Challenges for Effective and Realistic 5G OTA Testing

Miguel á. García-Fernández

EMITE Ingeniería S.L.

David A. Sánchez-Hernández

Universidad Politécnica de Cartagena, Spain

构建经济可行的5G空中（OTA，over the air）测试场景的路径还不是很清晰。随着5G标准开发、网络部署和设备制造背负起巨大的压力，目前我们仍尚未能通过5G OTA测试系统解决相关实际问题。本文论述了所面临的部分挑战，并讨论了一些可能的解决方案。

新空口（NR，new radio）技术在人们心目中俨然成为了解决当前无线通信所有需求的一揽子方案，包括实现高吞吐量、低时延，以及改善面向终端用户的服务质量（QoS，quality of service）及体验质量（QoE，quality of experience）。首要任务是需要满足移动宽带通信中用户和业务容量的指数级增长。全球移动话务量将从2016年的每月7201千兆字节激增至2021年每月约48270千兆字节，增长率高达670％。¹ NR还有望用于处理连接到IP网络的海量设备，其数量在2021年大约将是全球人口的3倍（同样是从2016年的人均2.3台网络设备增至2021年的人均3.5台）。5G的关键特征中还列入了99.999％的感知可用性及超可靠性，增加了复杂度。

在各家竞相实现增长、连接性、可用性和可靠性的过程中，3GPP和CTIA应运而生成为了标准制定组织，使新技术在大规模部署之前得以进行充分的OTA测试。根据过去4G OTA测试标准化的经验，重点问题在于基于共识的OTA测试标准化进程能实现什么，以及如何用来解决5G部署和运营中的实际挑战。随着诸如MIMO技术、波束成形以及广为应用的毫米波频段等5G新概念的诞生，5G OTA测试俨然成为了无线通信行业近十年最大的挑战，也是成功实现5G部署运营的关键里程碑。

5G OTA测试方法

3GPP TR 38.810协议中探讨了三款不同的5G待测设备（DUT，device under test）的天线配置以及几种5G OTA测试方法，表1对此进行了总结。其中，混响室法（RC，Reverberation Chamber）非常适合用于测量各向同性关键性能指标（KPI，Key Performance Indicators），尤其是总全向灵敏度（TIS，total radiated sensitivity）还有杂散发射。最近的研究成果更实现了通过时间反演或多普勒识别效应进行定向测量的能力²，见图1。同时，人们也在针对5G OTA测试开发一些混响室的新用途，特别是对于定向信道环境下的设备³以及关于吞吐量和时延的实时OTA测试。

图1在混响室和暗室中测得的被测天线H平面的辐射图（经许可从参考文献2复制）。

混响室法对于5G非独立（NSA，Non-Standalone）和独立（SA，Standalone）OTA测试具有一些正面作用，例如在用于解决复杂多载波需求的情况下，和其他方案相比大大降低了设置成本。尽管复杂的多径系统意味着可能会造成部分空间信息丢失，但如果能对延迟和总吞吐量性能进行3D各向同性仿真也足以弥补，毕竟后者是用户在合理的时隙中能感知到的。然而5G OTA至今在应用混响室法进行各向同性5G信道模型仿真方面进展甚微，同时由于混响室法在3GPP缺乏有力支持，因此它还不是5G标准化测试方法。

将暗室多探头法（MPAC，multiprobe anechoic）扩展到5G意味着需要引入3D信道模型和毫米波，致使复杂度和所需探测器及配套信道仿真器端口数量大大增加，极大影响已经减小的静区，故该方案缺乏可行性。尽管也有研究者提出了一些多探头法的简化分区版变体，但需要在远场进行操作，这项额外需求就至少限制了多探头法在毫米波频段上对5G OTA的应用。

将辐射两步法（RTS，Radiated Two-Stage）纳入标准化5G OTA测试的过程，得益于在单个2×2单载波MIMO OTA模式下使用7个4G LTE FDD设备对多探头法的明显协调，但待测设备“无线电缆”的天线特性并不明确，必须预先测量完这些特性才能应用该方法。另外，两步法暂时还无法支持5G用户设备（UE，user equipment）使用波束锁定测试功能（UBF），这对标准化OTA测试而言显然是个限制因素。另一方面，被测设备的电尺寸仅受测试室大小影响。

借助于反射器，间接远场（IFF，Indirect Far Field）紧缩场（CATR，Compact Antenna Test Range）法能够比直接远场（DFF，Direct Far Field）法在更小的空间内创建平面波场，同时它好像也很适用于5G毫米波OTA测试，但却无法提供不同的频段。基于目前这些情况，CTIA委员会近期在起草即将于2019年第二季度发布的CTIA 5G NSA毫米波OTA测试计划v1.0,4版的过程中，决定对IFF法加以着重考虑。

近场到远场（NFTF）法采用数学变换来从近场的图样扫描中确定远场的KPI。NFTF法在测试实际运行的设备时存在缺陷。最初，NFTF测试系统被用来测量等效全向辐射功率（EIRP，Equivalent Isotropic Radiated Power）和总辐射功率（TRP，Total Radiated Power）。

DFF法需要知道夫琅禾费（Fraunhofer）远场距离，而鉴于空间和成本要求以及链路预算，这点在毫米波频段是做不到的。由图2可以看到，随着阵列尺寸的增加，一组间距为半波长的N×N阵列的远场范围也随之显著增长。不过DFF的混合应用对于5G sub-6GHz频段可能非常有用，因为其他方法在如此低频下均暴露出了缺点。

图2 间隔λ/2的N×N阵列的远场范围。

很显然，目前尚没有单一的OTA方法能够解决5G测试所面临的所有挑战。针对5G OTA面对的诸多问题，部分公司和机构正呼吁开发新型或混合测试方法来有效应对。最近发布的CATR+DFF+SNF 5G OTA测试系统就是一个很好的选择，如图3所示。一种经过优化的特殊反射器设计可以涵盖毫米波区域（FR2频段）以及部分sub-6 GHz区域（FR1频段），另有混合DFF/SNF塔全程保证FR1+FR2 OTA测试同时进行。

图3 EMITE出品的H300 CATR+DFF+SNF 5G OTA测试系统。

5G OTA测试的挑战

全集成的天线阵列

较前几代不同，5G用户设备因为尺寸小、部分频段频率较高，故不仅如图4所示填充了密集的天线外，也没有连接其他射频端口。测试无连接器的天线阵列显然是个难题，要求我们在严格把控的环境下进行OTA射频的测试与校准。除了信令性能测试和功率测量之外，通常还需要进行链路间的相位校准。可能发生的耦合以及测试对象形状的限制导致了每条射频链路的相干校准不一定形成最优波束。毫米波频段的上下变频也使得检测设备更加复杂。

图4 用户设备的天线布局演变进程。

被测设备外形

每种不同类型的被测设备的形状都有各自的要求和限制。芯片组5G OTA测量即为一种在实际SA环境中对芯片组的射频性能进行评估的测试。⁵因为5G频段的毫米波波长很短，所以芯片组很小是个优点，远场距离大造成的问题也因此得以最小化。存在的问题主要是芯片组一般没有射频连接器，同时自身也非常脆弱。5G OTA测试的另外两个和芯片组有关的难点是由于芯片组对环境条件敏感而需要精确控制腔室内的温度和湿度，以及为实现大规模生产，芯片组可能需要以面板形式来进行测量。由于每块面板都包含许多类似的芯片组，因此要对每一枚芯片组进行精确独立的5G OTA测试便成为一项极具挑战性的任务。在任何OTA测试环境中控制温度和湿度都不简单，迄今只有R＆S和EMITE两家公司宣布自家的测试系统配备了这样的功能。

5G OTA用户设备测试至少在初期曾被认为与传统4G技术兼容。虽然有人提议应当先尝试将4G OTA方法应用于新的5G设备，但有一点很明确，如果我们想让5G OTA测试还必须同时支持4G OTA测试，那么只会使之变得更加复杂。

gNodeB测试不但相关尺寸较大，同时还需要进行相位一致性校准，而由于信道数量多，这一点目前还存在困难。不单单是gNodeB端，对5G用户设备端而言，针对高方向性波束性能的OTA测量也是个难题，在本文中值得单独着墨。

空间敏捷性

空间敏捷性是5G的另一项关键性能。3GPP已为静态波束定义了中心和偏心KPI，但动态则是5G的固有部分。当用户设备移动时，诸如波束搜索、波束匹配、波束跟踪、波束成形或波束调度等过程变得必不可少。若将gNodeB与大规模MIMO相结合，则必须要注意空间非平稳性、角度扩展以及3D空间属性。由于探针天线的数量很大，故不同探针天线之间的信道具有很强的相关性，而如何消除gNodeB天线和探针之间信道相关性的影响仍然是一个重要问题。

最后，添加多用户双向信道为OTA测试带来了额外的挑战。有趣的是，整个5G gNodeB到用户设备的端到端（E2E，end-to-end）配置似乎吸引了最多的注意力，因为正是它们实现了特定用户性能。针对这类测试，目前有研究提出一种非常复杂的级联腔室组，一端连固定功率、无连接器的gNodeB，一端连移动的用户设备，旨在获取准确真实的KPI评估结果与范围。如图5所示的这类OTA测试设置中，针对NR波束控制、波束成形或基带波束跟踪算法的性能测试，诞生了一系列实时吞吐量、时延情况和移动性的测试。一个腔室捕获来自gNodeB的5G信号，并将它们重定向到信道仿真器和衰减器矩阵，后者又将信号衰减后重新导向5G用户设备所在的第二腔室，一般为混响室或暗室。这突破了先前OTA测试只有单室的设置，复杂度、专业度及成本都更高。

图5 搭载两个级联舱室的gNodeB-用户设备端到端5G OTA测试情况及范围。

信道建模

切实的信道建模体现了5G OTA测试的另一个关键要素。一些研究发现，现有3GPP信道模型的部分可扩展性一定程度上适用于高达100 GHz的高频段。测量结果表明，波长较短显然会使得传输模型对环境尺寸的灵敏度上升，并且显现出一些路径损耗的频率依赖性以及增加阻塞发生率。此外，穿透损耗与材料高度相关，并且随着工作频率的增加而增加。阴影衰落和角度扩散参数变大，视线（LOS，line of sight）和非视线（NLOS，nonline of sight）的划分不仅取决于天线高度，还取决于当前环境。这样一来简化了最初的部分结果，但主要困扰仍在于如何对分成若干频段截然不同的载波和MIMO路径的信号进行建模。可以预计FR1+FR2频段将成功组合，实现超过100Mbps的总用户吞吐量，并引出新的信道建模难题。

结论

5G将为无线通信行业带来的好处不言而喻，但也意味着我们需要对当前的OTA测试方式进行大改。我们迫切需要一套能在模拟实际使用情况的实验室中测试5G设备的性能指标和经济高效的方法。这其中包括测试主波束、在同信道中存在其他无线电的情况下进行测试，并测试多方干扰下的通信性能，以及评估用户设备和gNodeB两端的动态适应性能。

尽管目前已取得部分成果，但基于共识的3GPP标准化程序还远未实现目标，暂时也阻碍了实际问题的解决。在现阶段，未能达到期望是不合适的，研发精准现实的OTA测试方法也是科学界的责任。我们还有时间，但稍纵即逝。

参考文献（略）

将于4月1-3日在北京举行的电子设计创新大会（EDICON）将有很多关于5G OTA测试的演讲和产品展示，还有一个专门的5G OTA测试专家论坛。点此报名参会。