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车联网发展的核心是全车OTA测试

Benoit Derat、Bastian Balk和Jose M. Fortes，罗德与施瓦茨公司

连接是汽车技术革命的核心，它不仅能实现自动驾驶汽车，还能提供新的服务和功能。然而，天线会与相邻组件相互作用，因此必须对集成汽车收发器的性能进行现场评估。因此，全车空中(OTA)测试已成为汽车行业日益关注的话题。本文将讨论最受认可的测试方法、其实施以及相关指标背后的原理。

自动驾驶汽车、联网汽车和共享汽车的发展

在过去十年中，一场多维度的技术演进或革命推动了汽车行业的发展，目前尚未接近尾声。2010年代初，电动汽车的问世给汽车行业带来了一场重大变革。这些汽车功能强大，电池容量足以满足相当一部分用户的需求。

互联和自动驾驶领域的几项突出进展已经影响到消费者的生活。如图1所示，在旧金山散步时，经常能看到完全自动驾驶的出租汽车。此外，豪华汽车已经配备了31英寸的8K屏幕，以满足高端客户对完美数据质量的需求。这些技术特点看似不同，其实是相互关联的。

随着汽车变得越来越自主，我们的需求却没有改变。当自动驾驶汽车把我们带到目的地时，我们可以连接互联网、聊天、观看视频、访问数据，或者只是自娱自乐。但是，我们的汽车是如何将我们安全送达目的地的呢？这有赖于雷达和激光雷达等强大的智能传感设备，以及通过蜂窝和非蜂窝服务进行的高性能地面通信，还有用于导航和非地面网络连接的卫星。连接已经在道路安全方面发挥了关键作用，多个国家已经部署并强制使用电子呼叫功能。

汽车中的高性能连接是一个差异化因素，为汽车制造商创造了获得优势的机会。未来，随着联网汽车数量的增加，以及嵌入式射频收发器执行更多的安全关键功能，高性能汽车连接将可能成为网络运营商和监管机构关注的问题。基于这一愿景，业界正在努力统一汽车互联测试方法，并最终将其作为同源认证流程的一部分。为支持这些工作，对测试设备和解决方案的需求正在大幅增加。为了解决这些问题，在过去五年中，人们将工作重点放在了车辆OTA测试上。

为什么是全车OTA测试？

天线是每个无线电通信收发器的关键部件。为了美观、防盗或机械坚固性，汽车天线的集成度越来越高，变得几乎不可见。由于天线辐射和接收电磁能，天线与汽车其他部件之间的耦合是紧密集成不可避免的结果。因此，在设计或验证汽车天线时不能不考虑这个情况。图2a显示了安装在理想地平面上的典型鲨鱼鳍天线的仿真方向图。图2b显示了安装在商用车顶部的同一天线的仿真方向图。两次仿真都是使用IMST EMPIRE XPU软件计算的1.8GHz远场模式。¹当天线安装在车顶时，峰值指向性从5.7dBi增加到7.3dBi，表明了汽车/天线耦合的影响。

这个问题不仅仅涉及辐射特性的改变。每个汽车天线都是射频系统的一部分，因此在没有天线的情况下对该系统进行鉴定只能提供不完整、不完美的信息。进行的测试排除了天线和射频板之间耦合的影响。它会影响电子设备的实际运行，因为电子设备通常看到的是来自仪器的匹配负载，而不是实际的天线阻抗。如图3所示，汽车有多个射频系统，这些系统会相互干扰，最终降低灵敏度。与20多年前无线行业采用的方法类似，汽车行业的主要利益相关者认为，在受控和可重复的实验室环境中进行OTA测试是准确评估嵌入式无线电模块连接性能和集成效果的唯一方法。OTA测试的好处是可以取代昂贵的试验场测试。

事实上的标准？

标准、技术规范或测试计划在保证对测试方法的一致理解和解释测试数据方面起着至关重要的作用。标准往往源于不断增长的市场需求，但漫长的开发时间会造成技术发展先于标准的情况。这就是全车OTA测试标准的情况。

由于汽车继承了手机支持的通信和本地化功能，全车OTA测试的基石可以在CTIA的"无线OTA性能认证测试计划"中找到。²CTIA定义了表征无线设备OTA性能的关键指标，并为所有蜂窝和非蜂窝技术制定了评估这些指标的成熟方法。CTIA测试计划还定义了独立（GNSS）和辅助（A-GNSS）定位服务的指标和测试程序。符合CTIA测试计划的硬件和软件测试解决方案是最先进的OTA测试解决方案。这也是车辆级所有"主动"系统级OTA测试的要求：系统级测试，包括车辆所需的收发器，而非"被动"的纯天线测试。

不过，CTIA主要关注的是智能手机、平板电脑和笔记本电脑等无线设备。在测试像汽车这样大型的被测设备(DUT)时，还需要考虑其他因素。"无线OTA性能认证测试计划"目前尚未涉及这些问题。

5G汽车协会(5GAA)发现了这一问题，并编制了"车载天线测试方法"（VATM）技术报告，于2021年8月发布。³该文件的一些关键要素包括：

l 建议的测试环境：暗室、带反射地平面的屏蔽室或开放测试场所

l 基本方法论：直接远场探测或近场测试，同时进行近场到远场的转换，使用球形、圆柱形或平面扫描仪测试数据，并将最终结果转换为球形坐标

l 关键的主动OTA系统级指标

l 所需的测试工作量，根据考虑的最大车辆尺寸和如何使用参考天线验证

l 测试方法，包括常规测试或组合测试选项，以及每种无线技术的详细程序。

CTIA的"认证测试计划"和5GAA VATM的推荐实践方法精确而全面地定义了如何执行全车OTA测试以获得准确结果。在没有专门国际标准的情况下，汽车行业的利益相关者将这些文件组合作为事实上的标准，以设定任何新的全车OTA测试系统的要求。

然而，中国已经认识到，在互联汽车和自动驾驶汽车的竞争中，定义全车OTA评估程序具有重要的战略意义。2022年，全国汽车标准化技术委员会以CTIA和5GAA文件为参考，启动了中国标准的新工作项目。⁴

全车OTA测试的实际应用

尽管5GAA提出了其他测试场所，但为了保证测试的可靠性和可重复性，还是首选电波暗室环境。图4展示了符合5GAA建议的典型设置。在这种暗室中，被测车安装在一个旋转台上，与地面保持一定距离。测试天线安装在龙门臂的顶端，以仰角旋转。两个旋转的组合提供了完整的球面扫描能力。

根据5GAA VATM TR的建议，龙门臂的最大仰角至少应为120度。为了尽量减小测试系统的尺寸，暗室的设计应使机械臂在最大仰角时靠近地面吸波器。抬起轿厢后，就可以测试到这个仰角，具体高度由测试范围决定。例如，如果从轿厢底部的中心坐标到测试天线顶端的长度为6米，那么下降到120度仰角至少需要6米乘以cos（60度）或3米的高度。

要实现测试探头与吸波器之间的适当距离，可能需要增加高度。继续前面的例子，假设测试系统的测试频率低至400MHz，则必须在之前计算的3米高度上增加1.5米。这意味着，DUT必须高出地面约4.5米，才能在最大仰角范围内为吸波器尖端提供足够的距离。龙门臂也同样升高，因为臂的旋转中心应与坐标中心（即投影到转台表面的车辆中心）保持在同一平面上。

仰角低至120度的测试需要特别注意DUT的固定。一辆汽车可能重达数吨，因此在旋转台上需要一个大型金属结构来定位、提升和旋转汽车。金属会产生散射并干扰测试，因此吸波板通常会隐藏相关结构。然而，这些面板会产生阴影效应，吸收本应测试的波。为了减少这些影响，固定装置应尽量减少延伸到车辆以外的足迹。图4中的3D模型显示了这种方法，只在车轮旁边看到一小块夹具。

为什么要测试地板下面？

汽车是在道路上行驶的，因此测试"低于地面30度"的辐射模式似乎有些荒谬。5GAA VATM详细说明了实际应用场景，证明了这一选择的合理性。例如，图5显示了与移动网络的通信。在评估蜂窝传播信道时，UE与基站之间最重要的到达角度为仰角60至90度。不过，由于地面反射的原因，在暗室环境中，90至120度仰角的信号也很重要，尤其是对位于汽车两侧的收发器。这些方向上的天线辐射性能会影响连接性，因此必须进行鉴定。

卫星通信是另一个有趣的应用案例。由于电波来自天空，因此感兴趣的区域是一个朝向天顶仰角（0至60度）的锥形区域。然而，良好的全球导航卫星系统服务性能需要良好的信噪比，因此测试天线的空间选择性并滤除60至110度之间的到达角对于最大限度地减少从掠过角传来的劣质链路捕获的功率至关重要。这也是5GAA VATM所要解决的问题。

针对这些因素，5GAA VATM定义了与部分辐射功率(PRP)或部分各向同性灵敏度(PIS)相关的OTA指标。这些指标反映了DUT在相关角度区域的整体辐射功率或灵敏度性能。例如，PRP在公式1和公式2中计算：

其中：i=0至p，是EIRP方向图中仰角切割的指数；cut_i是对θi-平面上包括方位角和仰角极化（θ, ϕ）在内的总EIRP进行离散积分的结果。p和q分别是仰角和方位角的总数。它们是根据所定义的相关角度范围和步长计算得出的。然后，PRP就是仰角扫过所关注角度区域的切点上的累积切点功率。在与移动网络通信的情况下，PRP和PIS是在60至120度仰角区域内的累积值。

处理有限的距离

全车OTA测试需要解决的问题之一是DUT的尺寸。OTA量应在远场进行测试。理想情况下，远场是在无穷远处捕捉的，但一种实用且常见的方法是选择一个大于瑞利或弗劳恩霍夫距离(FHD)的测试范围R。这合理地近似于远场条件，如公式3所示：

其中：D是天线辐射孔径；λ是自由空间波长。

然而，除了典型情况外，精确的天线孔径并不是先验已知的。由于天线会与附近的结构耦合，因此孔径一般会大于天线单元本身。至少，D不会大于包含整个DUT的最小球体直径。这是一种变通方法，可用于智能手机等小型设备。CTIA OTA测试的最坏情况的范围定义的基本原理是将D视为DUT的最大尺寸。然而，一辆长度为6米的大型高端汽车支持频率高达7.125GHz的5G NR FR1通信，计算得出的D值为6米，R值超过1.7千米。显然，全车OTA测试需要更先进的考虑因素。

汽车是一个大型设备，但集成天线却非常局部化。即使其结构与天线的辐射场耦合，电流也会在有限的区域内扩散。例如，图6所示的EMPIRE XPU仿真显示了当图2a中的鲨鱼鳍天线受到1.8GHz信号激励时，导电车顶上的电流强度。振幅迅速衰减，在距离馈电点20cm（略大于一个波长）的范围内衰减了20dB。独立的鲨鱼鳍天线评估通常使用圆形金属板来模拟这些近距离的能量耦合效应，但使用尺寸受限的地平面（通常是直径为1米的圆盘）来测试低至600MHz的频率，意味着在此频率下只有一个波长半径。

此外，正如过去几年所证明的那样，FHD对于某些OTA测试来说可能是矫枉过正。如果测试的辐射指标可以容忍一定的误差，那么就可以使用较短的有效远场距离。有关该距离的详细考虑因素，请参阅相关的ANSI C63白皮书。⁵图7继续以6米测距长度的龙门系统为例，显示了作为D和频率函数的远场误差边界。该图显示，15%的偏差（小于0.7dB）允许远场OTA测试天线孔径在8GHz时大至75cm，在500MHz时大至1.8米。将这一发现与图6中的考虑因素相结合，可以确信5GAA VATM型范围允许对车载集成收发器进行真正的远场OTA测试。

在较短的距离上进行测试时，必须考虑辐射中心（通常是天线单元）与坐标系中心之间的偏移。忽略这一偏移会导致测试的辐射量出现较大误差。为了减轻这些影响，可以在测试环境中对汽车进行物理平移，方法是在转台上增加一个或多个线性轴，或对测试信号进行接收和发射测试处理。⁶

5GAA VATM解决测距长度有限问题的另一种方法是将被动测量和主动测量相结合。³在这种情况下，首先使用矢量网络分析仪对DUT中天线辐射场的幅度和相位进行表征，然后进行近场到远场的处理，以推导出实际的远场方向性。最后，在相同位置使用相同的被测设备天线进行OTA测试，但这次将电缆连接到收发器，并发射或接收数字调制信号。设置的改变不会影响电磁场从测试扫描（假定在近场）向远场区域的传播。在无源天线测试中获得的扫描球与距离更远的球之间在给定方向上的功率比，可用于根据近场OTA扫描得出实际的远场OTA值。

结论

要鉴定嵌入式汽车模块的连接性能，需要进行包括车辆在内的系统级OTA表征。由于没有涵盖这些测试的国际标准，5GAA VATM TR已成为事实上的标准，特别是在定义测试环境方面。支持CTIA"无线OTA性能认证测试计划"的系统和软件适合执行相关测试。本文提供了使用大型暗室（包括仰角范围达120度的分布式轴球面扫描仪）的业界首选方法的一些实施细节。它表明，可以在与5GAA VATM兼容的紧凑型环境中进行全车远场OTA测试。最后，还介绍了通过减轻有限测试范围的影响来实现精确测试的技术。

致谢

作者感谢IMST公司的Winfried Simon使用EMPIRE XPU软件对车辆天线进行仿真并提供数据支持。

参考文献

1.     A. Lauer, W. Simon and A. Wien, “XPU Technology for Fast and Efficient FDTD Simulations using Modern CPUs Cache Memory Bandwidth,” European Conference on Antennas and Propagation, Vol. 13, No. 15, pp. 2584–2589, March 2015.

2      CTIA Certification Test Plan for Wireless Device Over-The-Air Performance V4.0.X, Web: https://ctiacertification.org/test-plans/.

3.     5GAA Technical Report, “Vehicular Antenna Test Methodology,” Aug. 2021, Web: https://5gaa.org/vehicular-antenna-test-methodology/.

4.     GB/T XXXX-XXXX draft standard, Road vehicles – RF Performance Requirements and Test Methods for Vehicle Antenna Systems, Jan. 24.

5.     ANSI C63, Discussion on Measurement Test Distance for Determining EIRP or TRP of Active Antenna Systems, accepted for publication.

6.     G. F. Hamberger, et al., “Correction of Over-the-air Transmit and Receive Wireless Device Performance Errors Due to Displaced Antenna Positions in the Measurement Coordinate System,” IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 68, No. 11, June 2020, pp. 7549–7554.

图1：旧金山的Waymo One捷豹I-PACE。

图2：(a)安装在理想地平面上的鲨鱼鳍天线。(b)安装在车辆上的鲨鱼鳍天线。

图3：典型的车载集成连接模块。

图4：全车OTA暗室测试环境。

图5：蜂窝技术的到达角。

图6：1.8GHz时的电流强度。

图7：远场误差边界隔离线。