周宇，劉媛媛

（中國(guó)信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

自20 世紀(jì)80 年代誕生以來，無線通信系統(tǒng)在對(duì)更快的速度、更低的延遲、更高的可靠性和更強(qiáng)的使用靈活性的不斷增長(zhǎng)的需求的推動(dòng)下，經(jīng)歷了30 多年的高速增長(zhǎng)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用化的5G（5th Generation Mobile Communication Technology，第五代移動(dòng)通信技術(shù)）成為全球研究和開發(fā)的焦點(diǎn)[1-2]。5G 技術(shù)是為了進(jìn)一步滿足比4G 更大的數(shù)據(jù)速率和更低的延遲需求，它通過使用更多的頻譜資源來滿足不同類型的業(yè)務(wù)需求的能力是一個(gè)關(guān)鍵的升級(jí)。而5G 通信系統(tǒng)中首次引入了毫米波頻段，大大增加了可用帶寬，其憑借高帶寬、低時(shí)延等突出優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)一步釋放5G 的潛力[3]。3GPP 定義了24.25—52.6 GHz為毫米波頻段，也稱FR2（Frequency Range 2）頻段，工作頻段及對(duì)應(yīng)的頻率范圍見表1：

表1 FR2工作頻段及頻率范圍

在FR2 頻段中，根據(jù)Friis 傳輸公式可知毫米波信號(hào)每米將受到超過60 dB 的路徑損耗，具體如表2 所示，同時(shí)也會(huì)受到毫米波傳播的大氣吸收特性如降水等帶來的電磁場(chǎng)吸收影響[4-5]，另外也易受到人和車輛等物體遮擋影響而進(jìn)一步增加信號(hào)衰減。

表2 不同頻率的路徑損耗

針對(duì)這些問題，目前相控陣天線與波束形成技術(shù)相結(jié)合是業(yè)界認(rèn)可的解決方案。由于5G 毫米波信號(hào)的波長(zhǎng)大約在10 ms 量級(jí)，而天線的尺寸和元件之間的間距與工作波長(zhǎng)成正比，因而可以在5G 毫米波器件中集成高增益相控陣天線，以緩解上述的巨大衰減損耗。波束賦形技術(shù)通過形成具有指向性的波束從而能夠獲得明顯的陣列增益，增加EIRP（Effective Isotropic Radiated Power，等效全向輻射功率），彌補(bǔ)毫米波在傳播特性上相對(duì)中低頻段的不足，是毫米波通信系統(tǒng)中克服用戶設(shè)備和基站之間在28 GHz、39 GHz 甚至更高頻段的大信道路徑損耗的必要技術(shù)[6-7]。

而對(duì)于這些毫米波器件，包括高度集成的前端解決方案、多元件天線陣列、無源和有源饋電網(wǎng)絡(luò)等，考慮到天線陣列數(shù)量帶來的測(cè)試復(fù)雜度增加，天線陣列小尺寸帶來的測(cè)試連接空間受限以及毫米波高工作頻率帶來的較高的測(cè)試線纜成本等問題，很難如以往的2G、3G、4G 通信制式那樣通過射頻電纜以傳導(dǎo)連接的方式進(jìn)行測(cè)量，所以對(duì)于FR2 中的測(cè)試需要基于 OTA（Over The Air，空中輻射）的測(cè)試方式來進(jìn)行。

1 OTA 測(cè)試方法分析

目前對(duì)于毫米波終端測(cè)試，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)以及CTIA 測(cè)試要求中，OTA 是強(qiáng)制的測(cè)試方法[8]。3GPP 允許的用于5G 毫米波終端設(shè)備的OTA 測(cè)試方法有：DFF（Direct Far Field，直接遠(yuǎn)場(chǎng)法）、IFF（Indirect Far Field，間接遠(yuǎn)場(chǎng)法）、NFTF（Near Field To Far-field，近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換法）。測(cè)試方法的定義是根據(jù)測(cè)量距離來區(qū)分的。

1.1 直接遠(yuǎn)場(chǎng)法

DFF 作為一種準(zhǔn)確評(píng)估輻射體性能的測(cè)試方法，已廣泛應(yīng)用于天線方向圖的測(cè)試、基站性能測(cè)試等無線產(chǎn)品輻射性能測(cè)試中，能較準(zhǔn)確地測(cè)量設(shè)備的輻射特性。DFF 的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是對(duì)于更大的天線尺寸和更高的頻率，所需的最小夫瑯和費(fèi)距離可能非常大，因此將導(dǎo)致非常大的腔室尺寸，這將導(dǎo)致場(chǎng)地需求較大、造價(jià)昂貴，并且由此帶來的非常高的自由空間路徑損耗將限制動(dòng)態(tài)范圍。

在3GPP 中，DFF 是基準(zhǔn)射頻測(cè)試方法，直接測(cè)量度量值的大小，又進(jìn)一步分為DFF 和簡(jiǎn)化的DFF。DFF如圖1（a）所示，該裝置有兩個(gè)天線，一個(gè)天線用于在波束轉(zhuǎn)向時(shí)保持連接，一個(gè)天線用于實(shí)現(xiàn)波束中心和偏心波束的測(cè)量。簡(jiǎn)化的DFF 如圖1（b），將測(cè)量和鏈路天線組合起來，以便使用單個(gè)天線來引導(dǎo)波束并執(zhí)行UE波束中心測(cè)量。

圖1 DFF實(shí)現(xiàn)方式

1.2 間接遠(yuǎn)場(chǎng)法

由于遠(yuǎn)場(chǎng)暗室場(chǎng)地需求較高，所以希望找到一種占地面積小、測(cè)量距離短的方法。IFF 就是針對(duì)這種需求產(chǎn)生的輻射體測(cè)量方法，也被稱為CATR（Compact Antenna Test Range，緊縮場(chǎng)測(cè)系統(tǒng)），其能夠?qū)崿F(xiàn)波束的中心和離中心測(cè)量。CATR 是一種準(zhǔn)直系統(tǒng)，它通過與一個(gè)精密的拋物面反射鏡的變換使喇叭天線產(chǎn)生的球面波在遠(yuǎn)場(chǎng)范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)靜區(qū)內(nèi)的平面波分布[9-10]，從而滿足測(cè)試要求。典型的CATR 設(shè)置如圖2 所示。

圖2 CATR系統(tǒng)原理圖

由于不使用大于FHD（Fraunhofer Distance，夫瑯和費(fèi)距離）的距離長(zhǎng)度，因此靜區(qū)的大小只取決于反射器的特性。所以可以相對(duì)容易地在比直接遠(yuǎn)場(chǎng)法小得多的暗室中建立較大的靜區(qū)，其暗室尺寸可以顯著減小到直接遠(yuǎn)場(chǎng)暗室的十分之一。而且考慮到大氣條件如溫濕度對(duì)于儀器行為和元件的影響[11-12]，由于使用類似于臺(tái)式或甚至是常規(guī)的機(jī)架式解決方案，CATR 也更容易使用和維護(hù)。此外，在實(shí)時(shí)和直接發(fā)射測(cè)量和接收機(jī)模式下的射頻收發(fā)器指標(biāo)方面，CATR 具有與DFF 系統(tǒng)相同的測(cè)試能力。最后，CATR 的測(cè)量距離比DFF 短得多，不像DFF 系統(tǒng)那樣存在嚴(yán)重的路徑損失。因此與DFF 方法相比，CATR 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍也得到了提高。

1.3 近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換法

NFTF 是基于惠更斯原理。同遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)相比，輻射近場(chǎng)區(qū)與遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)有相同的電磁場(chǎng)輻射模式，所以可以用近場(chǎng)測(cè)得的數(shù)據(jù)來確定遠(yuǎn)場(chǎng)量。為了減小待測(cè)天線系統(tǒng)與測(cè)試探針天線之間的耦合，近場(chǎng)測(cè)量均在輻射近場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行而不是感應(yīng)場(chǎng)區(qū)。該方法通過測(cè)量待測(cè)終端周圍表面（球形）上的幅值和相位，然后利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換計(jì)算等效遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，這樣對(duì)測(cè)試場(chǎng)地的需求將大幅減小，所需暗室的尺寸比起DFF 和CATR 方法會(huì)顯著減小，操作相對(duì)容易，同時(shí)能保證和遠(yuǎn)場(chǎng)直接測(cè)量準(zhǔn)確度相當(dāng)?shù)臏y(cè)試結(jié)果。此外現(xiàn)在已經(jīng)引入了用于跟蹤發(fā)射調(diào)制信號(hào)傳播相位變化的技術(shù)，例如使用干涉技術(shù)[13]，或使用專用相位參考天線的多端口相位相干接收機(jī)[14]。文獻(xiàn)[15]中還介紹了時(shí)域近場(chǎng)掃描技術(shù)。

在近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)的轉(zhuǎn)換過程中，通過校準(zhǔn)使發(fā)射功率的EIRP 從dB 轉(zhuǎn)換為dBm。由于完整的3D 模型是測(cè)量得到的，所以TRP（Total Radiated Power，總輻射功率）可以使用EIRP 結(jié)果來計(jì)算，波束峰值處的EIRP 結(jié)果也很容易得到。NFTF 測(cè)量裝置如圖3 所示。然而，由于在毫米波波段需要大量的采樣網(wǎng)格點(diǎn)，進(jìn)行傅里葉變換是耗時(shí)和復(fù)雜的，所以在調(diào)制信號(hào)中評(píng)估5G 相控陣的EIRP/TRP 時(shí)所需測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)。此外為提取每個(gè)采樣網(wǎng)格處的調(diào)制信號(hào)的相位，探頭的旋轉(zhuǎn)是步進(jìn)的，而不是連續(xù)的，所以掃描過程也比較冗長(zhǎng)。

1.關(guān)鍵變量。表4僅以環(huán)境規(guī)制為自變量，該變量對(duì)農(nóng)村化學(xué)品企業(yè)產(chǎn)值有顯著正影響，“污染天堂假說”不成立。表5加入其他自變量以后，所有模型中環(huán)境規(guī)制變量對(duì)農(nóng)村化學(xué)品企業(yè)產(chǎn)值有顯著負(fù)影響，較低的環(huán)境規(guī)制對(duì)農(nóng)村化學(xué)品企業(yè)來說意味著較低的成本，農(nóng)村化學(xué)品企業(yè)傾向于在環(huán)境規(guī)制較低的地區(qū)選址與發(fā)展；同時(shí)，農(nóng)村化學(xué)品企業(yè)發(fā)展除了受到環(huán)境規(guī)制變量的顯著負(fù)影響以外，還受到農(nóng)村招商引資優(yōu)惠政策、工業(yè)資本存量以及技術(shù)等因素的顯著影響，環(huán)境規(guī)制并不是決定農(nóng)村化學(xué)品企業(yè)發(fā)展的唯一因素。以上證明中國(guó)農(nóng)村化學(xué)品企業(yè)發(fā)展存在“污染天堂效應(yīng)”。

圖3 NFTF系統(tǒng)示意圖

2 OTA測(cè)試方法適用性與挑戰(zhàn)

2.1 測(cè)試方法對(duì)射頻性能測(cè)試的適用性

上述介紹的三種基本的毫米波OTA 測(cè)試方法，每個(gè)測(cè)試方法對(duì)于射頻性能測(cè)試的測(cè)試用例的具體適用性取決于待測(cè)終端的天線配置、天線陣尺寸（D）、實(shí)際測(cè)試距離。3GPP 根據(jù)終端使用的毫米波天線陣的大小及分布將待測(cè)移動(dòng)終端劃分為3 種類型[16]，其定義如表3 所示，其天線陣分布示意圖如圖4 所示。

表3 DUT天線類型

圖4 終端天線類型分布示意圖

表4 總結(jié)了OTA 各測(cè)試方法對(duì)于待測(cè)終端天線的天線配置以及測(cè)試用例的適用情況，以及是否需要終端廠家提供終端天線情況的聲明。可以看出，NFTF 法僅適用于發(fā)射機(jī)測(cè)試，適用的場(chǎng)景受限較大。而DFF 法由于靜區(qū)尺寸的限制不能支持類型3 的終端天線類型。另外DFF 和NFTF 都需要廠家提供終端天線的配置聲明，而由于考慮到涉及設(shè)計(jì)保密要求，實(shí)際中有些廠家可能會(huì)不愿意提供這一信息，這種情況下，IFF 法不需要提供天線配置聲明就顯得非常友好，同時(shí)能夠支持全部的射頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的測(cè)試用例。

表4 OTA測(cè)試方法適用性

所以IFF CATR 在毫米波終端測(cè)試商用中得到了最大的認(rèn)可，是目前業(yè)界普遍認(rèn)同的5G 毫米波射頻性能測(cè)試的主流方法，也是CTIA 毫米波認(rèn)證[17]中唯一允許使用的方法。

2.2 待測(cè)設(shè)備尺寸對(duì)測(cè)量靜區(qū)的挑戰(zhàn)

目前OTA 測(cè)試的IFF CATR 暗室普遍是30 cm 靜區(qū)，3GPP 提出40 cm 和55 cm 靜區(qū)的定義，作為下一代將采用的靜區(qū)尺寸，但支持較大靜區(qū)的CATR 系統(tǒng)通常會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量不確定度。對(duì)于待測(cè)設(shè)備天線具體位置以及設(shè)置，IFF 默認(rèn)情況是采用黑盒測(cè)試法，即終端供應(yīng)商沒有提供關(guān)于設(shè)備天線的聲明，也就是不清楚設(shè)備的天線具體位置。目前的黑盒測(cè)試要求待測(cè)設(shè)備的幾何中心放置于靜區(qū)中心，同時(shí)不允許設(shè)備的幾何形狀擴(kuò)展到靜區(qū)以外，如圖5 所示：

圖5 黑盒測(cè)試法

黑盒測(cè)試情況下，以最大的55 cm 靜區(qū)為例，即使終端上天線間最大的分離距離小于30 cm，也必須采用55 cm 靜區(qū)的系統(tǒng)不確定度。另一方面在終端尺寸比較大的情況下，即便使用55 cm 靜區(qū)，也可能出現(xiàn)無論天線位于何處，仍然無法被靜區(qū)完全覆蓋的情況，在這種待測(cè)終端部分延伸超過靜區(qū)的情況下，該終端因無法滿足黑盒測(cè)試要求而無法在該CATR 系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試。

為了解決這一問題，3GPP 經(jīng)過多輪的討論，提出了灰盒測(cè)試法。該方法不要求整個(gè)待測(cè)設(shè)備完全被包圍在靜區(qū)中，而是要求確保終端中集成的所有天線陣列完全放置于靜區(qū)中，同時(shí)允許設(shè)備其它部分?jǐn)U展到靜區(qū)外，即設(shè)備的輻射部分必須完全放置在靜區(qū)內(nèi)，設(shè)備幾何中心不再必須與靜區(qū)的中心對(duì)齊，但非輻射部分可以位于靜區(qū)外。所以如果供應(yīng)商提供關(guān)于天線的聲明，提供了定位參考點(diǎn)并聲明包含所有有源天線所需的最小靜區(qū)尺寸滿足暗室靜區(qū)要求（每個(gè)頻段），則可以使用灰盒測(cè)試方法，如圖6 所示，待測(cè)設(shè)備的尺寸超出了靜區(qū)的范圍，黑盒測(cè)試不支持該尺寸的設(shè)備，但灰盒測(cè)試中，設(shè)備中心參考點(diǎn)選為兩個(gè)天線陣列最外層尺寸的幾何中心，與靜區(qū)的中心對(duì)齊，此時(shí)兩個(gè)天線都可以很好地被包含在靜區(qū)中，能夠進(jìn)行正常測(cè)試。

圖6 灰盒測(cè)試法

灰盒測(cè)試法適用于現(xiàn)有的20 cm 和30 cm 靜區(qū)以及40c m 和55 cm 靜區(qū)，該方法對(duì)設(shè)備本身的尺寸不再做限制，提升了CATR 的測(cè)試能力。

2.3 多個(gè)到達(dá)角場(chǎng)景對(duì)測(cè)試方法的挑戰(zhàn)

在5G FR2 毫米波頻率范圍內(nèi)，待測(cè)終端的一些測(cè)量用例需要同時(shí)測(cè)量多個(gè)到達(dá)角，比如協(xié)議測(cè)試、無線資源管理測(cè)試與MIMO 測(cè)試。這些需要考慮多個(gè)到達(dá)角的波束賦形場(chǎng)景，大大增加了測(cè)試暗室設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

以無線資源管理測(cè)試為例。TR 38.810 中關(guān)于毫米波無線資源管理測(cè)量環(huán)境設(shè)置的基本原理如圖7 所示，其基于直接遠(yuǎn)場(chǎng)方法，其中待測(cè)終端放置在圓弧中心的定位器上，與連接到仿真基站的兩個(gè)或多個(gè)測(cè)量天線探頭保持相等距離。探頭以30°至180°的不同角度間距，以30°為增量呈半圓的形式分布?；咎炀€探頭的絕對(duì)位置取決于實(shí)現(xiàn)方式。

圖7 RRM基線測(cè)量設(shè)置

MPAC（Multi-Probe Anechoic Chamber，多探頭法）是比較主流的 MIMO OTA 測(cè)試方法。鑒于MPAC 方法在4G 終端MIMO OTA 測(cè)試中被廣泛接受，因此將MPAC方法擴(kuò)展到毫米波應(yīng)用中。基于DFF 暗室的MPAC 根據(jù)測(cè)試維度分為兩種類型：2D MPAC 和3D MPAC。2D MPAC 用于協(xié)議開發(fā)、簡(jiǎn)單射頻設(shè)計(jì)驗(yàn)證、功能驗(yàn)證和UE 協(xié)議一致性測(cè)試，靜區(qū)較小，支持1 個(gè)AoA（Angle of Arriveal，到達(dá)角）。3D MPAC 是多探頭天線系統(tǒng)，暗室與待測(cè)終端建立三維的OTA 連接，適用于移動(dòng)性測(cè)試和性能測(cè)試，以及需要信道模擬器衰落模型和2 個(gè)AoA 的RRM（Radio Resource Management，無線資源管理）測(cè)試。

3GPP 在2019 年底批準(zhǔn)了增強(qiáng)型IFF 也即Multi-CATR 的方法[18]。該方法的暗室內(nèi)有多個(gè)30 cm 靜區(qū)的反射鏡，可以支持多個(gè)到達(dá)角，實(shí)現(xiàn)30°、60°、90°、120°、150°的角度偏移。這種測(cè)試暗室具有非常大的可測(cè)范圍，同時(shí)占地面積和靜區(qū)比最小，系統(tǒng)測(cè)量不確定度最小。

還有一種實(shí)現(xiàn)方案是IFF 與DFF 混合型暗室，這種暗室可以從已有的IFF CATR 暗室基礎(chǔ)上通過增加可移動(dòng)的天線軌道來實(shí)現(xiàn)。可根據(jù)3GPP 要求設(shè)置30°、60°、90°、120°、150°的夾角。此外，為了研發(fā)目的，還可以設(shè)置任何角度（30°～150°）。

表5 總結(jié)了不同OTA 測(cè)試方法可以支持的到達(dá)角數(shù)，能夠有支持2 個(gè)AoA 能力的方案才適用于RRM 中2 個(gè)AoA 場(chǎng)景的測(cè)試需求。其中MPAC、增強(qiáng)IFF 以及IFF與DFF 混合法能夠滿足RRM 2AoA 測(cè)試要求。

表5 不同OTA測(cè)試方法可支持的到達(dá)角數(shù)

對(duì)比這三種方法，MPAC 法只適用于RRM 測(cè)試，如果需要進(jìn)行其他射頻性能測(cè)試，還需要建設(shè)CATR 暗室，并與之共享測(cè)試儀表，這樣會(huì)帶來的問題是需要較大的場(chǎng)地空間，兩個(gè)暗室的建設(shè)成本較高等。增強(qiáng)型IFF 可以在同一個(gè)暗室中支持射頻性能測(cè)試和RRM 多AoA 測(cè)試，對(duì)于多AoA 測(cè)試能夠提供最大的靜區(qū)，所以可以支持黑盒測(cè)試，系統(tǒng)不確定度較小，但這種方法由于采用多個(gè)反射面，成本也是較高的，而且需要的場(chǎng)地空間也較大。IFF 與DFF 混合法也可以在一個(gè)暗室中支持射頻性能測(cè)試和RRM 多AoA 測(cè)試，其中IFF 部分用于射頻性能測(cè)試，DFF 部分用于RRM 多AoA 測(cè)試，成本相對(duì)較小，占用場(chǎng)地空間也較小，但由于RRM 多AoA 測(cè)試采用DFF 法，靜區(qū)較小，需要采用灰盒測(cè)試法。

除了上述較為成熟的方法，對(duì)于多AoA 場(chǎng)景的MIMO測(cè)試，業(yè)界還在研究和提出了更多的方案。如毫米波MF（Midfield，中場(chǎng)）測(cè)試方法[19]，可以根據(jù)3GPP 一致性測(cè)試規(guī)范執(zhí)行天線陣列相位相干校準(zhǔn)并支持RF 參數(shù)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)最小化尺寸和成本優(yōu)化。另一種3D 柔性多探頭設(shè)置的方法[20]，提出三維柔性多探頭設(shè)置，將遺傳算法和凸優(yōu)化應(yīng)用于三維柔性多探頭設(shè)置，在整個(gè)球體的表面上確定最佳OTA 探頭位置，從而在接收機(jī)側(cè)獲得了更精確的三維信道空間相關(guān)性仿真精度。還有一種新型具有環(huán)形反射器的T-CATR的方法，相較于傳統(tǒng)CATR 只能通過一個(gè)偏置反射面產(chǎn)生一個(gè)平面波，該方法可以用于產(chǎn)生多個(gè)平面波[21]。

3 結(jié)束語

隨著3GPP R17 標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)和毫米波頻率的逐步商用，由于5G 毫米波通信的新特點(diǎn)，OTA 測(cè)試首次被引入終端性能評(píng)估中并成為強(qiáng)制要求。文中詳細(xì)討論了3GPP 及CTIA提出的主要OTA 測(cè)試方法，分析了其對(duì)于不同測(cè)試情況的適用性和局限性。由于產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)過程都需要進(jìn)行性能評(píng)估，每個(gè)階段的測(cè)試要求都不一樣，因此不能確定上述單一的OTA 方法作為全面、準(zhǔn)確地表征5G 毫米波器件的最終解決方案。OTA 測(cè)試方法的最佳選擇是基于需要評(píng)估的不同性能指標(biāo)、測(cè)量精度、成本效益、測(cè)試環(huán)境的復(fù)雜性、受控環(huán)境中的可重復(fù)性的容易程度等之間的權(quán)衡。同時(shí)由于新測(cè)試要求的引入，如RRM 2AoA 的場(chǎng)景、大尺寸待測(cè)終端以及正在討論中的MIMO 測(cè)試等，對(duì)于OTA 測(cè)試方法的能力提出了進(jìn)一步的要求，毫米波OTA 測(cè)試方法也在隨之進(jìn)行演進(jìn)、改進(jìn)和完善，以滿足產(chǎn)業(yè)界不斷增長(zhǎng)的需求。