近年來(lái)，隨著智能化產(chǎn)品層出不窮，競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，眾多終端類(lèi)產(chǎn)品廠商對(duì)自身產(chǎn)品的指標(biāo)要求越來(lái)越高，除了傳導(dǎo)測(cè)試，也開(kāi)始對(duì)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(shí)代OTA測(cè)試的相關(guān)內(nèi)容。文章主要目錄如下：
1. OTA測(cè)試是什么
2. OTA的主要測(cè)量指標(biāo)
3. 5G的到來(lái)，為OTA測(cè)試帶來(lái)了新挑戰(zhàn)
4. 5G時(shí)代，如何輕松應(yīng)對(duì)OTA測(cè)試挑戰(zhàn)
5. 使用SystemVue軟件進(jìn)行OTA仿真的流程
06. OTA仿真案例
1、OTA測(cè)試是什么？
顧名思義，OTA測(cè)試會(huì)模擬產(chǎn)品的無(wú)線信號(hào)在空氣中傳輸?shù)膱?chǎng)景，在待測(cè)件發(fā)射天線或接收天線端口通過(guò)無(wú)線信號(hào)與測(cè)試系統(tǒng)連接開(kāi)展測(cè)試。
OTA測(cè)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(jìn)去，是非常接近產(chǎn)品實(shí)際使用場(chǎng)景的測(cè)試手段。
我們以最早的3G UE SISO OTA測(cè)試為例來(lái)了解OTA測(cè)試所需的最基本環(huán)境：
吸波暗室，轉(zhuǎn)盤(pán)（控制UE旋轉(zhuǎn)）
探頭天線（在某一固定位置接收UE輻射信號(hào)）
用于提供探頭天線虛擬基站信號(hào)的無(wú)線測(cè)試平臺(tái)（如Keysight UXM系列，圖中未顯示）
測(cè)量過(guò)程中將通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)控制并測(cè)量UE天線在不同方向的輻射特性。
圖 1
4G LTE時(shí)代的測(cè)量由于MIMO的引入而變得更加復(fù)雜，3GPP標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)采納了兩種測(cè)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(cè)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(wú)線測(cè)試平臺(tái)(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(pán)；
RTS測(cè)量方案所需的基本設(shè)備包括吸波暗室，無(wú)線測(cè)試平臺(tái)(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(shí)現(xiàn)。
2、OTA的主要測(cè)量指標(biāo)
OTA測(cè)量包括發(fā)射端測(cè)量和接收端測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分。發(fā)射端測(cè)量指標(biāo)主要包括以功率測(cè)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(cè)量指標(biāo)主要包括波束頂點(diǎn)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(cè)得的輻射功率，為T(mén)RP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(cè)得的靈敏度，為T(mén)IS的基本構(gòu)成單位。
Performance Test即特定場(chǎng)景 (SISO/MIMO) 下的吞吐量測(cè)試
3、5G的到來(lái)，為OTA測(cè)試帶來(lái)了新挑戰(zhàn)
5G 時(shí)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(jī)，基站端也不得不進(jìn)行OTA測(cè)試。
（1）5G OTA測(cè)試面臨著一系列的新挑戰(zhàn)
1）5G OTA測(cè)量需支持兩個(gè)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(chǎng)測(cè)試對(duì)暗室尺寸要求很大。目前可能的方案有緊縮場(chǎng)測(cè)量，近場(chǎng)測(cè)量，由中場(chǎng)測(cè)量結(jié)果推算緊縮場(chǎng)等，不同方案各有千秋，最終測(cè)量方案標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)尚未有定論。
3）OTA測(cè)量往往需要遍歷整個(gè)球面不同方向，至少需要多少個(gè)測(cè)試點(diǎn)，如何劃分測(cè)試點(diǎn)，這些都直接影響測(cè)得的系統(tǒng)性能和測(cè)試速度。
4）未來(lái)5G NR毫米波終端設(shè)備很可能不存在射頻測(cè)試端口，這意味著以往所有傳導(dǎo)測(cè)試下測(cè)量的各項(xiàng)指標(biāo)都要轉(zhuǎn)到暗室OTA環(huán)境測(cè)試，過(guò)去積累的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)不再適用。
（2）不同無(wú)線通信制式的OTA一致性測(cè)試比較
表 2
4、5G時(shí)代，如何輕松應(yīng)對(duì)OTA測(cè)試挑戰(zhàn)
由于暗室的引入，OTA測(cè)試系統(tǒng)非常復(fù)雜，系統(tǒng)搭建時(shí)間長(zhǎng)，硬件設(shè)備多，而OTA系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試需要在所有硬件都就緒的情況下才能展開(kāi)，一旦發(fā)現(xiàn)待測(cè)件OTA系統(tǒng)性能無(wú)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(xiǎn)極大。
（1）應(yīng)對(duì)OTA測(cè)試帶來(lái)的挑戰(zhàn)
為了應(yīng)對(duì)OTA測(cè)試帶來(lái)的挑戰(zhàn)，在硬件設(shè)備準(zhǔn)備齊全之前，可以先通過(guò)進(jìn)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(xiàng)指標(biāo)要求后，再進(jìn)行后續(xù)開(kāi)發(fā)和硬件測(cè)試，這樣可以大大降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，避免不必要的返工，減少反復(fù)測(cè)量的次數(shù)。
5G NR OTA測(cè)試是對(duì)整機(jī)的測(cè)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(shí)考量這三方面，并且能夠測(cè)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(jí)(ESL)設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)EDA軟件，是業(yè)界唯一可以完整的進(jìn)行5G NR 基站/手機(jī)的基帶、射頻及天線整機(jī)OTA仿真和系統(tǒng)驗(yàn)證的工具。
對(duì)于5G基帶系統(tǒng)實(shí)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(kù)，包括上行/下行信號(hào)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(duì)于射頻子系統(tǒng)的考量
SystemVue內(nèi)提供豐富的射頻行為級(jí)模型，支持通過(guò)器件射頻參數(shù)模擬實(shí)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(zhuān)業(yè)的射頻電路級(jí)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真；
對(duì)于天線性能的考量
可以通過(guò)在SystemVue的信道模型或OTA暗室仿真模型內(nèi)導(dǎo)入仿真或測(cè)量得到的天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖文件—Antenna Pattern (可通過(guò)Keysight Pathwave EMPro 三維電磁場(chǎng)仿真軟件仿真并提取)，用以將天線輻射特性反映在實(shí)際傳輸信號(hào)中。
圖 2
在早期設(shè)計(jì)階段
通過(guò)系統(tǒng)級(jí)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(jí)定標(biāo)。SystemVue提供符合3GPP一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的仿真模板，設(shè)計(jì)者不需要花費(fèi)時(shí)間研究協(xié)議的具體內(nèi)容與物理層實(shí)現(xiàn)方式，只需通過(guò)帶入測(cè)試用例所需基本參數(shù)，即可通過(guò)OTA仿真獲取EVM/ACLR/靈敏度等指標(biāo)，在設(shè)計(jì)初期快速定位問(wèn)題，降低系統(tǒng)集成的風(fēng)險(xiǎn)。
在產(chǎn)品驗(yàn)證階段
通過(guò)與ADS等專(zhuān)業(yè)電路級(jí)仿真工具進(jìn)行聯(lián)合仿真，或?qū)肷漕l器件仿真或測(cè)量模型，如S參數(shù)、X參數(shù)等，并導(dǎo)入EM仿真或暗室測(cè)量得到的天線方向圖文件，以進(jìn)一步使仿真結(jié)果貼近真實(shí)產(chǎn)品性能，提前驗(yàn)證系統(tǒng)OTA性能指標(biāo)，縮短O(píng)TA驗(yàn)證時(shí)間，節(jié)約暗室測(cè)量時(shí)間與成本。并且，SystemVue可與Keysight儀表無(wú)縫連接，支持快速搭建參數(shù)可配置的原型樣機(jī)系統(tǒng)，加速硬件驗(yàn)證流程。
另外，SystemVue也可仿真驗(yàn)證基于RTS兩步法的OTA測(cè)量方法和MPAC OTA測(cè)量方法，并助力了標(biāo)準(zhǔn)化制定過(guò)程。
Keysight積極參與標(biāo)準(zhǔn)化定制過(guò)程，在3GPP協(xié)會(huì)針對(duì)MPAC OTA測(cè)量的探頭擺放位置的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程討論中，Keysight結(jié)合F64信道模擬器，利用系統(tǒng)級(jí)仿真工具SystemVue及其OTA暗室模型，仿真評(píng)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(guò)了提案(R4-1912104)。
關(guān)于FR2的測(cè)量中，Keysight基于SystemVue中進(jìn)行的吞吐量仿真提出了RTS測(cè)量中的暗室隔離度指標(biāo)建議，詳情請(qǐng)?jiān)L問(wèn)3GPP網(wǎng)站下載R5-198264提案。
5、使用SystemVue軟件進(jìn)行OTA仿真的流程
圖 4
SystemVue中的OTA仿真流程根據(jù)測(cè)量需要，主要分為兩類(lèi)：發(fā)射端測(cè)量流程 和 接收端測(cè)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(cè)量5G NR上行/下行數(shù)據(jù)；
OTA暗室仿真模型
用于模擬OTA測(cè)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(cè)試，或模擬動(dòng)態(tài)波束賦形和波束跟蹤在LOS信道下的性能。
- 發(fā)射端測(cè)量流程：
基帶信號(hào)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(hào)的EVM/ACLR等測(cè)量指標(biāo))
- 接收端測(cè)量流程：
(虛擬發(fā)射端信號(hào)產(chǎn)生，終端測(cè)量時(shí)，即為模擬基站發(fā)射信號(hào)) ? 暗室Rx OTA模型 ? Rx相控陣處理 ? 射頻模塊 ? 基帶接收機(jī)(包括同步，信道估計(jì)，譯碼等過(guò)程，最終輸出吞吐量/靈敏度等測(cè)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(duì)發(fā)射端、接收端所需各項(xiàng)指標(biāo)的仿真和驗(yàn)證，以及SISO/MIMO場(chǎng)景下的各項(xiàng)指標(biāo)驗(yàn)證，并支持根據(jù)用戶所需場(chǎng)景靈活調(diào)整系統(tǒng)架構(gòu)。以下是基站和UE終端的兩個(gè)OTA仿真模板。
（1）基站下行發(fā)射端測(cè)量
以基站下行發(fā)射端測(cè)量為例，需要測(cè)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(hào)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(hào)測(cè)量模塊，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)用戶設(shè)計(jì)調(diào)整其中的基帶、射頻及天線模塊實(shí)現(xiàn)方式。
圖 5
本例中，通過(guò)在模板中的Tx OTA暗室模塊中導(dǎo)入中場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)等不同情況下的天線方向圖，并控制探測(cè)點(diǎn)位置的掃描，仿真得到不同波束方位角的測(cè)量指標(biāo)。
圖 6
以圖6中directional EVM 和SSB Power Phi Cut為例說(shuō)明仿真情況：
紅色為收發(fā)天線間距10倍波長(zhǎng)處的結(jié)果
藍(lán)色為距離50倍波長(zhǎng)處的結(jié)果
綠色為距離500倍波長(zhǎng) (接近遠(yuǎn)場(chǎng)) 處的結(jié)果
基于中場(chǎng)和基于遠(yuǎn)場(chǎng)的結(jié)果在波束主瓣方向基本一致，而在波束零點(diǎn)位置，由于中場(chǎng)無(wú)法忽略位置信息帶來(lái)的相位影響，因此和遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)果有所區(qū)別，這與暗室測(cè)量結(jié)果一致。同時(shí)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(bǔ)。
（2）手機(jī)終端設(shè)備(UE)接收端靈敏度測(cè)量
我們?cè)賮?lái)看一下終端設(shè)備的接收端測(cè)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(jī)波束主瓣方向?qū)?zhǔn)時(shí)，接收端可以進(jìn)行可靠通信 (吞吐量百分比在95%及以上) 所需的最小信號(hào)功率。
圖 7
圖 8
利用上圖8模板，可進(jìn)行REFSENS靈敏度測(cè)量
接收端測(cè)量的信號(hào)源來(lái)自基站，因此仍然使用NR DL信號(hào)源提供虛擬基站信號(hào)并上變頻到射頻信號(hào)，并添加相應(yīng)射頻器件參數(shù)；
而此時(shí)OTA暗室模型、波束掃描及其他射頻前端模塊則模擬待測(cè)UE探測(cè)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)；
基帶接收機(jī)部分由SystemVue 5G算法庫(kù)提供，最后接測(cè)量模塊求解出BER，Throughput等指標(biāo)，并通過(guò)對(duì)功率進(jìn)行掃描找到Throughput由100%下降到95%時(shí)的臨界點(diǎn)，以得到接收機(jī)前端靈敏度REFSENS。
基于此，也可擴(kuò)展到覆蓋整個(gè)球面的靈敏度仿真，以確保UE如手機(jī)在任意方向的通話質(zhì)量，這一指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)EIS (Effective Isotropic Sensitivity) 定義：
將球面靈敏度功率EIS進(jìn)行累計(jì)積分得到EIS CCDF曲線，根據(jù)不同功率等級(jí)，協(xié)議定義了在EIS CCDF曲線的不同百分比處對(duì)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(xiàng)測(cè)量指標(biāo)的仿真，在此不做更多贅述。
