近年來，隨著智能化產(chǎn)品層出不窮，競爭愈發(fā)激烈，眾多終端類產(chǎn)品廠商對自身產(chǎn)品的指標(biāo)要求越來越高，除了傳導(dǎo)測試，也開始對自家產(chǎn)品提出OTA性能指標(biāo)的要求。

本篇文章就跟大家分享一下5G時代OTA測試的相關(guān)內(nèi)容。文章主要目錄如下：

1. OTA測試是什么

2. OTA的主要測量指標(biāo)

3. 5G的到來，為OTA測試帶來了新挑戰(zhàn)

4. 5G時代，如何輕松應(yīng)對OTA測試挑戰(zhàn)

5. 使用SystemVue軟件進行OTA仿真的流程

06. OTA仿真案例

1、OTA測試是什么？

顧名思義，OTA測試會模擬產(chǎn)品的無線信號在空氣中傳輸?shù)膱鼍?，在待測件發(fā)射天線或接收天線端口通過無線信號與測試系統(tǒng)連接開展測試。

OTA測試可以將產(chǎn)品內(nèi)部輻射干擾、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、天線的因素、射頻芯片收發(fā)算法等因素考慮進去，是非常接近產(chǎn)品實際使用場景的測試手段。

我們以最早的3G UE SISO OTA測試為例來了解OTA測試所需的最基本環(huán)境：

吸波暗室，轉(zhuǎn)盤（控制UE旋轉(zhuǎn)）

探頭天線（在某一固定位置接收UE輻射信號）

用于提供探頭天線虛擬基站信號的無線測試平臺（如Keysight UXM系列，圖中未顯示）

測量過程中將通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺來控制并測量UE天線在不同方向的輻射特性。

圖 1

4G LTE時代的測量由于MIMO的引入而變得更加復(fù)雜，3GPP標(biāo)準(zhǔn)委員會采納了兩種測量方式：

MPAC

Multi-Probe Anechoic Chamber 多探頭法

RTS

Radiated Two-Stage Method 輻射兩步法

這兩種方案都可以測量UE在衰落信道下的吞吐量指標(biāo)。

MPAC所需的基本設(shè)備包括吸波暗室，無線測試平臺(如Keysight UXM系列)，信道模擬器(如Keysight Propsim Channel Emulator)，多組探頭天線及轉(zhuǎn)盤；

RTS測量方案所需的基本設(shè)備包括吸波暗室，無線測試平臺(如Keysight UXM系列)，一組探頭天線，衰落信道由UXM內(nèi)部的通道模擬器實現(xiàn)。

2、OTA的主要測量指標(biāo)

OTA測量包括發(fā)射端測量和接收端測量兩個部分。發(fā)射端測量指標(biāo)主要包括以功率測量為主的指標(biāo)，如TRP(總輻射功率)和以信道質(zhì)量為主的指標(biāo)如Directional EVM；接收端測量指標(biāo)主要包括波束頂點處的靈敏度，交調(diào)，Throughput(吞吐量)等。具體如下：

- 發(fā)射端：

ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio) 鄰道泄漏功率比

TRP (Total Radiated Power) 總輻射功率

EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) 等效全向輻射功率，即某方向測得的輻射功率，為TRP的基本構(gòu)成單位

Directional EVM (Error Vector Magnitude) 具有方向性的矢量誤差幅度

Directional Power 具有方向性的功率

- 接收端：

TIS (Total Isotropic Sensitivity) 總?cè)蜢`敏度

EIS (Effective Isotropic Sensitivity) 有效全向靈敏度， 即某方向測得的靈敏度，為TIS的基本構(gòu)成單位。

Performance Test即特定場景 (SISO/MIMO) 下的吞吐量測試

3、5G的到來，為OTA測試帶來了新挑戰(zhàn)

5G 時代，系統(tǒng)頻段更高，此外基站Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的傳導(dǎo)復(fù)雜程度大大提高，除了手機，基站端也不得不進行OTA測試。

（1）5G OTA測試面臨著一系列的新挑戰(zhàn)

1）5G OTA測量需支持兩個頻段：FR1—6GHz以下頻段以及FR2—毫米波頻段。

表 1

2）基站端引入的Massive MIMO技術(shù)要求其至少支持8X8陣列天線，陣列合成波束的直接遠(yuǎn)場測試對暗室尺寸要求很大。目前可能的方案有緊縮場測量，近場測量，由中場測量結(jié)果推算緊縮場等，不同方案各有千秋，最終測量方案標(biāo)準(zhǔn)委員會尚未有定論。

3）OTA測量往往需要遍歷整個球面不同方向，至少需要多少個測試點，如何劃分測試點，這些都直接影響測得的系統(tǒng)性能和測試速度。

4）未來5G NR毫米波終端設(shè)備很可能不存在射頻測試端口，這意味著以往所有傳導(dǎo)測試下測量的各項指標(biāo)都要轉(zhuǎn)到暗室OTA環(huán)境測試，過去積累的測量經(jīng)驗不再適用。

（2）不同無線通信制式的OTA一致性測試比較

表 2

4、5G時代，如何輕松應(yīng)對OTA測試挑戰(zhàn)

由于暗室的引入，OTA測試系統(tǒng)非常復(fù)雜，系統(tǒng)搭建時間長，硬件設(shè)備多，而OTA系統(tǒng)指標(biāo)測試需要在所有硬件都就緒的情況下才能展開，一旦發(fā)現(xiàn)待測件OTA系統(tǒng)性能無法滿足3GPP要求，就需要重新返工，這導(dǎo)致產(chǎn)品系統(tǒng)集成的成本很高，風(fēng)險極大。

（1）應(yīng)對OTA測試帶來的挑戰(zhàn)

為了應(yīng)對OTA測試帶來的挑戰(zhàn)，在硬件設(shè)備準(zhǔn)備齊全之前，可以先通過進行OTA仿真，在產(chǎn)品研發(fā)階段提前快速獲取系統(tǒng)OTA指標(biāo)性能上限，在仿真環(huán)境下確保產(chǎn)品滿足OTA各項指標(biāo)要求后，再進行后續(xù)開發(fā)和硬件測試，這樣可以大大降低設(shè)計風(fēng)險，避免不必要的返工，減少反復(fù)測量的次數(shù)。

5G NR OTA測試是對整機的測試，需要綜合考量基帶、射頻及天線共同作用下的性能指標(biāo)，因此需要一款能夠同時考量這三方面，并且能夠測量OTA所需的系統(tǒng)指標(biāo)，如EVM, ACLR, Throughput等的仿真軟件。

（2）Keysight Pathwave SystemVue

Keysight Pathwave SystemVue 是用于電子系統(tǒng)級(ESL)設(shè)計的專業(yè)EDA軟件，是業(yè)界唯一可以完整的進行5G NR 基站/手機的基帶、射頻及天線整機OTA仿真和系統(tǒng)驗證的工具。

對于5G基帶系統(tǒng)實現(xiàn)

SystemVue提供基于3GPP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的5G NR基帶算法參考庫，包括上行/下行信號的物理層發(fā)射和接收算法，覆蓋0.5GHz ~ 100GHz的3D毫米波信道模型，發(fā)射及接收OTA暗室模型等；

對于射頻子系統(tǒng)的考量

SystemVue內(nèi)提供豐富的射頻行為級模型，支持通過器件射頻參數(shù)模擬實際射頻器件，或?qū)肫骷腟參數(shù)、X參數(shù)模型，或直接與Keysight Pathwave ADS (Advanced Design System) 專業(yè)的射頻電路級設(shè)計軟件進行聯(lián)合仿真；

對于天線性能的考量

可以通過在SystemVue的信道模型或OTA暗室仿真模型內(nèi)導(dǎo)入仿真或測量得到的天線遠(yuǎn)場方向圖文件—Antenna Pattern (可通過Keysight Pathwave EMPro 三維電磁場仿真軟件仿真并提取)，用以將天線輻射特性反映在實際傳輸信號中。

圖 2

在早期設(shè)計階段

通過系統(tǒng)級仿真獲取系統(tǒng)性能的上限，完成射頻模組及天線的系統(tǒng)級定標(biāo)。SystemVue提供符合3GPP一致性測試標(biāo)準(zhǔn)的仿真模板，設(shè)計者不需要花費時間研究協(xié)議的具體內(nèi)容與物理層實現(xiàn)方式，只需通過帶入測試用例所需基本參數(shù)，即可通過OTA仿真獲取EVM/ACLR/靈敏度等指標(biāo)，在設(shè)計初期快速定位問題，降低系統(tǒng)集成的風(fēng)險。

在產(chǎn)品驗證階段

通過與ADS等專業(yè)電路級仿真工具進行聯(lián)合仿真，或?qū)肷漕l器件仿真或測量模型，如S參數(shù)、X參數(shù)等，并導(dǎo)入EM仿真或暗室測量得到的天線方向圖文件，以進一步使仿真結(jié)果貼近真實產(chǎn)品性能，提前驗證系統(tǒng)OTA性能指標(biāo)，縮短OTA驗證時間，節(jié)約暗室測量時間與成本。并且，SystemVue可與Keysight儀表無縫連接，支持快速搭建參數(shù)可配置的原型樣機系統(tǒng)，加速硬件驗證流程。

另外，SystemVue也可仿真驗證基于RTS兩步法的OTA測量方法和MPAC OTA測量方法，并助力了標(biāo)準(zhǔn)化制定過程。

Keysight積極參與標(biāo)準(zhǔn)化定制過程，在3GPP協(xié)會針對MPAC OTA測量的探頭擺放位置的標(biāo)準(zhǔn)化進程討論中，Keysight結(jié)合F64信道模擬器，利用系統(tǒng)級仿真工具SystemVue及其OTA暗室模型，仿真評估了不同探頭天線擺放位置下系統(tǒng)的吞吐量，提出了最優(yōu)的探頭擺放方案并通過了提案(R4-1912104)。

關(guān)于FR2的測量中，Keysight基于SystemVue中進行的吞吐量仿真提出了RTS測量中的暗室隔離度指標(biāo)建議，詳情請訪問3GPP網(wǎng)站下載R5-198264提案。

5、使用SystemVue軟件進行OTA仿真的流程

圖 4

SystemVue中的OTA仿真流程根據(jù)測量需要，主要分為兩類：發(fā)射端測量流程 和 接收端測量流程。

所需模塊包括：

5G NR基帶算法模型

用于產(chǎn)生并發(fā)射、接收解調(diào)、解碼、測量5G NR上行/下行數(shù)據(jù)；

OTA暗室仿真模型

用于模擬OTA測量環(huán)境，支持任意排布的天線陣列，天線方向圖的導(dǎo)入，任意方向的探頭位置等；

根據(jù)3GPP TR 38.901 建立的3D MIMO 信道模型

用于Performance Test等需要的衰落信道，完成協(xié)議要求的吞吐量(Throughput)測試，或模擬動態(tài)波束賦形和波束跟蹤在LOS信道下的性能。

- 發(fā)射端測量流程：

基帶信號產(chǎn)生 ? 射頻模塊 ? Tx相控陣處理 ? 暗室Tx OTA模型(最終輸出空口信號的EVM/ACLR等測量指標(biāo))

- 接收端測量流程：

(虛擬發(fā)射端信號產(chǎn)生，終端測量時，即為模擬基站發(fā)射信號) ? 暗室Rx OTA模型 ? Rx相控陣處理 ? 射頻模塊 ? 基帶接收機(包括同步，信道估計，譯碼等過程，最終輸出吞吐量/靈敏度等測量指標(biāo))

6、OTA仿真案例

SystemVue 提供根據(jù)協(xié)議搭建的基站及UE終端仿真模板，分別包括對發(fā)射端、接收端所需各項指標(biāo)的仿真和驗證，以及SISO/MIMO場景下的各項指標(biāo)驗證，并支持根據(jù)用戶所需場景靈活調(diào)整系統(tǒng)架構(gòu)。以下是基站和UE終端的兩個OTA仿真模板。

（1）基站下行發(fā)射端測量

以基站下行發(fā)射端測量為例，需要測量Directional EVM, EIRP, TRP, ACLR等指標(biāo)。系統(tǒng)原理圖中包括基本的NR下行(BS)信號源，上變頻模塊，功放模型，相控陣波束控制模組，Tx OTA暗室模型以及信號測量模塊，實際應(yīng)用中可根據(jù)用戶設(shè)計調(diào)整其中的基帶、射頻及天線模塊實現(xiàn)方式。

圖 5

本例中，通過在模板中的Tx OTA暗室模塊中導(dǎo)入中場、遠(yuǎn)場等不同情況下的天線方向圖，并控制探測點位置的掃描，仿真得到不同波束方位角的測量指標(biāo)。

圖 6

以圖6中directional EVM 和SSB Power Phi Cut為例說明仿真情況：

紅色為收發(fā)天線間距10倍波長處的結(jié)果

藍(lán)色為距離50倍波長處的結(jié)果

綠色為距離500倍波長 (接近遠(yuǎn)場) 處的結(jié)果

基于中場和基于遠(yuǎn)場的結(jié)果在波束主瓣方向基本一致，而在波束零點位置，由于中場無法忽略位置信息帶來的相位影響，因此和遠(yuǎn)場結(jié)果有所區(qū)別，這與暗室測量結(jié)果一致。同時也可以看到，在信噪比一致的情況下，EVM結(jié)果與功率結(jié)果互補。

（2）手機終端設(shè)備(UE)接收端靈敏度測量

我們再來看一下終端設(shè)備的接收端測量模板。協(xié)議規(guī)定參考靈敏度指標(biāo)REFSENS為在基站波束與手機波束主瓣方向?qū)?zhǔn)時，接收端可以進行可靠通信 (吞吐量百分比在95%及以上) 所需的最小信號功率。

圖 7

圖 8

利用上圖8模板，可進行REFSENS靈敏度測量

接收端測量的信號源來自基站，因此仍然使用NR DL信號源提供虛擬基站信號并上變頻到射頻信號，并添加相應(yīng)射頻器件參數(shù)；

而此時OTA暗室模型、波束掃描及其他射頻前端模塊則模擬待測UE探測點及接收模組，其中天線部分仍由天線方向圖文件帶入OTA模型內(nèi)實現(xiàn)；

基帶接收機部分由SystemVue 5G算法庫提供，最后接測量模塊求解出BER，Throughput等指標(biāo)，并通過對功率進行掃描找到Throughput由100%下降到95%時的臨界點，以得到接收機前端靈敏度REFSENS。

基于此，也可擴展到覆蓋整個球面的靈敏度仿真，以確保UE如手機在任意方向的通話質(zhì)量，這一指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)中通過EIS (Effective Isotropic Sensitivity) 定義：

將球面靈敏度功率EIS進行累計積分得到EIS CCDF曲線，根據(jù)不同功率等級，協(xié)議定義了在EIS CCDF曲線的不同百分比處對應(yīng)的EIS，即UE球面覆蓋功率指標(biāo)要求。SystemVue已提供了不同球面分割情況下，該項測量指標(biāo)的仿真，在此不做更多贅述。