5G/NR OTA (Over The Air) 测试详解

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1 什么是OTA (Over The Air)

OTA代表Over The Air。为了使用任何测试设备对设备进行测试，您需要一种将设备连接到测试设备的方法。OTA是一种将设备连接到测试设备的方法。大致有两种连接方法，如下所示。一个是Conductive，另一个是Radiative（或OTA）。简而言之，OTA是通过一对天线（发射天线和接收天线）的连接方法。

导电	辐射/ OTA

实际上OTA是一个非常复杂的话题。有许多不同的方面可以想到。在我学习和体验更多时，我会尝试尽可能多地涵盖不同的视角。

2 OTA设置的类型

当我们说辐射测试时，它通常指的是各种不同类型的配置，如下所示。这些只是您最常见到的一些典型示例，但这些并非全部。辐射测试设置有很多不同的变化。尽管术语OTA测试和辐射测试可以互换使用，但当我们说没有任何具体细节的OTA测试时，我们通常会想到如下所示的（C）或（D）这样的配置。如下图所示，它是在一个内衬有吸收器的腔室中进行测试（这种腔室称为消声室。消音意味着'无回声'。'无回声'在这种情况下意味着'没有来自盒子中任何物体的反射）。

（A）	（B）

这可能是最简单的方法之一。我们使用宽平面贴片天线并将DUT放在天线焊盘的顶部。非常方便的测试，如协议或功能测试，不需要精确的RF测量。但是，除非您在屏蔽室内不使用此设置，否则它可能会受到周围环境的干扰（例如，来自实时网络或其他设备）	在天线设置方面，这几乎与（A）相同。但在这种情况下，天线焊盘和UE位于小型RF室内。与（A）相比，此类型的好处是它可以阻止干扰信号（例如，来自实时网络或相邻设备的干扰）

（C）	（D）

这是一个由导电金属（通常是铜）制成的腔室。如在（B）中那样，这可以阻止来自周围环境的干扰，同时它可以减少来自盒子侧面的反射的干扰。当来自DUT或设备的电磁波撞击导电壁时，导体可以阻挡大部分波。	这将是OTA测试的理想解决方案，需要一定程度的测量精度。它内衬有特殊的吸收器，通常有定位器，可以通过外部控制器改变DUT的方向。

3 为何选择OTA？

即使在传统技术（例如，UMTS，LTE）中，有时我们也进行OTA测量，尤其是用于TRP或TIS测量。然而，在5G / NR中，我们几乎每次测试都在谈论OTA，即使是协议测试也是如此。为什么OTA在5G / NR中成为如此大的问题？在NR中，大约有两个在3GPP规范中指定的分离频谱。一个是FR1（sub 6 Ghz），另一个是FR2（mmWave）。在FR1中，我们可以继续进行导电测试，就像使用2G / 3G / 4G技术一样。但是，在FR2中，很可能我们被迫与OTA合作。为什么？

我们可以想到几个原因以及一些不同的方面。

复杂性：在FR2中，几乎可以肯定我们将使用某种类型的阵列天线（称为Massive MIMO）。这意味着您将在设备上安装大量天线。如果你想进行导电测试，连接将如下所示（B），而如果你选择OTA，则可以像（A）中那样进行测试。然后，很明显我们为什么要选择（A）。注意：如果您想问我们为什么需要使用天线阵列，那么Massive MIMO页面的动机将为您提供一些见解。
没有足够的空间：让我们假设你有足够的理由去OTA，尽管有线连接的复杂性，你仍然会面临另一个严重的问题。即使您的天线阵列中有许多天线元件（例如，16,32,64等），天线模块的整体尺寸在mmWave频率下也不够大，无法容纳所有电缆连接器。
成本：现在让我们假设你有非常非常认真的理由去做导电（比如B），尽管有复杂性和空间问题。即使在这种情况下，导电测试也存在其他问题。在大多数常规测试中，您可能使用过低成本的SMA连接器和电缆。但是，使用mmWave中的SMA类型的连接器/电缆无法获得准确的测量结果。您需要K连接器或更特殊的连接器和电缆（例如，V连接器）如果频率变得更高。这些类型的特殊连接器和电缆的成本远高于那些SMA类型。如果我们将来需要使用非常高的频率（例如超过60 Ghz），您可能需要花费几乎与连接器和电缆一样多的钱，而不是低成本的设备价格。
测量的物理性质：即使您克服了上述所有问题，由于测量本身的性质，某些类型的测量需要OTA。例如，如果要检测天线阵列形成的波束方向，则必须依赖OTA测量。你可以说你仍然可以通过导电测试来做到这一点。从理论上讲，您可以将来自每个天线单元路径的所有信号下行到基带，并通过基带处理计算出波束方向（以及波束的其他性质）。当然，理论上这是可能的。但是，如果有像OTA测试这样的相对简单的方法，我100％确定你想避免这样做。

（A）

（B）

4 测试设置中的UE放置（UE和测试设备之间的天线距离）

为了获得可重复，可靠和稳定的测量结果，将AUT（天线测试中）和测量天线放置在适当的位置非常重要。在本节中，我将解释如何确定适当的天线位置和理论背景，说明为什么应该使用特定的位置。

传统远场消声室的最小远场距离R由下面的公式a确定（基于R5-180013）。

< 图1：天线场区域>

不同天线尺寸和频率的近/远场边界如下表所示。该表基于R5-180013（参考文献[1]） - 表2.2.1：传统远场电波暗室的不同频率和天线尺寸的近场/远场边界

< 表1 - D和频率的近/远边界距离>

D（cm）	频率（千兆赫）		远/近边界（cm）	路径损失
5	28	47	48	55
10	28	187	188	66.9
15	28	420	420	73.8
20	28	747	748	78.9
25	28	1167	1168	82.7
30	28	1680	1680	85.9
5	100	167	168	76.9
10	100	667	668	88.9
15	100	1500	1500	96
20	100	2667	2668	101
25	100	4167	4168	104.8
30	100	6000	6000	108

注意：从这是可选读数。出于好奇，我已经深入研究了这个等式。如果您不感兴趣，可以跳过此部分。我试图调查近/远边界随频率变化的变化。

如下所示，辐射近场的跨度（无功近场和远场开始之间的间隙）随着频率的增加而急剧增加，其中反应近场距离相对缓慢地增加）。此外，比较以下两个图表，您会注意到随着D增加，远场距离变得非常大。

< 图2 - 在D = 5cm处具有频率的场边界变化>

< 图3 - 在D = 10cm处具有频率的场边界变化>

现在你可能有一个有趣的问题。根据上图所示，DUT天线与设备天线之间的距离应随着频率的增加而增加。也就是说，随着频率的增加，电波暗室的大小会增加？对你来说，这不是直觉吗？我们的常识（我们的射频直觉）说频率依赖对象的大小往往随着频率的增加而减小。

我们如何通过直觉和上面的情节来处理这种冲突？

解决方案在于D不是常数。在上图所示的情况下，无论频率如何，D都具有固定值。但是当我们设计天线时，我们通常用波长决定D值（天线孔径大小），如下所示。这里，k只是一个常数，如0.5,1,2等。

如果您绘制波长（lamda）随频率增加而变化的情况，您将得到如下所示的图。你会注意到波长在很大程度上降低了。

< 图4 - 波长与频率>

如果重写远场距离方程，则如下所示。在这个等式中，您会注意到远场距离随着频率的增加而减小。（注意：如果你想尝试以实际值计算，则将f视为'以Hz为单位的频率'，将c视为'以m为单位的光速'，k只是一个没有任何单位的常数）。

5 为何在远场进行测试？

可能到现在为止，你可能会有一个问题'为什么我们需要在远场进行测试？'。要直接回答这个问题并不容易。所以让我稍微改变一下这个问题。为什么我们不在近场测试？

这个问题的简单答案是，该区域的测量结果往往是不可预测的，并且随着天线周围环境的微小变化（例如，馈送天线的电路）和位置变化而变化。相反，远场中的场模式更稳定且可预测，并且对周围的小部件不太敏感。

对于那些对进一步细节感兴趣的人，让我们再看看每个地区的特征。您可以自己进一步调查。尝试用谷歌搜索“近场和远场”，“天线周围的场区域”等关键词。

Reactive Near Filed：这是非常接近天线的区域。该区域中E和H场之间的关系是非常不可预测的（这是不可预测的，不是因为这个属性违背物理理论，而是因为物理性质如此复杂）。例如，在某一点你会看到E场占主导地位，而在另一点上，除了前一点H场占优势之外。辐射能量也会像天线控制电路一样来回影响周围的电气元件。例如，辐射能量的某些部分在某个时间点被吸收并存储在周围的部件中，并且所存储的能量在其他时间点被辐射回到空间中并影响辐射图案。

辐射近场（菲涅耳区域）：在该区域中，与天线的距离不太接近如上所述的反电子部件的影响，并且与反应近场相比，E和H场关系更加可预测。然而，E和H场关系仍然相当复杂，并且存在可能影响该区域中的辐射图案的一些物理对象的高可能性。例如，一些金属物体如钢梁支撑天线模块可以作为一种天线或反射器。因此，这种物体会影响AUT（天线测试）的辐射模式。

FAR场（Fraunhofer区域）：在该区域中，角场分布基本上与距天线的距离无关，并且辐射图可以用球面波阵面近似。由于该区域中的任何接收点都离天线很远，因此发射机的尺寸和形状不再重要，它可以近似为点源。电场和磁场同相，彼此垂直并且也垂直于传播方向。在这个区域，您可以放心地假设通过接收天线的波前是规划器（即，所有入射光线彼此平行）。简单来说，这是一个可以轻松可靠地完成大部分测量的理念区域。

6 为什么天线尺寸如此重要？

如上所述，为了获得稳定的测量结果，重要的是使DUT天线和设备天线之间的距离大于远场边界。如[图1]所示，远场边界从以下距离开始。

从这个表达式中可以看出，距离与D平方成正比（D代表天线尺寸）。也就是说，即使D中的微小变化，距离也会发生巨大变化。为了让您更直观地理解，我将此等式绘制在左图所示的图形中。边界处的路径损耗也随着D的增加而增加，如右图所示。

< 图5 - D>的远场距离和路径损耗

如果您想获得准确的定量数据，我会将表格如下所示。从该表中绘制了上面显示的两个图。

< 表2 -D对远场距离和路径损耗的影响>

D（cm）	频率（千兆赫）		路径损失
1	28	2	27.42
2	28	7	38.30
3	28	17	46.01
4	28	30	50.94
5	28	47	54.84
6	28	67	57.92
7	28	91	60.58
8	28	119	62.91
9	28	151	64.98
10	28	187	66.83
11	28	226	68.48
12	28	269	69.99
13	28	315	71.36
14	28	366	72.67
15	28	420	73.86
16	28	478	74.99
17	28	539	76.03
18	28	605	77.03
19	28	674	77.97
20	28	747	78.86
21	28	823	79.70
22	28	903	80.51
23	28	987	81.28
24	28	1075	82.02
25	28	1167	82.74
26	28	1262	83.42
27	28	1361	84.07
28	28	1463	84.70
29	28	1570	85.31
30	28	1680	85.90

这意味着您需要知道确切的天线尺寸才能获得准确的测量结果。但是，正确定义天线尺寸并不总是容易的。天线尺寸D定义为整个天线模块的最大距离。[图6]中的红色箭头表示D.如您所见，在（A），（B），（C）和（E）的情况下定义D将是直截了当的。但是，在（D）的情况下，定义尺寸并不容易。在（D）中，物理尺寸与（A）相同，但是您会看到天线模块周围的一些导电材料会影响天线模块的辐射方向图。这可能影响天线的有效尺寸，并且很难准确地估计有效尺寸。此外，如（F），（G）和（H）所示，UE制造商将在UE内部的若干不同位置分配天线模块。当然，UE内的天线模块的形状和位置将比这里示出的更加多样和复杂。

< 图6 - 各种配置的天线尺寸>

定义D变得困难还有另一个原因。UE案件会变得更加困难。为了正确定义D，您需要获得UE中天线结构和位置的所有详细信息。但在许多情况下，这些信息被大多数UE制造商视为高度机密的信息。因此，当您获得UE（尤其是商业化的UE）时，几乎不可能获得D（维度）的精确估计。

现在我们面临着一个非常棘手的局面。当我们没有获得有关天线尺寸的详细信息时，我们如何保证准确的测量？

这就是我将在下一节讨论的内容。

7 处理已知D情况和未知D情况（Whitebox与Blackbox方法）

在讨论具体案例之前，让我们先想想几个基本词的含义 - Whitebox 和Blackbox。白盒指的是我们可以直接看到盒子的盒子，清楚地知道盒子里面是什么。这意味着ux知道关于盒子的所有信息。黑盒子是指我们无法直接看到盒子内部的盒子。我们能够找出盒子内容的唯一方法是通过间接观察，如摇动盒子，听声音或举起并估计重量等。当然，这不是OTA中Whitebox和Blackbox的正式定义。，但基本思想适用于R4-1708553（参考文献[4]）中描述的形式定义。

对于“ 黑匣子 ”方法，不需要知道确切的天线位置/辐射中心参考点（CORRP）。

UE定位有与现有SISO OTA测试用例类似的公共参考点
测试用例的执行具有相对较低的复杂度（不需要重新定位到CORRP）
需要为MU预算的DUT阶段添加“从QZ（安静区域）中心偏移DUT相位中心”的MU元素，这取决于QZ的大小和范围长度

对于“ 白盒子 ”方法，可能需要知道确切的天线位置/辐射中心参考点（CORRP），可能是通过制造商声明。

有源天线阵列的CORRP需要与静区的中心对齐，这可能会导致测试用例的复杂执行
不需要为DUT级添加用于“从QZ中心偏移DUT相位中心（安静区域）”的MU元素，但需要添加用于UE重新定位的MU元素

现在你可能会问'为什么我们在这里谈论whitebox / blackbox概念？' 并且'他们如何处理D（天线尺寸）？'。让我们想一想我们有关于D的详细信息以及我们没有关于D的确切信息的情况。

我们假设我们拥有关于D的所有详细信息。这意味着被测天线模块是一种白盒。在这种情况下，我们可以计算近/远边界的确切位置。然后我们可以得到相对准确的测量，DUT和测量天线（探头）之间的距离最小，并且仍然符合[图6]（A）中的远场标准。这意味着我们可以满足远场条件，最小的消声室尺寸。反过来，这意味着我们可以在消声室上以最小的成本获得准确的测量结果。

现在让我们考虑一下我们没有关于D的准确信息的情况。我们如何估计近/远边界的确切位置（即远场的起点）？答案是'没有办法去做'。那么我们如何才能保证天线在远场呢？最简单的方法是将接收天线放置在离DUT很远的位置，这样你可以假设它在远场，而不管天线的大小如图6（B）所示。当然应该是你假设的天线尺寸的一定限制。当你的手机尺寸为10厘米时，你不会认为天线尺寸是20厘米。

<图6：白盒和黑盒条件中可能的天线位置>

总结，

如果我们能够获得关于天线尺寸和DUT上精确天线位置的详细信息（例如，移动电话），那么使用Whitebox方法会更好，因为我们可以用更小的腔室以相对低的成本进行测量。在开发阶段，这可能是一个很好的选择，在这些阶段，这些信息往往是开放的。

如果有关天线尺寸和手机位置的详细信息，Blackbox方法将是更好的选择。由于大多数移动电话制造商非常不愿意在其商业化设备上打开天线的详细信息，因此黑盒方法可能是商业化设备的唯一选择。然而，如上所述，我们需要非常大的腔室来应用黑盒方法，这会导致成本和空间问题。为了缓解这个问题，提出了另一种概念，下一节将对此替代方案进行解释。

注意：关于采用Whitebox方法或Blackbox方法，Ref [3]规定如下：

对于一致性测试，3GPP已经决定只能使用黑盒方法。这是由于不希望声明天线结构的UE供应商不接受白盒测试的要求。

8 模拟一个不太大的黑匣子 - CATR

如上所述，由于UE制造商不喜欢公开详细的天线信息，因此只有黑盒方法可能被接受作为商业化设备的测试方法，但是黑盒方法往往需要巨大的腔室（即，发射器之间的距离很大）和接收天线）。为了减少腔室尺寸的问题，发出了另一种称为CATR（紧凑区域测试范围）的概念。总体概念在TR 37.842中描述，如下所示。

如上图所示，您将看到来自发射器天线的信号从专门设计的反射器反射（反射），然后到达接收器天线。这将产生将长的线性距离折叠到小空间中的效果，这导致减小腔室的尺寸。此外，通过以特定形式设计反射器，可以使来自DUT的所有平行光线到达馈电天线（测量天线）。并且，您也可以使来自馈电天线的光线作为平行光线到达DUT。实际上，基本原理类似于你在高中物理中学到的抛物面镜雷图。尝试googleing'抛物面镜子光线图'或'抛物面镜子光线追踪'等。

9 SS-MPAC（简化扇形多探头电波暗室）

SS MPAC的概念是使用围绕UE的多个探测器，如下所示，以模拟更真实的无线电信道条件。

<R4-1706669：图2.扇区中安装的探测器和UE>

SS MPAC的主要动机在R4-1706669中有详细描述如下：

1.实时系统性能评估，即通信时

2.能够模拟真实的无线电信道，意味着波的真实角度分布，无论是照射欧盟还是由它辐射

3.上行链路和下行链路性能，或多节点配置中的接收和响应

10 安静区域

根据参考文献[9]，静音区是任何腔室中的体积，其中DUT以几乎均匀的幅度和相位被照射。典型的静区规格是10度的相位变化，±0.5 dB的幅度纹波和1 dB的幅度锥度，这是向静音区边缘的滚降

Reference

[1]3GPP TSG-RAN WG5 Adhoc Meeting#1 - R5-180013 : Signalling NR Testcases - OTA chamber requirements

[2] Near and far field (Wikipedia)

[3] Keysight Technologies - OTA Test for Millimeter-Wave 5G NR Devices and Systems (White Paper)

[4] 3GPP TSG-RAN WG4 Meeting #84 - R4-1708553 : Far field definition and proposal for alternate RF baseline with deterministic antenna array positioning

[5] 3GPP TSG RAN WG4 Meeting NR#2 - R4-1706617 : Center of Radiation Reference Point – Reference Definition for OTA Measurements of Phased Array Beamforming Patterns

[6] 3GPP TR 37.842 V13.2.0 (2017-03) - Radio Frequency (RF) requirement background for Active Antenna System (AAS) Base Station (BS)(Release 13)

[7] 3GPP TSG-RAN WG4 Meeting NR AH#2 - R4-1706669 : SS MPAC for RRM/Demod

[8] TR 37.977 - Verification of radiated multi-antenna reception performance of User Equipment (UE)

[9] OTA Test for Millimeter-Wave 5G NR Devices and Systems (Keysight Whitepaper)