对毫米波 5G NR 设备和系统进行 OTA测试
白皮书
如何对毫米波 5G NR 系统进行 OTA 测试 白皮书
- 介绍：5G 中的毫米波 - 03
- 5G 毫米波网络面临的技术挑战 - 04
- 毫米波上的信道探测和建模 - 04
- 路径损耗建模 - 04
- 相控阵技术、波束赋形和波束控制 - 05
- 器件校准 - 07
- 毫米波 5G OTA 测试的新含义 - 07
- 辐射场测量 - 08
- 直接远场测试方法 - 09
- 其他远场测试方法 － 紧缩天线测试场（CATR）- 11
- 直接远场与 CATR：比较与对比 - 12
- 近场测量系统 - 14
- 整个 5G NR 开发周期中的测量要求 - 15
- 在极端条件下进行测试 - 17
- 测量自适应特性 - 17
- NR 一致性测试 - 17
- 制造测试 - 17
- 结论 - 18
- 参考文献 - 19
介绍：5G 中的毫米波
为了满足网络社会的需求，下一代 5G 蜂窝网络承诺在网络容量、数据速率和时延等方面带来革命性的改进，显著提高网络的灵活性和效率。同时，网络运营商还期望降低现有的运营和基础设施成本 [1]、[2]。要实现这些具有挑战性的目标，需要从各个角度对蜂窝生态系统进行广泛和多方面的改变，从芯片和器件到基站和小信元，从前传和回程到网络管理和数据中心性能。为增强网络性能，通信行业将会开发和使用许多新技术，如网络功能虚拟化（NFV）、自适应波束赋形和波束跟踪技术、与 4G LTE 网络的紧密集成，以及全新设计的移动设备，但仅凭这些还不够。
完全实现 5G 愿景，需要更多频谱。尽管已经确定了更多 6 GHz 以下的频谱，并且在某些国家，这些频谱已经分配给蜂窝通信使用，但是在 24 GHz 以上的厘米波和毫米波频段，还有更大块的连续频谱可以使用。图 1[3] 显示了全球各地为 5G NR（新空口）分配的一些候选毫米波频段。为方便起见，本文将 6 GHz 以上的频段称作毫米波频段。
同时，通信行业也在考虑将 40 GHz 以上的频率用于宽带分配和回程等应用。尽管严格来说可能不算“5G”，但在这些领域的工作正在进行当中，而且遇到了很多与 28 GHz 和 39 GHz 附近频段相似的挑战，这些工作将推动目前 5G NR 的开发。
决策机构分配了如此多的新频谱数量，似乎为实现更高容量、更快数据速率和更低时延的通信提供了一条畅通无阻的大道。然而，增加任何额外的毫米波频谱，都会带来一定的后果和折衷。毫米波器件加入到网络中，将会使网络变得更加复杂，并且需要开发新的技术，同时也会产生新的辐射或空中（OTA）测试要求。本文重点论述这些 OTA 挑战和相关的测试方法。
5G 毫米波网络面临的技术挑战
毫米波上的信道探测和建模
了解真实环境中毫米波的传输属性，对于 5G NR 用户设备和基站（gNB）的核心设计至关重要。随着波长变小，衍射、散射、材料穿透损耗以及自由路径损耗等物理过程综合起来，让毫米波频段的信道特性与目前 6 GHz 以下频段显著不同。从 2G 到 4G，信道模型历经多年发展，其主要基础是信道测量（探测），最初建立的是非空间模型，然后逐步演进到三维空间模型 [4]。
3GPP 在 0.5 至 100 GHz 频率范围内 [5] 对 5G 信道模型进行了研究，包括多种场景，例如城市微场景、城市宏场景、室内场景、回程场景、设备到设备（D2D）场景、汽车到汽车（V2V）场景和体育场场景。毫米波信道中的空间集群数量和每个集群的多径分量，以及空间动态都对网络组件的设计有着深远影响。例如，如果信道模型定义了一个空间宽松的信道，那么天线波形控制要求就不那么重要，并且有很多本征模可以用于单用户 MIMO（SU-MIMO），但加入如此多的多径信号，会产生快速衰落，而且变得非常复杂。另一方面，一个比较稀疏的信道只包含很少的本征模，衰落较小，但需要更好的波束控制。正因为如此，实际的信道建模对器件设计和定义真实有用的测试用例都非常重要。[5] 发布后，企业、大学和政府机构开展了持续不断的毫米波信道建模活动，旨在更好地了解毫米波信道及其特性。
相控阵技术、波束赋形和波束控制
对于创建窄波束（波束赋形）并将其动态指向目标方向（波束控制）来说，相控阵天线[8] 是一种实用和低成本的方式。这样无需机械运动即可实现波束控制，这应当就是基站和用户设备所使用的毫米波天线的工作原理。相控阵天线是由一组较小的天线单元组成，比如单个贴片或偶极。通过改变施加到各个单元的信号的相对相位和幅度，天线阵列可以在选定方向上形成和控制一个波束。图 2 [9] 显示了相控阵的基本工作原理。发射机（Tx）中的信号分配给多个天线单元。控制移相器调节每个单元所发射的信号的分相，进而支持以可变角度 形成波束。
通信行业考虑采用三种波束赋形体系结构来构建 5G 网络：数字体系结构（在基带中实现）、模拟体系结构（在中频或射频中实现）和混合体系结构 [10]。每种体系结构都有其优缺点。因为成本和功率的原因，用户设备中的波束赋形预计会采用模拟体系结构，而基站中的波束赋形可以采用模拟、数字或混合体系结构。图 3 显示了波束从采用迫零预编码的 50 单元线性阵列传播的时域双工（TDD）仿真。向目标用户设备发射的是各个波束，而向其他用户设备和干扰源发射的是零值（null）。
无线电和天线集成，无需使用射频连接器
很多因素促成了 5G 毫米波器件集成度的提升。这些因素相互关联，并且受到高频率、大量天线单元、减少信号路径衰减需求，以及降低成本需求的共同驱动。集成度提高带来的一个重要后果就是，在无线分布式网络电路与天线系统之间的边界上再也不可能实现传统的射频连接器。将毫米波信号从无线网络传送到天线所采用的分布式网络必须特别紧凑，尤其是在手持式设备和其他用户设备中。因此，5G 毫米波器件的收发信机系统直接集成到天线阵列中，如图 4 所示。在此类器件中，不再有可供传导测试使用的连接器或探测点；相反，大多数测试现在必须通过 OTA 方式实现。
器件校准
在对相控阵器件（收发路径）的相位和增益状态进行 OTA 校准时，确定适当的校准方法是一项关键的研发活动，必要时将会以 OTA 方式执行。校准的作用是确保用户设备和基站发射的波束在要求的指向角范围内产生正确的波束宽度或增益；确保满足功率输出限制；以及波束赋形特性正常运行。此类特性包括高低分辨率扫描操作、扫描角度的精度，以及增益平稳度补偿。
选择哪种方法进行 OTA 校准，取决于设备体系结构和设备的控制接口。例如，如果可以单独控制每个天线单元，那么就可以测量和校正天线单元之间的相对相位。如果只能以块或行的形式控制天线单元，那么就需要更复杂的校准例程。采用 OTA 新方法测试毫米波 5G 的意义前面部分已经说明，在 5G NR 系统中应用毫米波频率会增加网络设备以及无线接入网自身运行的复杂性。从研发到一致性测试、生产、安装和维护，测试系统在 5G NR 的开发和验证过程中起着至关重要的作用。无线部分与天线的高度集成意味着，很多测试都将以OTA 方式进行，而众多不同的测试需求（功能、精度、体积和成本）需要相应的一系列灵活测试解决方案。下面的章节将介绍 5G 毫米波系统的 OTA 测试方法。
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