近年來，隨著智能化產品層出不窮，競爭愈發激烈，眾多終端類產品廠商對自身產品的指標要求越來越高，除了傳導測試，也開始對自家產品提出OTA性能指標的要求。
本篇文章就跟大家分享一下5G時代OTA測試的相關內容。文章主要目錄如下：
1. OTA測試是什么
2. OTA的主要測量指標
3. 5G的到來，為OTA測試帶來了新挑戰
4. 5G時代，如何輕松應對OTA測試挑戰
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測試會模擬產品的無線信號在空氣中傳輸的場景，在待測件發射天線或接收天線端口通過無線信號與測試系統連接開展測試。
OTA測試可以將產品內部輻射干擾、產品結構、天線的因素、射頻芯片收發算法等因素考慮進去，是非常接近產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境：
吸波暗室，轉盤（控制UE旋轉）
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轉臺來控制并測量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雜，3GPP標準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。
MPAC所需的基本設備包括吸波暗室，無線測試平臺(如Keysight UXM系列)，信道模擬器(如Keysight Propsim Channel Emulator)，多組探頭天線及轉盤；
RTS測量方案所需的基本設備包括吸波暗室，無線測試平臺(如Keysight UXM系列)，一組探頭天線，衰落信道由UXM內部的通道模擬器實現。
2、OTA的主要測量指標
OTA測量包括發射端測量和接收端測量兩個部分。發射端測量指標主要包括以功率測量為主的指標，如TRP(總輻射功率)和以信道質量為主的指標如Directional EVM；接收端測量指標主要包括波束頂點處的靈敏度，交調，Throughput(吞吐量)等。具體如下：
- 發射端：
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) 總全向靈敏度
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
5G 時代，系統頻段更高，此外基站Massive MIMO技術的應用，使得傳統的傳導復雜程度大大提高，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
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技術要求其至少支持8X8陣列天線，陣列合成波束的直接遠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，由中場測量結果推算緊縮場等，不同方案各有千秋，最終測量方案標準委員會尚未有定論。
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性能和測試速度。
4）未來5G NR毫米波終端設備很可能不存在射頻測試端口，這意味著以往所有傳導測試下測量的各項指標都要轉到暗室OTA環境測試，過去積累的測量經驗不再適用。
（2）不同無線通信制式的OTA一致性測試比較
表 2
4、5G時代，如何輕松應對OTA測試挑戰
由于暗室的引入，OTA測試系統非常復雜，系統搭建時間長，硬件設備多，而OTA系統指標測試需要在所有硬件都就緒的情況下才能展開，一旦發現待測件OTA系統性能無法滿足3GPP要求，就需要重新返工，這導致產品系統集成的成本很高，風險極大。
（1）應對OTA測試帶來的挑戰
為了應對OTA測試帶來的挑戰，在硬件設備準備齊全之前，可以先通過進行OTA仿真，在產品研發階段提前快速獲取系統OTA指標性能上限，在仿真環境下確保產品滿足OTA各項指標要求后，再進行后續開發和硬件測試，這樣可以大大降低設計風險，避免不必要的返工，減少反復測量的次數。
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，因此需要一款能夠同時考量這三方面，并且能夠測量OTA所需的系統指標，如EVM, ACLR, Throughput等的仿真軟件。
（2）Keysight Pathwave SystemVue
Keysight Pathwave SystemVue 是用于電子系統級(ESL)設計的專業EDA軟件，是業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仿真和系統驗證的工具。
對于5G基帶系統實現
SystemVue提供基于3GPP協議標準的5G NR基帶算法參考庫，包括上行/下行信號的物理層發射和接收算法，覆蓋0.5GHz ~ 100GHz的3D毫米波信道模型，發射及接收OTA暗室模型等；
對于射頻子系統的考量
SystemVue內提供豐富的射頻行為級模型，支持通過器件射頻參數模擬實際射頻器件，或導入器件的S參數、X參數模型，或直接與Keysight Pathwave ADS (Advanced Design System) 專業的射頻電路級設計軟件進行聯合仿真；
對于天線性能的考量
可以通過在SystemVue的信道模型或OTA暗室仿真模型內導入仿真或測量得到的天線遠場方向圖文件—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
在早期設計階段
通過系統級仿真獲取系統性能的上限，完成射頻模組及天線的系統級定標。SystemVue提供符合3GPP一致性測試標準的仿真模板，設計者不需要花費時間研究協議的具體內容與物理層實現方式，只需通過帶入測試用例所需基本參數，即可通過OTA仿真獲取EVM/ACLR/靈敏度等指標，在設計初期快速定位問題，降低系統集成的風險。
在產品驗證階段
通過與ADS等專業電路級仿真工具進行聯合仿真，或導入射頻器件仿真或測量模型，如S參數、X參數等，并導入EM仿真或暗室測量得到的天線方向圖文件，以進一步使仿真結果貼近真實產品性能，提前驗證系統OTA性能指標，縮短OTA驗證時間，節約暗室測量時間與成本。并且，SystemVue可與Keysight儀表無縫連接，支持快速搭建參數可配置的原型樣機系統，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，并助力了標準化制定過程。
Keysight積極參與標準化定制過程，在3GPP協會針對MPAC OTA測量的探頭擺放位置的標準化進程討論中，Keysight結合F64信道模擬器，利用系統級仿真工具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的吞吐量，提出了最優的探頭擺放方案并通過了提案(R4-1912104)。
關于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建議，詳情請訪問3GPP網站下載R5-198264提案。
5、使用SystemVue軟件進行OTA仿真的流程
圖 4
SystemVue中的OTA仿真流程根據測量需要，主要分為兩類：發射端測量流程 和 接收端測量流程。
所需模塊包括：
5G NR基帶算法模型
用于產生并發射、接收解調、解碼、測量5G NR上行/下行數據；
OTA暗室仿真模型
用于模擬OTA測量環境，支持任意排布的天線陣列，天線方向圖的導入，任意方向的探頭位置等；
根據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，完成協議要求的吞吐量(Throughput)測試，或模擬動態波束賦形和波束跟蹤在LOS信道下的性能。
- 發射端測量流程：
基帶信號產生 ? 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)
- 接收端測量流程：
(虛擬發射端信號產生，終端測量時，即為模擬基站發射信號) ? 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)
6、OTA仿真案例
SystemVue 提供根據協議搭建的基站及UE終端仿真模板，分別包括對發射端、接收端所需各項指標的仿真和驗證，以及SISO/MIMO場景下的各項指標驗證，并支持根據用戶所需場景靈活調整系統架構。以下是基站和UE終端的兩個OTA仿真模板。
（1）基站下行發射端測量
以基站下行發射端測量為例，需要測量Directional EVM, EIRP, TRP, ACLR等指標。系統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，實際應用中可根據用戶設計調整其中的基帶、射頻及天線模塊實現方式。
圖 5
本例中，通過在模板中的Tx OTA暗室模塊中導入中場、遠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。
圖 6
以圖6中directional EVM 和SSB Power Phi Cut為例說明仿真情況：
紅色為收發天線間距10倍波長處的結果
藍色為距離50倍波長處的結果
綠色為距離500倍波長 (接近遠場) 處的結果
基于中場和基于遠場的結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，因此和遠場結果有所區別，這與暗室測量結果一致。同時也可以看到，在信噪比一致的情況下，EVM結果與功率結果互補。
（2）手機終端設備(UE)接收端靈敏度測量
我們再來看一下終端設備的接收端測量模板。協議規定參考靈敏度指標REFSENS為在基站波束與手機波束主瓣方向對準時，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，并添加相應射頻器件參數；
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模型內實現；
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，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量，這一指標在標準中通過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，根據不同功率等級，協議定義了在EIS CCDF曲線的不同百分比處對應的EIS，即UE球面覆蓋功率指標要求。SystemVue已提供了不同球面分割情況下，該項測量指標的仿真，在此不做更多贅述。
