5G訊號(hào)當(dāng)?shù)?OTA測(cè)試關(guān)鍵任務(wù) ?毫米波高頻測(cè)試

從現(xiàn)在到2030年，5G將持續(xù)保有世界上最重要的蜂窩技術(shù)的主導(dǎo)地位。在接下來的10年里，原始設(shè)備制造商必須不斷創(chuàng)新，以便他們能夠繼續(xù)滿足對(duì)更快、更廣泛和更可靠連接的需求。憑借更快的速度和超低延遲，新的5G無線電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在許多應(yīng)用市場(chǎng)中運(yùn)作，包括汽車、工業(yè)、醫(yī)療和國(guó)防等。

5G帶來的改變
5G無線電網(wǎng)絡(luò)帶來了主要的頻域挑戰(zhàn)和架構(gòu)變化。5G頻率范圍包括低頻段（低于6 GHz）和高頻段毫米波（24 GHz至100 GHz范圍）。電路架構(gòu)的挑戰(zhàn)在于在管理系統(tǒng)級(jí)電源的同時(shí)，還增加了網(wǎng)絡(luò)上的信道數(shù)量。

與4G系統(tǒng)相比，5G系統(tǒng)速度快上數(shù)百倍，延遲降低10倍，網(wǎng)絡(luò)密度更高，可支持?jǐn)?shù)十億臺(tái)設(shè)備。例如，透過4G下載一部高清電影需要幾十分鐘，而透過5G下載只需幾秒鐘。4G系統(tǒng)的延遲在50到200毫秒之間，接近人類視覺刺激反應(yīng)的250毫秒。但使用5G，延遲降至1毫秒。盡管如此，增加的速度和額外的設(shè)備及用戶的組合，也大幅地影響了系統(tǒng)功率。

在5G網(wǎng)絡(luò)中，需要提供更多容量和靈活性，同時(shí)降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用（OPEX）。增加容量的最簡(jiǎn)單方法，是增加網(wǎng)絡(luò)中的基地臺(tái)數(shù)量。然而，由于這種方法會(huì)產(chǎn)生高昂的用地和能源消耗成本，因此接受度十分有限。一種更省時(shí)省力的方法，是使用大量具有幅度和相位控制的TX和RX天線組件，也就是發(fā)射端與接收端，這些被稱為大規(guī)模MIMO系統(tǒng)（Massive MIMO）。有多種方法可以操作此類系統(tǒng)，它們可用于透過空間重復(fù)使用來允許多個(gè)預(yù)編碼數(shù)據(jù)流，或透過波束成形技術(shù)，以及兩者組合等方式來增加增益。

在現(xiàn)有的6GHz以下頻譜中，基地臺(tái)通常應(yīng)用大量TX與RX天線組件，來為多個(gè)用戶提供并行數(shù)據(jù)流服務(wù)，這就是多用戶MIMO（MU-MIMO）。相比之下，厘米波和毫米波頻譜中的高路徑損耗衰減，需要更高的天線增益，這是透過應(yīng)用動(dòng)態(tài)波束成形來實(shí)現(xiàn)的。MU-MIMO和波束成形等技術(shù)都可以在不需要額外基地臺(tái)的情況下，增加小區(qū)域的傳輸容量。

OTA測(cè)試挑戰(zhàn)

 
圖一 : 在NR中，3GPP規(guī)范了兩個(gè)分離的頻譜，F(xiàn)R1和FR2。在FR1中，一般可能會(huì)使用導(dǎo)電測(cè)試。但是FR2就必須被迫使用OTA。

在設(shè)計(jì)大規(guī)模MIMO天線系統(tǒng)時(shí)，開發(fā)工程師面臨新的挑戰(zhàn)，包括功率放大器（PA）的熱效應(yīng)和模塊之間的頻率漂移，這些都會(huì)影響所需的波束圖形。在天線系統(tǒng)中，收發(fā)器前端與天線數(shù)組整合在一起，這意味著無法再使用傳統(tǒng)的RF輸出接口。此外，光纖接口也取代了傳統(tǒng)RF輸入接口。因此，空口測(cè)試（Over The Air；OTA）成為大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的慣用的測(cè)試方式，也用于對(duì)傳播信道的空間特性進(jìn)行建模。由于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的大小不同，因此遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的測(cè)試需要多種屏蔽環(huán)境。

對(duì)于無線通信系統(tǒng)，用戶設(shè)備測(cè)試在本質(zhì)上是傳導(dǎo)測(cè)量。即使在組件端，RF連接器也可用于測(cè)量RF性能。此類指針可分為TX性能參數(shù)（例如功率電平、EVM質(zhì)量或頻譜發(fā)射）和RX性能參數(shù)（例如接收器靈敏度和選擇性）。天線在整體傳輸性能中也起到了至關(guān)重要的作用。

由于芯片組和天線的整合度不斷提高，以及毫米波范圍內(nèi)使用了更高的頻率，芯片組測(cè)試、RF測(cè)試和天線特性之間的界限變得模糊。高度整合的天線不再允許對(duì)芯片組和天線進(jìn)行隔離測(cè)試。在FR2的高頻波段中，透過電纜連接器的方式不再可行?？s小組件尺寸只會(huì)產(chǎn)生很小的影響。相較之下，會(huì)產(chǎn)生成本和其他問題相關(guān)的重大挑戰(zhàn)，例如路徑衰減、連接器之間的RF匹配，以及連接設(shè)置對(duì)彎曲的敏感性。測(cè)試設(shè)置變化的主要原因在于使用者設(shè)備（UE）中引入了定向天線。因此，波束成形不再是僅在基地臺(tái)中才能找到的功能，為此必須創(chuàng)建一個(gè)新的測(cè)量場(chǎng)域。

比較起時(shí)間度量（例如功率與時(shí)間）、頻譜度量（例如頻譜發(fā)射掩模）和代碼域度量（例如代碼域功率），基于空間域的度量變得很重要。球面輻射方向圖和球面接收器特性等術(shù)語(yǔ)，在測(cè)試與測(cè)量產(chǎn)業(yè)中已經(jīng)司空見慣。天線在無線通信系統(tǒng)中發(fā)揮了舉足輕重的作用?，F(xiàn)代通信技術(shù)使用復(fù)雜的方法，例如天線、硬件整合、主動(dòng)式組件和定向天線等。尤其是在5G NR中的毫米波頻率范圍（FR2）等更高頻率下，由于天線尺寸、電纜成本和設(shè)置復(fù)雜性，以及彎曲或不匹配的脆弱性，傳統(tǒng)透過纜線來進(jìn)行DUT測(cè)量的方式不再可行。我們甚至可以說，測(cè)試的方式發(fā)生了典范式的改變。由于導(dǎo)入了定向天線，因此必須在空間域中進(jìn)行測(cè)量，OTA空口測(cè)試是必須采用的方法。

OTA測(cè)試的重要性

 
圖二 : OTA已是5G天線測(cè)試不可或缺的步驟。圖為OTA測(cè)試設(shè)備。（source：R&S.com）

為什么OTA成為5G NR中的一個(gè)大挑戰(zhàn)？在5G NR中，3GPP規(guī)范中規(guī)定了兩個(gè)分離的頻譜。一個(gè)是FR1（低于6GHz），另一個(gè)是FR2（毫米波）。在FR1中，一般可能會(huì)像使用 2G、3G、4G技術(shù)一樣繼續(xù)進(jìn)行導(dǎo)電測(cè)試。但是，在FR2中，就必須被迫使用OTA。這其中牽涉到以下幾個(gè)原因。

復(fù)雜性
在FR2中，幾乎可以肯定將會(huì)使用某種類型的數(shù)組天線（大規(guī)模MIMO）。這意味著設(shè)備上將有很多天線。如果想進(jìn)行導(dǎo)電測(cè)試，則必須連接數(shù)量龐大且復(fù)雜的線路，而如果使用OTA，則可以更為簡(jiǎn)潔快速的測(cè)試?；跍y(cè)試的時(shí)間與成本等考慮，采用OTA是最好的方案。

空間不足
有許多理由都必須使用OTA，盡管電纜連接已經(jīng)夠復(fù)雜了，但測(cè)試工程師仍將面臨另一個(gè)嚴(yán)重的問題。即使天線數(shù)組中有許多天線組件，天線模塊的整個(gè)尺寸在毫米波頻率下也不夠大，無法容納所有電纜連接器。

成本
假設(shè)測(cè)試中必須使用導(dǎo)電測(cè)試，盡管已經(jīng)存在所有復(fù)雜性和空間問題，但在這種情況下，導(dǎo)電測(cè)試也存在其他問題。在大多數(shù)常規(guī)測(cè)試中，可能使用了低成本的SMA連接器和電纜。但是，卻無法在毫米波中使用SMA類型的連接器或電纜來進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。如果頻率更高，這時(shí)候便需要K連接器或更特殊的連接器和電纜（例如V連接器)。這些類型的特殊連接器和電纜的成本遠(yuǎn)高于那些SMA纜線。如果將來需要使用非常高的頻率（例如超過60GHz），透過OTA會(huì)是更好的方法。

測(cè)量的物理性質(zhì)
即使克服了上述所有問題，由于測(cè)量本身的性質(zhì)，某些類型的測(cè)量也需要OTA。例如，如果要檢測(cè)天線數(shù)組形成的波束方向，就必須依靠OTA測(cè)量。盡管可能仍然可以透過導(dǎo)電測(cè)試來做到這一點(diǎn)。從理論上講，可以將來自每個(gè)天線組件路徑的所有信號(hào)降低到基頻帶，并透過基頻來確定波束方向（和波束的其他性質(zhì)），理論上這是可能的。但是如果有像OTA測(cè)試這樣相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，就應(yīng)該要選擇OTA測(cè)試。

結(jié)語(yǔ)
5G NR技術(shù)推動(dòng)了對(duì)新測(cè)試方法的需求。隨著更靈活的參數(shù)集、更復(fù)雜的波形和信道編碼技術(shù)、并擴(kuò)展到毫米波頻率、更寬的信道帶寬，以及先進(jìn)的多天線訪問機(jī)制都在5G裝置中實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員也必須存取協(xié)議堆棧的多個(gè)層級(jí)，以充分測(cè)試傳輸速率和波束成形效能。此外，對(duì)OTA測(cè)試解決方案的需求也使情況更加復(fù)雜化。對(duì)于測(cè)試業(yè)者來說，在早期階段與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者合作，有助于厘清5G NR的復(fù)雜性，并進(jìn)而開發(fā)涵蓋整個(gè)工作流程的測(cè)試解決方案。