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测试测量行业力图解决5G下OTA测试问题
材料来源:《微波杂志》2019年5/6月号           录入时间:2019/5/31 8:31:56

Test & Measurement Industry Tackles 5G Over-the-Air Testing

Pat Hindle,《Microwave Journa》总编

20186月,3GPP正式批准了R15标准。同年年底前,5G商用网络便迅速在美国(VerizonAT&T)和韩国(KTLG UPlusSK Telecom)建立了起来。2019年,整个电信行业会有更多5G网络推出,同时重点将从LTE转移至5G。由于5G标准尚未完全确定,全球的基站和手机制造商、无线运营商以及监管机构必须迅速集结起来,并就5G商用网络如何安装、验证和维护达成一致。值此重要时机,本刊采访了九家测试测量行业领军企业,汇总了目前5GOTA测试所面临的挑战和解决方案。这些公司包括安立(Anritsu)、EMITEETS-Lindgren、是德科技(Keysight)、MVG、美国国家仪器(NI)、NSI-MI、罗德与施瓦茨(R&S)以及BoontonNoisecom

5G测试挑战

安立公司表示,首要问题在于5G和LTE所用的测试技术存在根本性差异,如毫米波频率、大规模天线阵列、波束成形还有动态物理层属性等方面,所以生搬硬套是行不通的。

世界各国采用了不同的频段进行5G部署,除了需要符合3GPP的5G空口(NR)标准,大多还要求遵循当地政府的监管规定。

R&S公司在近期给本刊的一篇文章中提到,5G部署情况取决于整合了调制解调器、射频前端和天线的高集成解决方案的性能。目前的难点在于如何为性能评估开辟新方法和提供新仪表,因为射频测试端口日益减少,波束控制技术又要求系统级测试。在这种情况下,天线和收发机的性能参数都必须通过OTA进行测量:有效全向辐射功率(EIRP)、总辐射功率(TRP)、有效各向同性灵敏度(EIS)、总各向同性灵敏度(TIS)、误差矢量幅度(EVM)、相邻信道泄漏比(ACLR)和频谱发射掩模(SEM)是所需的一些关键指标。

R&S还指出,进行这一系列OTA评估需要考虑到测量距离的关键问题。我们通常在远场测量天线特性(见图1)。如果采用远场直接探测并应用Fraunhofer距离准则(R = 2D2/λ),对辐射频率为2.4GHz、尺寸为75厘米的大型MIMO被测设备进行测试所需的腔室边长至少需要达到9米。即便是一个长度仅为15厘米、传输频率为43.5GHz的智能手机,都需要6.5米的测试距离。这一距离保证了被测设备能够位于静区中,也即由足够均匀同时趋近于相位差小于22.5°的平面波的撞击流流场包裹而成的区域。

1R&S公司提供的近场、远场和Fraunhofer距离下的天线方向图

克服腔室空间约束的一种方法是运用反射器,其抛物线形状可以将入射的球面波前投射成平面波。这种反射器广泛应用于毫米波OTA测试装置,称为紧缩天线测试场(CATR),原理图见图2。

2:紧凑型天线测试范围工作图

安立公司称门控扫描可以很好地帮助测量EIRP。借助门控扫描,用户可以确定要测量5G信号传输过程中的哪一部分。这一点很重要,因为5G-NR信号在10ms帧内可以采用55种不同TDD Tx/Rx比率进行时隙配置。用户通过仅选择特定的子帧或符号,可以确保只测量下行链路的射频,这样能够更准确地反映辐射到大气中的射频能量。

ETS-Lindgren和安立公司同时也都认为,若要对5G设备开展有效的EMC测试,还需要进行重大变革。监管标准中通常都要求测量TRP,以保障无线电传输功率不会过大。此时信号是由一台在LTE某个扇区内均匀辐射能量的各向同性发射机发出,因此容易测得无线电总功率,并借此判断空中能量是否位于安全范围内。ETS-Lindgren公司强调了波束成形的难度,如图3所示。由于这里的信号是定向的,我们无法方便地测得任意一个点的能量,更无从得知有多少功率辐射到了大气中。考虑到旁瓣和后瓣,测量TRP的唯一方法是将功率整合到一个包裹于天线外围的360°球体中。尽管这方法可行,却耗时耗材。

3ETS-Lindgren公司提供的28GHz相控阵方向图,最左侧为主波束,往右依次为第一至第六谐波辐射方向图

安立公司还指出,随着整个行业逐步统一到最优的安装及维护方案,下一个挑战将会是制定测试流程并确定测试装备,以保证尽可能准确、高效且经济实惠。这就要求测试厂商们能够快速回应测试需求,并备好新一代硬件设备以应对挑战。

OTA测试方法

是德科技为我们详细阐述了测试方法,并表示制定OTA测试方案时最重要的是充分了解测试对象及其所需测试内容,还有适用于不同测试个例的测试方法。在实际消费市场中,调制解调器、天线、子系统以及组装完全的终端用户设备都将会进行测试。基站的测试也会是类似的一个流程。从研发阶段开始,到一致性及最终设备验收测试构成了一个典型的测试周期。

通常,测试可分为一致性测试和性能测试。若要发布新设备就必须进行一致性测试。它是一项关键要求,需要我们将设备连接到无线测试系统并完成所需的3GPP测试内容:

·射频收发性能——信号质量的最低水平

·解调——数据吞吐量性能

·无线资源管理(RRM)——初始化、切换和移动性

·信令——上层信令流程

是德科技认为,调制解调器芯片组、天线、基站和集成设备需要混合应用传导及OTA测试。大多数在频率范围1(FR1:450 MHz至7.125 GHz)上的测试会采用传导方案,而3GPP已经规定了频率范围2(FR2: 24.25 to 52.6 GHz)上所有一致性测试都采取OTA测试方法。

是德科技表示,迄今为止3GPP共批准了以下三种OTA测试方法:

·直接远场法(DFF):测量天线放置于远场中。远场距离(Fraunhofer距离)从2D2/λ处开始,其中D为辐射元件的最大直径、λ为波长,达到这一距离意味着角场分布不再变化。采用直接远场法能够进行最全方位的测试、能测量多个信号,但同时在毫米波频段也会致使测试场较大。

·间接远场法(IFF):通过物理转换创造远场环境,一般为利用抛物面反射器来准直探针天线发射信号。此方法通常采用CATR实现,虽然只能用来测量单一信号的到达/离开角度,不过距离短得多,路径损耗也更小。

·近场到远场法(NFTF):在辐射近场区域内对电场的相位及幅度进行采样,并计算远场方向图。该方法也仅适用于单个LOS收发机的测量。

R&S公司称,截至2019年1月初,3GPP在TS38.521‐3标准中规定了一系列的发射机和接收机测试。该标准是NR用户设备无线收发一致性的规范条例,其中“-3”指第三部分,确定了FR1、FR2与LTE互通工作情况,也即NSA sub-6GHz和NSA毫米波频段。由于毫米波频段的测试需要通过OTA实现,并构建暗室来完成,因此难度愈发加大。这意味着此时可达到的测量不确定度(MU)及测试容差(TT)会比sub-6GHz的FR1传导测试结果大得多。3GPP内部一直在商讨FR2下可以接受多大的MU和TT,在得出确定结论前,尚无法确立符合规范的FR2射频一致性测试。

对于SA部署情况,38.521标准中相应的第一(sub-6 GHz)、第二部分(毫米波)进行了更加详尽的规范,尽管今年年初会部署的第一批5G NR为NSA。此外,NSA下的性能测试标准(38.521-4)以及RRM测试要求(38.533)亦尚未完善。

表1由NSI-MI绘制,总结了不同测试类型及天线尺寸情况下各测试环境的适用性,并用颜色区分了方案质量,考虑因素包括信噪比、效用、成本等。

EMITE公司认为并没有哪种单一的OTA测试方法能够一劳永逸地解决我们当前面对的所有问题和挑战。因此,业界需要采取多种方式来应对。部分公司的研究表明,完全各向同性的系统较容易具备一些关键性能参数,而其他5G特性的评估则需要定向性。此外可能还会要求能够同时应对远近场距离、高低频以及大小外壳的差异进行测试。

ETS-Lindgren公司还补充道,工程师们常常会问,是否可以设计出一个单独的全能腔室,来进行5G下OTA、EMC和电缆替换测试。然而他们会发现各个方法之间互相严重制约,导致成本高、效率低。为满足测量不确定性的要求,不同测试类型的最优化方案亦不相同。如一个经典的3m EMC腔室静区若要在EMC和远场OTA要求间进行转换,就需要额外的吸收器和测量天线进出。建立一个两全其美的测试腔便要花费额外的转换时间与金钱,得不偿失。

现有OTA测试产品

以下是这几家测试测量行业领军企业提供的一些OTA测试方案:

安立

继2019年2月在巴塞罗那MWC大会上发布了Field Master™ Pro MS2090A后,安立公司又推出了第一款野外便携式5G NR测量仪器(如图4所示),连续覆盖了sub-3 GHz、sub-6 GHz及毫米波频段。Field Master Pro MS2090A的研发过程得到了一众5G龙头基站制造商的密切支持,并被用于安装第一个商用5G NR网络。一台手持设备都具备如此强大的功能,想必会对测试行业造成不小的冲击。

4:安立公司Field Master™ Pro MS2090A手持式设备

Field Master Pro MS2090A的主要特性包括:

·可覆盖9 kHz至9、14、20、32、44或54 GHz的连续频率范围

·当前5G部署下100MHz分析带宽

·5G NR解调功能

·RTSA功能用于干扰侦测

·内置EIRP及门控扫描用于传输测试

·10.1英寸多点触摸屏用户界面

EMITE

作为这个领域里的小公司,EMITE推出的产品线范围却很广。EMITE的PT系列是一个小型的混响室,适用于简单判断通过与否的毫米波SISO OTA测试或非信令产品OTA测试,最多可同时支持八台尺寸不超过15cm的DUT。

E系列则为中型混响室,能够实现全自动5G OTA测试,包括各向同性关键性能指标,以及延迟和吞吐量。E系列测试室能兼容众多4G、5G运营商的需求,最高可实现8×8 MIMO,并可利用信道仿真器进行5G信道建模。作为EMITE推出的独门产品,该系列还能够级联来进行大规模MIMO和端到端OTA测试。这也标志着5G的OTA信号测试的第一步。

F系列是一个复合混响/消声室,能混合提供两种模式(见图5)。混响模式可实现简单全自动的4G、5G OTA测试;而对于尺寸小于1.5m的DUT,消声模式则支持3GPP允许的所有OTA测试方法(IFF、NFTF和DFF)。

5EMITE公司的F系列200MHz110GHz混合消声/混响室

H系列则是一个小型消声室,集合了组合式CATR、球形近场以及DFF测试系统,可用于同时测试FR1和FR2频率组合。该系列是目前市面上唯一一款用于具备温湿度可调泡沫外壳的无线OTA测试装置(如图6所示)。其温度范围为-40℃至90℃,上下浮动±0.5℃,加热及冷却变化率为2℃-4.5℃/min;相对湿度范围10%至98%,上下浮动±0.5%到±3%。

6EMITE公司H系列600MHz110GHz小型消声室,内置温湿度可调的包裹结构

ETS-Lindgren

目前已有ETS-Lindgren或其他厂商的OTA系统的实验室如果知道针对sub-6 GHz(FR1)频段5G测试的升级包已问世应该会很欣慰。此次升级成本很低,且向后兼容,故可实现一套OTA系统同时覆盖5G、4G和3G。

对于5G下FR2毫米波OTA,ETS-Lindgren推出了AMS-5700系列测试室(见图7)。AMS-5700系列灵活度极高,一个系统可适用于多个项目及用例,且对尺寸为60cm以下的天线阵列均可实现直接或间接远场配置。其中AMS-5703配有一个大静区和独特的定位系统,以应对将来CTIA模型测试的要求。

7ETS-LindgrenAMS-5700桌面OTA测试室

ETS-Lindgren同时也提供定制服务:近期一个项目就做到了在与移动UE相连的5G基站(gNB)测量端到端数据吞吐量、MIMO以及波束转向性能。另一个复杂的汽车项目则通过集成在自动驾驶车辆上的数十个天线和传感器,实现了对车用无线通信技术(V2X)的测量并取得最优化结果。

是德科技

基于从研发到设备验收的流程,是德科技提供全套OTA解决方案。典型的方案通常包括测量软件、模拟5G基站的网络仿真器,还有模拟射频环境的信道仿真器。对于FR2,则会包含OTA测量系统,一般是加入射频屏蔽箱、探头及链路天线、不同的DUT定位器还有相关控制软件。是德科技提供的产品可满足各类测试方法以及对调制解调器、天线、集成设备和基站的不同需求。从研发到设计验证、协议与RF/RMM一致性测试、设备验收测试的每一步,都需要进行OTA测试。是德科技所支持的各种方案如表2所示。

是德科技提供基于CATR的解决方案,可对射频进行IFF测量、射频参数测试及天线方向图测量,尤其适合用于测试天线、电话、平板手机、平板电脑、笔记本电脑还有小型5G基站。为了在实际工作条件下测试设备,需要模拟5G信号不同的到达方向,即模拟环境的空间特性。为实现这一点,是德科技模拟了从基站到设备的信号。他们的多探头消声室能帮助我们理解设备是如何在同时具有多个辐射波束角的空间环境(见图8)中工作的。该方案采用了是德科技的UXM 5G无线测试平台、PROPSIM F64信道仿真器以及性能网络分析仪,在真实环境下测试设备,获取吞吐量、切换等不同关键性能指标的信息。

8:是德科技的多探头消声室(MPAC

MVG

MVG提供基于快速采样的多探头系统,用辐射近场的探头阵列在设备周围的闭曲面上测量幅度和相位。设备的远场性能由NFTF确定。通过后处理,可确定辐射设备的幅度及相位,从而获得设备性能的重要信息。

随着5G频率下设备电尺寸日益增大,测试时间也随之变长,用户很难再采样进行穷尽测试。相较于传统的单探头系统,MVG的多探头系统能够大大加快测试进度,帮助用户用更短的时间更全面地了解设备特性,从而实现在环研发(见图9)。

9MVG多探头系统对无人机的测试过程图

将天线集成到更大的电气设备时,天线之间的耦合现象会显著影响设备性能。在手持5G设备上集成小型阵列就属于这种情况。我们需要选取有代表性的标准人体模型(包括手、头、躯干等部位)进行测试,才能了解最终的设备性能。通过全新的测量后处理功能,用户得以检查结果,并深入理解设备在不同场景下的辐射特性,使得研发工程师能够开发出更好的产品。

从以往的案例来看,CATR一直是测试高增益天线(如基站)的首选方案。MVG系统的特点在于高性能馈源,专门用来保持带宽较宽时静区的高平面波纯度。MVG系统还有一个特色就是定位器,能够将对设备的干扰降至最低,故而可用于小型手持设备。

平面波合成器(PWS)或平面波发生器(PWG)阵列具有最优复系数,能够生成紧邻阵列的平面波。类似于CATR,PWG可以在靠近阵列的某块静区内实现远场测试条件,只不过距离更近,从而使得系统更加紧凑且易于使用。MVG推出的PWG系统一套即可覆盖5G测试的整个带宽。同时MVG还提供可容纳整个基站甚至车辆的大型系统(见图10)。

10MVGSG 3000F自动测试系统

美国国家仪器

工程师们讨论起OTA测试方案,总会自然而然就想到用射频室作为组件。对于设计特性、有效性、符合性以及一致性测试,一个合适的射频室(消声、CATR或混响型)能够创造一个安静的射频环境,确保设计在满足所有性能和法规要求之外还具备足量的裕度及再现性。然而,传统射频室若要进行大规模量产,会占据大片厂房,打乱物料处理流程,极大地增加资本支出。

为解决这些问题,支持OTA的IC插座正投入商用,可实现小尺寸半导体的OTA测试功能。这种插座是个集成了天线的小型射频屏蔽箱。尽管测量天线离DUT的IC隔了几厘米,但已足够对每个天线单元进行远场测量了。鉴于插座尺寸较小,还方便了多站点并行测试,以增加测试吞吐量,并尽可能降低信号功率损耗。另一方面,小插座也会阻碍对整个天线阵列进行波束成形测量。通常天线阵列固有的远场距离为10cm以上。

在28GHz下,10cm的距离意味着超过20dB的自由空间路径损耗。相较之下,等长同轴电缆损耗仅为1dB。若要采用OTA法进行接收机IP3测量,测试仪器在发射天线处的输出功率就需要高20dB,才能保证在DUT处获得相同水平的接收功率。基于射频室的OTA配置要实现这点可能比较困难;而对基于插座的OTA方案而言,间隔1.5cm意味着发射功率只需要高出5dB。

随着有源波束成形电子器件的应用,新一代5G有源天线阵列设备包含了诸多非线性射频组件,如数控PA、LNA、移相器和混频器。新设计在单个封装中集成了多信道配置。美国国家仪器的软件设计测试平台与最新的5G NR物理层要求保持同步,包括具备了能够测试NR宽载波分量或载波聚合信号的检测技术及瞬时带宽。NI的高带宽仪器还可以通过数字预失真技术对DUT进行线性化。NI平台能够实现相位相干和时间对准扩展,形成多信道测量系统,以便对最新的NR半导体器件进行全方位测试。

NSI-MI

NSI-MI科技的5G测试产品包括近场和CATR系统。对于近场测试,NSI-MI建议尽量只用连续波进行方向图测试。SNF-FIX-1.0为一个球形近场系统,可围绕一个固定DUT将探头沿球面旋转至任意位置(θ ≤ 150°)。这一操作通过双旋铰接臂架来实现。该系统的优势在于无需对DUT进行任何转动即可对近场方向图进行采样。图11为SNF测试系统。如果对DUT平稳性没有要求,SNF-RAZ-0.7的RO/AZ(roll-over-azimuth)系统也可用于球形近场方向图测试。

11NSI-MISNF-FIX-1.0球形近场系统

对于一般的5G测试,NSI-MI建议采用CATR。NSI-MI设计的腔室能够处理高达110GHz的毫米波频率。专为5G开发的CATR针对的主要是毫米波测试,因为后者是5G下OTA测试的主流;但系统经调整也可用于FR1。同时,它们适用于30、50、80及100cm静区(见图12)。

12NSI-MI便携CATR系统(80cm静区)的CAD

R&S

由于OTA测试室用到的吸收材料不能耐受过高或过低的温度,想要加热或冷却整个腔室就变得很困难。高精度定位器中的电机同样如此。解决方法是用一层较小的包覆层将腔室中的DUT罩起来,只改变其内部的温度,而不影响整个测试室。当然,这样的包裹结构本身对DUT辐射参数及波束的影响必须极小。

一般来说,CATR通常和定位器一起安置在屏蔽室内,用于射频一致性测试。然而对于空间有限的研发场合而言,测试室会占据太大地方。R&S公司开发了一款全新CATR产品,可放置于工作台上甚至是19英寸机架内,尽可能减少占用实验室的面积,而同时又能够为射频和协议的研发及回归测试提供大而精准的静区(如图13)。

13R&SATS800R紧凑型测试室

若要测试天线阵列系统,通常得有一个装载有3D定位器的测试室来测量待测天线的3D辐射方向图。针对这一需求,R&S公司推出了装有尺寸极小的高精度锥形定位器的ATS1000(见图14)。此外,ATS1000还可以选配“温度气泡”,借助外部热流来实现-40℃至+85℃的极端温差情况。这样的气泡可以在DUT周围形成很小的封闭空间,从而很快达到目标温度。由于气泡是采用射频透明材料制成的,因此可以忽略其对整体测试结果的影响。

14R&SATS1000测试室

BoontonNoisecom

与5G生产线所需的设备及测试技术相比,用于开发和质检上的要更昂贵且耗时。Boonton、Noisecom推出了一种独特的OTA测试方法,在腔室外采用Noisecom产的已校准噪声源,并将其与室内的发射天线相连。同时,室内的接收天线连至室外的测试设备。噪声源在目标带宽内允许存在一两个校准ENR值。具有两级ENR的好处是能够确定DUT的Y因子噪声系数以用于辐射测量。

噪声源的一个优势在于校准点能够使设备的功率和频响标准化。一旦设备标准化之后,噪声源便可用来确定并验证系统中互连部分的路径损耗。由于噪声源会发出类似于OFDM的宽带信号,且波峰因数(CF)和DUT收发信号接近,因此可以直接验证系统响应,判断测试之间是否由于连接器损耗或操作失误而发生了任何变化。

Boonton的RTP5000宽带射频功率传感器可以连接到测试室内DUT周围的多个接收天线上(如图15)。射频峰值功率传感器能够测得DUT所发出的平均以及峰值功率。射频传感器经过同步后还可以获取复合平均及峰值功率来确定CF值。在生产测试环境下,CF测量是可以快速获取的品质因数。

15BoontonNoisecom利用噪声进行OTA路径损耗测量

事实证明,Noisecom的噪声源能生成类OFDM信号,价格却比同类信号发生器低廉得多,同时还可以用于验证、校准和信号源,加快生产测试过程。Boonton的RTP5000系列射频峰值功率传感器利用CF作为品质因数来判断测试通过与否,简单高效地测量复杂OFDM信号。

小结

随着标准的确立以及5G产品投入量产,5G下OTA测试会在2019年迅猛发展。如本文所述,对5G组件和系统的测试与验证势必会用到多种方法。5G部署日益加快,就需要我们尽快权衡利弊,确定成本、精确度和吞吐量的关系,并将测试方法标准化。


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