿足可擴充套件性和靈活性方面的需求·✘,目前我們正在對 R&S®TS8991 實施首個針對 5G 測試應用的實踐計劃││。

 

總結

在向 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·✘,我們可能無法繼續透過測試埠進行測量││。裝置供應商將需要依靠 OTA 測試來驗證裝置效能││。此外·✘,隨著 5G 裝置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││。與前幾代裝置相比·✘,5G 裝置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伙伴關係││。

 

 

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