5G终端SISO OTA及MIMO OTA测试方法研究

叶扬韬 景洪恩 徐振飞 陈楚轩 刘泳海

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引言

近年来，第五代移动通信技术（5G）成为全球科技进步和经济发展领域的重要课题。据我国工信部数据显示，截止到2021年8月底，我国5G终端的连接数量接近4.2亿。而随着5G技术对智慧交通、智能制造等垂直领域的渗透，5G将进一步的影响到社会生活的方方面面，5G终端的数量也将进一步增长。

空口（OTA）测试技术能够从终端整机的角度考察终端的无线性能，比射频传导测试更加全面，在以往的移动通信技术中被广泛采用。根据天线端口的数量，OTA测试又分为SISO OTA测试和MIMO OTA测试。5G包含了FR1频段（450 MHz～7.125 GHz）与FR2频段（24.25～52.6 GHz）。一方面，5G 终端在FR1频段的天线数量相比LTE将更多，OTA测试能够对多天线的无线性能做出评估。另一方面，5G FR2频段的终端具有高集成的特点，不再具有射频测试接口，只能利用OTA技术进行无线性能测试。因此，OTA测试在5G时代将发挥更加重要的作用。

本文将对5G终端在FR1和FR2频段的SISO OTA和MIMO OTA测试方法进行分析介绍。

1 5G FR1频段SISO OTA测试

5G FR1频段都采用的6GHz以下的载波进行通信，其SISO OTA测试系统可以基本与LTE保持一致，主要测试的项目为总全向辐射功率（TIRP）和总全向辐射灵敏度（TIRS）。但由于5G相比4G在通信带宽和子载波间隔的支持上都有所增强，并包含独立组网（SA）及非独立组网（NSA）两种模式，其设置参数上相比4G还是存在一定差异。

由于5G频段的最大带宽由LTE的20 MHz变为NR FR1频段的100 MHz，5G FR1 OTA测试的相关带宽设置也相应做出调整，如中国通信标准化协会CCSA制订的《无线终端空间射频辐射功率和接收机性能测量方法第9部分：5G NR无线终端（Sub-6GHz）》标准中即采用100 MHz作为TIRP和TIRS的测试参数设置[1]。表1和表2分别给出了NR FR1在独立组网（SA）模式下的测试信道列表和相应的信道带宽、子载波间隔参数设置，可以看到在辐射功率和接收灵敏度的测试中，信道带宽都是设置为100 MHz，而子载波间隔都是设置为30 MHz。

表1 NR FR1独立组网射频辐射功率测试信道列表

表2 NR FR1 独立组网接收灵敏度测试信道列表

在SA模式下，TIRP和TIRS的测试方式与LTE近似。在测试射频辐射功率时，EUT要在整个测试过程中都以最大功率发射，试验将测试等效全向辐射功率EIRP并计算TIRP。在测试接收机灵敏度时，上行功率采用闭环功率控制模式，EUT要以最大功率发射，试验将测量等效全向灵敏度EIS并计算TIRS。

在NSA模式下，NR FR1与LTE处于双连接状态，5G终端的LTE和NR FR1的射频性能都要求被测试。在射频辐射功率的测试中，NR TIRP与LTE TIRP可被同时测试或者先后测试。在接收机灵敏度的测试中，当NR TIRS被测试时，LTE下行链路功率设置需保持稳定连接且误块率（BLER）为零，当LTE TIRS被测试时，NR下行链路功率设置需保持稳定连接且误块率为零。

2 5G FR2频段SISO OTA测试

在LTE测试中，射频性能主要采用传导的方式进行测试。但毫米波由于高度集成的特点，不再保留射频测试端口，毫米波的全部射频性能测试都将采用OTA测试的方式。目前，毫米波测试主要有直接远场法、间接远场法和近远场转换法三种方式。

2.1 直接远场法

直接远场法要求测试距满足三个基本条件R＞3D，R＞3λ，R＞2D2/λ，其中R是EUT的旋转中心到测试天线相位中心的距离，D是辐射天线孔径。直接远场法在传统OTA测试中被普遍采用，因为传统测试频率低于3GHz，测试距离约为2m，传统测试对空间的要求不高，空间损耗也较小。

对于FR2毫米波频段，其频率较高，波长较小，远场的测试距离主要由R＞2D2/λ决定。由于天线与被测物其他部分的耦合效应，EUT的实际辐射天线孔径难以被准确评估，3GPP采用天线阵列尺寸作为D值来计算测量距离[2]，这样能够减小测量距离的要求，但同时会增加系统的总不确定度。随着频率的增加，系统对于测试距离的要求显著增长，表3给出了28 GHz和100 GHz频段对于不同被测物尺寸的远场距离最小要求，可以看出，当D达到15 cm时，远场的测试距离很大，系统的建设成本急剧上升，空间损耗也非常高，影响系统动态范围和射频指标的测试难度。所以，直接远场法在FR2频段适用于天线孔径较小的5G终端，3GPP也将直接远场法的使用条件规定为D ≤ 5 cm。

表3 对于不同孔径被测天线的最小测试距离

2.2 间接远场法

间接远场法是利用一些替代方法来近似模拟远场环境，从而减小测量距离。紧缩场法（CATR）就是一种典型的间接远场法，其基本原理是利用高精度的反射面，在较短的距离内将原始信号发射的球面波转化为平面波。紧缩场系统由EUT、馈电天线、反射面等构成，EUT安装在旋转支架上，示意图如图1所示。紧缩场法能利用较短的距离实现等效远场的测试环境，从而降低系统建设成本和系统空间损耗。

图1 紧缩场系统示意图

紧缩场测试系统的性能主要由系统静区的性能来进行表征，静区尺寸一般为反射面尺寸的一半左右。例如，对于120 cm的反射面，静区尺寸为60 cm左右。静区性能包含幅度变化和静区相位变化两个主要参数，会受到馈源、反射面平整度、反射面尺寸、吸波材料等参数的影响。一般认为，幅度变化小于1 dB，相位变化小于10度能满足产业发展的基本需求。紧缩场系统可以对静区内任意尺寸的EUT进行测试，制造商不需要提供EUT的天线位置以及天线阵列尺寸等信息。也即是说，紧缩场是采用“黑盒”模式进行测试。无论是单个天线孔径，还是多个相干或者不相干的天线孔径，都可以在“黑盒”模式下进行测试。紧缩场系统可用于EIRP、TIRP、EIS、EVM、杂散辐射以及阻塞指标的测试。另外，由于反射面可以为信号提供额外的增益，系统的空间损耗降低，系统能够降低对放大器等射频器件的性能要求。

目前，3GPP、CCSA和CTIA等组织都采用紧缩场法作为FR2 SISO OTA测试的主要方案，紧缩场法将成为未来主流的FR2认证测试方案。

2.3 近远场转换法（NFTF）

无论是直接远场法还是间接远场法，由于高频信号的衰减较大，部分测试指标的测试精度较低。而近远场转换法的空间损耗较小，对于频率、解调相关的射频指标，可以保持更高的测试精度。

近远场转换法的原理是在近场的一个截面上采集电磁场的幅度、相位和频谱等信息，再通过数值计算推导相对应的远场幅度、相位等信息，得到远场的辐射特性。根据采集面的形状，近远场转换法又分为平面法、球面法和柱面法。

近远场转换法的关键步骤是对近场截面幅度及相位信息的精确测量。但有源天线的宽带信号的相位信息难以被准确测量，这也是近远场转换法的主要问题。另一方面，采样间隔也是影响结果准确性的关键因素，采样网格尺寸需要小于波长的一半，随着频率的升高，网格密度也会不断上升，扫描时间也会随之增大。

目前，近远场转换法已被3GPP采纳，但仅限于5G终端发射性能的测试，所以近远场转换法的适用范围较窄。

3 5G FR1频段MIMO OTA测试

5G FR1频段的MIMO OTA测试，目前主要包括多探头法（MPAC）和辐射两步法（RTS）两种测试方法。

3.1 多探头法（MPAC）

在LTE MIMO OTA测试中，MPAC测试系统采用2D多探头天线环结构，共有8个探头呈环形均匀分布，在暗室内构建具有特定来波角、多普勒时延等参数的信道环境。LTE MIMO OTA测试采用了城区微小区（SCME UMi）模型和城区宏小区（SCME UMa）模型，能够进行2X2 MIMO OTA性能测试。5G FR1频段的MIMO OTA与LTE类似，也是采用的2D多探头天线环形架构，但在多个方面进行了升级。

在信道方面，5G基于3GPP TR38.901定义的集群延迟线（CDL）信道模型重新定义了多个信道模型[3]，其中典型的信道模型为应用于5G 4X4 MIMO OTA测试的UMa CDL-C模型。在探头分布方面，为了保证在暗室测试区域内精准复现具有特定功率强度、时延、来波角度和相关性等参数的信道环境，FR1 MIMO OTA测试系统在LTE多探头法的基础上对探头数量进行了升级，探头间的间隔角度由45度减小为22.5度，探头数量由8个上升为16个[4]。这样的探头分布，不仅可以向前兼容LTE MIMO OTA测试，也易于拓展标准规定以外的其他信道模型。而在天线端口数量的支持上，由于5G终端对于n7，n77，n78，n79等频段一般采用至少4个接收天线端口，5G MIMO OTA测试系统也要求能够支持4X4 MIMO无线性能的测试。

5G FR1 MIMO OTA测试系统的框架如图所示，由基站模拟器、信道仿真器、放大器及多探头暗室组成。在测试过程中，EUT被放置在暗室中心的静区范围内，并以30度为步长在水平面内旋转，在12个不同方向上依次进行吞吐量的测试。目前，3GPP已确定多探头法为5G FR1 MIMO OTA认证测试方案。

3.2 辐射两步法（RTS）

多探头法需要16个探头呈环形分布，成本过高，而辐射两步法则对探头数量要求较低，可以有效降低建设成本及系统复杂度。图3显示了一种典型的4X4 MIMO OTA的测试架构图。

图2 FR1 MIMO OTA架构示意图

图3 辐射两步法的典型测试架构图

辐射两步法分为两个步骤，第一步需要在暗室中测量得到EUT的接收天线方向图，该步骤要求EUT的芯片能够支持信号幅度和相对相位信息的获取及上报。

在第二步中，EUT放在全电波暗室中进行测试，但实际上我们希望测试系统能够模拟一种“无线版的射频传导测试”。为达到这一目标，系统需要先校准发射天线和EUT接收机之间的传输矩阵。将第一步中得到的接收天线方向图信息加载到信道模仿真中，获得包含EUT天线特性的无线信道，再将系统的传输矩阵的逆矩阵也加载到信道仿真器中。这样EUT的接收机接收到的信号类似于射频传导方式接入的信号，但同时被测设备的多天线自干扰特性也被考虑在内了。之后，就可以对不同角度下的吞吐量进行测试了。与多探头法旋转被测设备的方式不同，辐射两步法是通过旋转信道仿真器中EUT的天线方向图来实现不同角度下的测试，由于省略了物理旋转的步骤，辐射两步法可以有效节省测试时间。

辐射两步法要求测试系统发射天线具有一定的隔离度，具体的隔离度要求限值还需进一步研究。另外，辐射两步法仅适用于EUT天线配置和方向图不随外界环境变化而改变的情形。但很多采用四天线系统的5G终端，在2X2 MIMO模式下会随外界环境变化进行天线的切换。对于这种情形，辐射两步法无法完成测试。

目前，3GPP已经采纳辐射两步法成为5G FR1 MIMO OTA的测试方法，但将其作为第二优先级。

4 5G FR2频段MIMO OTA测试

与5G FR1频段不同，FR2 MIMO OTA测试采用3D信道模型，测试场景包括城市微小区（UMi）和室内办公室（InO），其系统架构如图4所示。

图4 FR2 MIMO OTA测试框架图

在3D-MPAC系统中，探头数量和位置是准确构建信道模型的关键。在FR1频段，信道模型的准确性与空间相关性关系密切，而在FR2频段，角度功率谱相似度（PSP）则至关重要。为了优化信道PSP，3GPP规定了在距离测试区域中心最小半径为0.75 m扇区上放置6个双极化探头的测试系统，每个探头的位置见表4，3D-MPAC系统目前支持的最大测试区域为20 cm。

表4 FR2 MIMO OTA测试系统探头位置

5 结语

本文分析介绍了5G终端在FR1和FR2频段的SISO OTA和MIMO OTA测试方法。由于5G仍处于起步阶段，相关的测试方法还需进一步的讨论和完善。随着5G技术的发展，全球各大标准组织和认证机构也会进一步规范5G OTA的测试方法，共同促进OTA技术在5G中的广泛应用。