汽车整车OTA 测试研究

胡洋 李国庆

中国信息通信研究院西部分院（重庆信息通信研究院） 重庆市 400800

1 车联网通信标准状况

2022 年6 月，在3GPP TSG 第96 次 会议上，5G R17 标准宣布冻结，这标志着5G技术和标准已经进入成熟和稳定期，5G R18标准制定工作开始启动。V2X（Vehicle to Everything）意为“车联万物”，是将车辆与一切事物相连接的新一代信息通信技术，其中V代表车辆，X代表任何与车交互信息的对象，主要包含车、人、路侧基础设施和网络。V2X将“人、车、路、云”等交通参与要素有机地联系在一起，构建一个智慧的交通体系。

C-V2X 是基于蜂窝网络通信技术的车联网，简称蜂窝车联网，C-V2X 标准包括LTE-V2X及其演进的NR-V2X，在4G-LTE 时代最早由大唐电信科技产业集团提出，基于LTE 系统的LTE-V 技术又称为LTE-V2X，奠定了C-V2X 系统架构和技术路线。NR-V2X 研究基于5G 新空口的PC5接口和Uu 接口增强，主要用于支持车辆编队行驶、远程驾驶、传感器扩展等高级V2X 业务需求，支持NR-V2X的3GPP R16 版 本标准于2020.7 完成。

在国内，2017 年由工业和信息化部、国家标准化管理委员会会同有关单位组织开展了《国家车联网产业标准体系建设指南》系列文件编制工作，内容包括总体要求、智能网联汽车、信息通信、电子产品和服务、智能交通和车辆智能管理等部分。从2017 年到2021 年陆续出台了各标准体系，并在此基础上共同构建《车联网网络安全和数据安全标准体系建设指南》，加强对车联网安全支撑，形成了我国完善的车联网产业标准体系。

目前我国已完成包括通信关键技术、信息感知与交互、决策预警核心技术以及ADAS 核心技术等标准制定工作，形成了完备的车联网产业标准体系。C-V2X 应用涉及汽车、通信、交通等多个行业领域，依据《指南》要求，由工信部、交通运输部及国家标准化管理委员会等部门，组织各领域相关标准化技术委员会及产业联盟共同开展标准制定工作，其中信息通信标准主要由中国通信标准化协会组织，在TC10 物联网工作组下的WG5 车联网小组进行。

目前已发布的信息标准有30 多项，包括LTE-V 技术、5G eV2X技术、空口、卫星通信及网络与数据安全等，还有60 多项标准、研究课题及技术报告正在进行中，牵头单位有中国信通院、移动、联通、华为、中兴、小米、中国汽车工程研究院等众多机构。

信息通信的关键标准分为感知层（端）、网络层（管）和应用层（云）三个层次，并以共性基础技术和信息通信安全技术为支撑。端主要为各种通信设备、网关、路侧设施及个人终端等；管即为管道，由2G/3G/4G/5G，V2X 通信技术、车内通信网、物联网等组成；云为各种网络业务平台、公共服务、行业应用等。共性基础技术主要解决涉及的共性问题，并提供有效评估手段，主要包括天线、通信设备、电磁兼容性等技术。信息通信标准体系包含基础标准、通信协议和设备、通信业务与应用技术以及网络与数据安全四部分，下设20 多和分类。

目前，在车联网标准体系中，整车OTA测试相关标准还未开始制定。

2 整车OTA 测量及难点

过去，将功率作为时间、频谱或编码（CDMA 系统）的函数进行测量。波束赋形的到来增加了另一个维度：空间或功率相对于离开方向。空中测量参数可以分为两大类：研发、认证或一致性测试对于被测设备辐射特性的完整评估，以及生产中的校准、验证和功能测试。

天线设计者关心的主要测试参数包括增益图、辐射功率、接收机灵敏度、收发器/接收器特征和波束控制/波束跟踪，其中任何一项都会影响OTA 测量。然而，由于大规模MIMO 使用的频率，更为关注波束控制/波束跟踪。虽然现在的蜂窝技术使用静态波束图特征，毫米波系统将需要动态波束测量，以便精确表征波束跟踪算法和波束控制算法。

近年来，汽车无线通信市场有了很大的发展。众所周知，天线是决定通信系统性能和尺寸的关键因素。现代汽车可能包含多个天线，捕捉AM/FM 广播、卫星数字音频无线电服务（SDARS）信号、全球定位系统（GPS）数据、移动电话通信、数字音频广播（DAB）、远程无键进入（RKE）和远程启动发动机（RSE）系统、电视接收、电子收费（ETC）、轮胎压力传感器和汽车雷达。

用于汽车应用的电子设备所使用的频谱覆盖频率从0.5MHz（AM 无线电）到77 GHz（雷达碰撞系统）。

图1 展示了通常用于安装天线在车辆上的位置。位置3 或位置9 通常用于安装AM/FM 鞭状挡泥板天线。一个AM/FM 短螺旋天线可以安装在汽车车顶的位置2 或位置8。AM/FM 印刷在玻璃上的天线安装在侧玻璃（位置7），靠近加热器的后玻璃，有时安装在前玻璃（位置4）上。GPS、SDARS 和手机天线通常安装在车顶的2 号位置，或安装在后备箱的1 号位置。卫星电视天线安装在汽车车顶上;对于地面应用，天线可以打印在玻璃上，并与打印在玻璃上的AM/FM 天线安装在一个单独的包装中。近距离无线通信设备的天线通常安装在汽车内部的视线之外，例如10 号位置（汽车前面板下方）或5号位置的门内部。雷达碰撞天线从前面（位置6）或后面安装。

图1 用于不同应用的汽车天线位置

相比其他领域的测试，汽车天线测试存在以下困难：

（1）天线性能与布局有关，天线放在车辆不同位置会有不同的性能；

（2）理论上测试时应将天线相位中心置于系统静区中心，否则会造成测试不确定度增大，测试结果不准确。但由于汽车的体积、重量造成测试时安装困难，另外车辆金属外壳会改变天线的电流分布，实际相心往往并不在天线或车辆中心上。

（3）天线测试时，为模拟电磁波开阔场地，一般在无回波暗室中进行，测试距离与天线尺寸的平方成正比，与波长成反比，如果以车辆的长度作为天线尺寸，测试距离将需要40-50 米，场地建设成本巨大，实际测试以近场为主，后做进一步数据处理，在基本确保测试精度的情况下降低测试成本。

（4）在汽车天线测试中，多数还是将天线作为无源设备来测试，得到的只是天线本身性能，不能完整体系性能；要得到完整的测试结果就需要进行OTA 测试，OTA 测试更加强调真实天线工作状态时的测试。

（5）车辆使用时，地面反射会改变天线的辐射性能，地面的材质和地形影响也是有差异的，因而即使在无回波室测试后，任需要在实际环境下做模拟测试。

3 车载天线测试-测试环境

已知的几种可以测试车辆天线的测量环境：

（a）矩形消声室：通常被用来模拟自由空间条件。在将能量直接反射到测试区域的表面上使用高质量的吸收材料，以降低反射能量水平。

（b）带有金属地面的屏蔽室：与全消声室几乎相同，不同之处是其地板采用了完美的导电表面，而不是用高质量的吸波材料覆盖。

（c）自由空间：天线测试范围是一个室外设施，通常由金属地面组成。它可能是由雷达罩保护的天气。该系统周围的区域没有反射障碍物，如建筑物、树木或墙壁。

测量环境需要允许确定车辆天线的远场特性。这些特性的例子有自由空间辐射方向图、天线增益、辐射功率、接收灵敏度、等效各向同性辐射功率（EIRP）、等效各向同性灵敏度（EIS）。

车辆天线远场测量的最小测量距离R 为：

D 表示天线孔径的大小。天线孔径的大小受天线类型、安装位置和附近物体的影响。在车辆上，这些物体可以是车顶轨道、窗户开口、镜子、传感器外壳、与车辆结构相关的组件等等。由于并非所有物体都会影响天线的辐射模式，并且已知它们对天线孔径的影响，因此取汽车的最大尺寸来定义D。

作为远场测量的替代方案，如上所述，如果对原始振幅和相位数据应用适当的数学操作，测量也可以在比R 更短的距离上进行。这种近场测量的结果经过数学处理后必须与远场数据等价。在测量不确定度的评定中，必须考虑到数学操作。

当OTA 测量在整个球面上的近场进行时，可能不需要对测量数据进行广泛的数学处理。如果在总体测量不确定度预算中考虑了与测量距离密切相关的不确定度，则OTA性能参数可以直接由测量功率密度得到。

4 坐标系/角度定义

如前所述，如在远场测试，测试环境将十分庞大，目前的解决方案多为球面近场测试，球面坐标系见图，与终端OTA 坐标系一致，定义车辆前方为X 轴方向，车顶为Z 方向。

由于车辆外壳会改变天线的电流分布，将天线孔径视为和车辆本身一样宽，因此车辆的最大尺寸决定了测试体积的大小。测试体积的大小必须足够大，以完全包围被测试车辆。

5 测试对比

为验证整车天线球面近场测试可靠性，我们分别在1/4 环的球面近场和室内远场环境下，对北斗有源天线进行了比对测试。测试仪表采用网分，因北斗天线含有低噪放，在网分接收端增加20dB 衰减器，路径校准时已包含衰减器。近场-10 度以下无探头，算法上做截断置零计算处理。

测试样品：北斗天线，频率1557MHz-1565MHz，天线尺寸约10cm*15cm，安装在直径1.2 米的铝板上。

室内远场：长60 米，宽、高各30 米的矩形微波暗室，收发距离50 米，天线架高15米，采用U 形测试架，可进行3D 方向图测试。测试时将天线和铝板作为整体，铝板模拟车体反射。

球面近场：采用1/4 环布局，角度覆盖负10 度到90 度（以水平面作为0 度），在100 度范围内均匀布置101 个探头，探头阵列直径12m，系统已做幅相一致性校准，支架金属面均采用吸波材料处理。测试时将铝板和天线置于球体中心，地面铺满500mm 吸波材料。

由数据对比看出，在60 度范围内一致性较好，85 度以下差异相对较大，分析原因一方面是因为近场做了截断置零处理，边缘处较大的截断电平误差导致通过近远场变换得到的天线近场有效角域外的方向图产生“振铃效应”，二是在接近水平面上，吸波材料反射率较大，三是在此方向上天线增益有所下降，信号自身波动较大。除个别位置外，两场地测试增益差不超过0.5dB，基本满足整车天线测试需求。