什么是OTA 在5G / NR中為何選擇OTA？

1、什么是OTA (Over The Air)

OTA代表Over The Air。為了使用任何測(cè)試設(shè)備對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，您需要一種將設(shè)備連接到測(cè)試設(shè)備的方法。OTA是一種將設(shè)備連接到測(cè)試設(shè)備的方法。大致有兩種連接方法，如下所示。一個(gè)是Conductive，另一個(gè)是Radiative（或OTA）。簡(jiǎn)而言之，OTA是通過(guò)一對(duì)天線（發(fā)射天線和接收天線）的連接方法。

實(shí)際上OTA是一個(gè)非常復(fù)雜的話題。有許多不同的方面可以想到。在我學(xué)習(xí)和體驗(yàn)更多時(shí)，我會(huì)嘗試盡可能多地涵蓋不同的視角。

2、OTA設(shè)置的類型

當(dāng)我們說(shuō)輻射測(cè)試時(shí)，它通常指的是各種不同類型的配置，如下所示。這些只是您最常見(jiàn)到的一些典型示例，但這些并非全部。輻射測(cè)試設(shè)置有很多不同的變化。盡管術(shù)語(yǔ)OTA測(cè)試和輻射測(cè)試可以互換使用，但當(dāng)我們說(shuō)沒(méi)有任何具體細(xì)節(jié)的OTA測(cè)試時(shí)，我們通常會(huì)想到如下所示的（C）或（D）這樣的配置。如下圖所示，它是在一個(gè)內(nèi)襯有吸收器的腔室中進(jìn)行測(cè)試（這種腔室稱為消聲室。消音意味著'無(wú)回聲'。'無(wú)回聲'在這種情況下意味著'沒(méi)有來(lái)自盒子中任何物體的反射）。

3、為何選擇OTA？

即使在傳統(tǒng)技術(shù)（例如，UMTS，LTE）中，有時(shí)我們也進(jìn)行OTA測(cè)量，尤其是用于TRP或TIS測(cè)量。然而，在5G / NR中，我們幾乎每次測(cè)試都在談?wù)揙TA，即使是協(xié)議測(cè)試也是如此。為什么OTA在5G / NR中成為如此大的問(wèn)題？在NR中，大約有兩個(gè)在3GPP規(guī)范中指定的分離頻譜。一個(gè)是FR1（sub 6 Ghz），另一個(gè)是FR2（mmWave）。在FR1中，我們可以繼續(xù)進(jìn)行導(dǎo)電測(cè)試，就像使用2G / 3G / 4G技術(shù)一樣。但是，在FR2中，很可能我們被迫與OTA合作。為什么？

我們可以想到幾個(gè)原因以及一些不同的方面。

• 復(fù)雜性：在FR2中，幾乎可以肯定我們將使用某種類型的陣列天線（稱為Massive MIMO）。這意味著您將在設(shè)備上安裝大量天線。如果你想進(jìn)行導(dǎo)電測(cè)試，連接將如下所示（B），而如果你選擇OTA，則可以像（A）中那樣進(jìn)行測(cè)試。然后，很明顯我們?yōu)槭裁匆x擇（A）。注意：如果您想問(wèn)我們?yōu)槭裁葱枰褂锰炀€陣列，那么Massive MIMO頁(yè)面的動(dòng)機(jī)將為您提供一些見(jiàn)解。
• 沒(méi)有足夠的空間：讓我們假設(shè)你有足夠的理由去OTA，盡管有線連接的復(fù)雜性，你仍然會(huì)面臨另一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。即使您的天線陣列中有許多天線元件（例如，16,32,64等），天線模塊的整體尺寸在mmWave頻率下也不夠大，無(wú)法容納所有電纜連接器。
• 成本：現(xiàn)在讓我們假設(shè)你有非常非常認(rèn)真的理由去做導(dǎo)電（比如B），盡管有復(fù)雜性和空間問(wèn)題。即使在這種情況下，導(dǎo)電測(cè)試也存在其他問(wèn)題。在大多數(shù)常規(guī)測(cè)試中，您可能使用過(guò)低成本的SMA連接器和電纜。但是，使用mmWave中的SMA類型的連接器/電纜無(wú)法獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。您需要K連接器或更特殊的連接器和電纜（例如，V連接器）如果頻率變得更高。這些類型的特殊連接器和電纜的成本遠(yuǎn)高于那些SMA類型。如果我們將來(lái)需要使用非常高的頻率（例如超過(guò)60 Ghz），您可能需要花費(fèi)幾乎與連接器和電纜一樣多的錢，而不是低成本的設(shè)備價(jià)格。
• 測(cè)量的物理性質(zhì)：即使您克服了上述所有問(wèn)題，由于測(cè)量本身的性質(zhì)，某些類型的測(cè)量需要OTA。例如，如果要檢測(cè)天線陣列形成的波束方向，則必須依賴OTA測(cè)量。你可以說(shuō)你仍然可以通過(guò)導(dǎo)電測(cè)試來(lái)做到這一點(diǎn)。從理論上講，您可以將來(lái)自每個(gè)天線單元路徑的所有信號(hào)下行到基帶，并通過(guò)基帶處理計(jì)算出波束方向（以及波束的其他性質(zhì)）。當(dāng)然，理論上這是可能的。但是，如果有像OTA測(cè)試這樣的相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，我100％確定你想避免這樣做。

4、測(cè)試設(shè)置中的UE放置（UE和測(cè)試設(shè)備之間的天線距離）

為了獲得可重復(fù)，可靠和穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果，將AUT（天線測(cè)試中）和測(cè)量天線放置在適當(dāng)?shù)奈恢梅浅Ｖ匾?。在本?jié)中，我將解釋如何確定適當(dāng)?shù)奶炀€位置和理論背景，說(shuō)明為什么應(yīng)該使用特定的位置。

傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)消聲室的最小遠(yuǎn)場(chǎng)距離R由下面的公式a確定（基于R5-180013）。

< 圖1：天線場(chǎng)區(qū)域>

不同天線尺寸和頻率的近/遠(yuǎn)場(chǎng)邊界如下表所示。該表基于R5-180013（參考文獻(xiàn)[1]） - 表2.2.1：傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)電波暗室的不同頻率和天線尺寸的近場(chǎng)/遠(yuǎn)場(chǎng)邊界

注意：從這是可選讀數(shù)。出于好奇，我已經(jīng)深入研究了這個(gè)等式。如果您不感興趣，可以跳過(guò)此部分。我試圖調(diào)查近/遠(yuǎn)邊界隨頻率變化的變化。

如下所示，輻射近場(chǎng)的跨度（無(wú)功近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)開(kāi)始之間的間隙）隨著頻率的增加而急劇增加，其中反應(yīng)近場(chǎng)距離相對(duì)緩慢地增加）。此外，比較以下兩個(gè)圖表，您會(huì)注意到隨著D增加，遠(yuǎn)場(chǎng)距離變得非常大。

現(xiàn)在你可能有一個(gè)有趣的問(wèn)題。根據(jù)上圖所示，DUT天線與設(shè)備天線之間的距離應(yīng)隨著頻率的增加而增加。也就是說(shuō)，隨著頻率的增加，電波暗室的大小會(huì)增加？對(duì)你來(lái)說(shuō)，這不是直覺(jué)嗎？我們的常識(shí)（我們的射頻直覺(jué)）說(shuō)頻率依賴對(duì)象的大小往往隨著頻率的增加而減小。

我們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)直覺(jué)和上面的情節(jié)來(lái)處理這種沖突？

解決方案在于D不是常數(shù)。在上圖所示的情況下，無(wú)論頻率如何，D都具有固定值。但是當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)天線時(shí)，我們通常用波長(zhǎng)決定D值（天線孔徑大?。?，如下所示。這里，k只是一個(gè)常數(shù)，如0.5,1,2等。

如果您繪制波長(zhǎng)（lamda）隨頻率增加而變化的情況，您將得到如下所示的圖。你會(huì)注意到波長(zhǎng)在很大程度上降低了。

如果重寫遠(yuǎn)場(chǎng)距離方程，則如下所示。在這個(gè)等式中，您會(huì)注意到遠(yuǎn)場(chǎng)距離隨著頻率的增加而減小。（注意：如果你想嘗試以實(shí)際值計(jì)算，則將f視為'以Hz為單位的頻率'，將c視為'以m為單位的光速'，k只是一個(gè)沒(méi)有任何單位的常數(shù)）。

5、為何在遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試？

可能到現(xiàn)在為止，你可能會(huì)有一個(gè)問(wèn)題'為什么我們需要在遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試？'。要直接回答這個(gè)問(wèn)題并不容易。所以讓我稍微改變一下這個(gè)問(wèn)題。為什么我們不在近場(chǎng)測(cè)試？

這個(gè)問(wèn)題的簡(jiǎn)單答案是，該區(qū)域的測(cè)量結(jié)果往往是不可預(yù)測(cè)的，并且隨著天線周圍環(huán)境的微小變化（例如，饋送天線的電路）和位置變化而變化。相反，遠(yuǎn)場(chǎng)中的場(chǎng)模式更穩(wěn)定且可預(yù)測(cè)，并且對(duì)周圍的小部件不太敏感。

對(duì)于那些對(duì)進(jìn)一步細(xì)節(jié)感興趣的人，讓我們?cè)倏纯疵總€(gè)地區(qū)的特征。您可以自己進(jìn)一步調(diào)查。嘗試用谷歌搜索“近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)”，“天線周圍的場(chǎng)區(qū)域”等關(guān)鍵詞。

Reactive Near Filed：這是非常接近天線的區(qū)域。該區(qū)域中E和H場(chǎng)之間的關(guān)系是非常不可預(yù)測(cè)的（這是不可預(yù)測(cè)的，不是因?yàn)檫@個(gè)屬性違背物理理論，而是因?yàn)槲锢硇再|(zhì)如此復(fù)雜）。例如，在某一點(diǎn)你會(huì)看到E場(chǎng)占主導(dǎo)地位，而在另一點(diǎn)上，除了前一點(diǎn)H場(chǎng)占優(yōu)勢(shì)之外。輻射能量也會(huì)像天線控制電路一樣來(lái)回影響周圍的電氣元件。例如，輻射能量的某些部分在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)被吸收并存儲(chǔ)在周圍的部件中，并且所存儲(chǔ)的能量在其他時(shí)間點(diǎn)被輻射回到空間中并影響輻射圖案。

輻射近場(chǎng)（菲涅耳區(qū)域）：在該區(qū)域中，與天線的距離不太接近如上所述的反電子部件的影響，并且與反應(yīng)近場(chǎng)相比，E和H場(chǎng)關(guān)系更加可預(yù)測(cè)。然而，E和H場(chǎng)關(guān)系仍然相當(dāng)復(fù)雜，并且存在可能影響該區(qū)域中的輻射圖案的一些物理對(duì)象的高可能性。例如，一些金屬物體如鋼梁支撐天線模塊可以作為一種天線或反射器。因此，這種物體會(huì)影響AUT（天線測(cè)試）的輻射模式。

FAR場(chǎng)（Fraunhofer區(qū)域）：在該區(qū)域中，角場(chǎng)分布基本上與距天線的距離無(wú)關(guān)，并且輻射圖可以用球面波陣面近似。由于該區(qū)域中的任何接收點(diǎn)都離天線很遠(yuǎn)，因此發(fā)射機(jī)的尺寸和形狀不再重要，它可以近似為點(diǎn)源。電場(chǎng)和磁場(chǎng)同相，彼此垂直并且也垂直于傳播方向。在這個(gè)區(qū)域，您可以放心地假設(shè)通過(guò)接收天線的波前是規(guī)劃器（即，所有入射光線彼此平行）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)可以輕松可靠地完成大部分測(cè)量的理念區(qū)域。

6、為什么天線尺寸如此重要？

如上所述，為了獲得穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果，重要的是使DUT天線和設(shè)備天線之間的距離大于遠(yuǎn)場(chǎng)邊界。如[圖1]所示，遠(yuǎn)場(chǎng)邊界從以下距離開(kāi)始。

從這個(gè)表達(dá)式中可以看出，距離與D平方成正比（D代表天線尺寸）。也就是說(shuō)，即使D中的微小變化，距離也會(huì)發(fā)生巨大變化。為了讓您更直觀地理解，我將此等式繪制在左圖所示的圖形中。邊界處的路徑損耗也隨著D的增加而增加，如右圖所示。

的遠(yuǎn)場(chǎng)距離和路徑損耗

如果您想獲得準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù)，我會(huì)將表格如下所示。從該表中繪制了上面顯示的兩個(gè)圖。

這意味著您需要知道確切的天線尺寸才能獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。但是，正確定義天線尺寸并不總是容易的。天線尺寸D定義為整個(gè)天線模塊的最大距離。[圖6]中的紅色箭頭表示D.如您所見(jiàn)，在（A），（B），（C）和（E）的情況下定義D將是直截了當(dāng)?shù)摹５?，在（D）的情況下，定義尺寸并不容易。在（D）中，物理尺寸與（A）相同，但是您會(huì)看到天線模塊周圍的一些導(dǎo)電材料會(huì)影響天線模塊的輻射方向圖。這可能影響天線的有效尺寸，并且很難準(zhǔn)確地估計(jì)有效尺寸。此外，如（F），（G）和（H）所示，UE制造商將在UE內(nèi)部的若干不同位置分配天線模塊。當(dāng)然，UE內(nèi)的天線模塊的形狀和位置將比這里示出的更加多樣和復(fù)雜。

定義D變得困難還有另一個(gè)原因。UE案件會(huì)變得更加困難。為了正確定義D，您需要獲得UE中天線結(jié)構(gòu)和位置的所有詳細(xì)信息。但在許多情況下，這些信息被大多數(shù)UE制造商視為高度機(jī)密的信息。因此，當(dāng)您獲得UE（尤其是商業(yè)化的UE）時(shí)，幾乎不可能獲得D（維度）的精確估計(jì)。

現(xiàn)在我們面臨著一個(gè)非常棘手的局面。當(dāng)我們沒(méi)有獲得有關(guān)天線尺寸的詳細(xì)信息時(shí)，我們?nèi)绾伪ＷC準(zhǔn)確的測(cè)量？

這就是我將在下一節(jié)討論的內(nèi)容。

7、處理已知D情況和未知D情況（Whitebox與Blackbox方法）

在討論具體案例之前，讓我們先想想幾個(gè)基本詞的含義 - Whitebox 和Blackbox。白盒指的是我們可以直接看到盒子的盒子，清楚地知道盒子里面是什么。這意味著ux知道關(guān)于盒子的所有信息。黑盒子是指我們無(wú)法直接看到盒子內(nèi)部的盒子。我們能夠找出盒子內(nèi)容的唯一方法是通過(guò)間接觀察，如搖動(dòng)盒子，聽(tīng)聲音或舉起并估計(jì)重量等。當(dāng)然，這不是OTA中Whitebox和Blackbox的正式定義。，但基本思想適用于R4-1708553（參考文獻(xiàn)[4]）中描述的形式定義。

對(duì)于“黑匣子”方法，不需要知道確切的天線位置/輻射中心參考點(diǎn)（CORRP）。

• • UE定位有與現(xiàn)有SISO OTA測(cè)試用例類似的公共參考點(diǎn)

  • 測(cè)試用例的執(zhí)行具有相對(duì)較低的復(fù)雜度（不需要重新定位到CORRP）

  • 需要為MU預(yù)算的DUT階段添加“從QZ（安靜區(qū)域）中心偏移DUT相位中心”的MU元素，這取決于QZ的大小和范圍長(zhǎng)度

對(duì)于“白盒子”方法，可能需要知道確切的天線位置/輻射中心參考點(diǎn)（CORRP），可能是通過(guò)制造商聲明。

• • 有源天線陣列的CORRP需要與靜區(qū)的中心對(duì)齊，這可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)試用例的復(fù)雜執(zhí)行

  • 不需要為DUT級(jí)添加用于“從QZ中心偏移DUT相位中心（安靜區(qū)域）”的MU元素，但需要添加用于UE重新定位的MU元素

現(xiàn)在你可能會(huì)問(wèn)'為什么我們?cè)谶@里談?wù)搘hitebox / blackbox概念？' 并且'他們?nèi)绾翁幚鞤（天線尺寸）？'。讓我們想一想我們有關(guān)于D的詳細(xì)信息以及我們沒(méi)有關(guān)于D的確切信息的情況。

我們假設(shè)我們擁有關(guān)于D的所有詳細(xì)信息。這意味著被測(cè)天線模塊是一種白盒。在這種情況下，我們可以計(jì)算近/遠(yuǎn)邊界的確切位置。然后我們可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量，DUT和測(cè)量天線（探頭）之間的距離最小，并且仍然符合[圖6]（A）中的遠(yuǎn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)。這意味著我們可以滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件，最小的消聲室尺寸。反過(guò)來(lái)，這意味著我們可以在消聲室上以最小的成本獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

現(xiàn)在讓我們考慮一下我們沒(méi)有關(guān)于D的準(zhǔn)確信息的情況。我們?nèi)绾喂烙?jì)近/遠(yuǎn)邊界的確切位置（即遠(yuǎn)場(chǎng)的起點(diǎn)）？答案是'沒(méi)有辦法去做'。那么我們?nèi)绾尾拍鼙ＷC天線在遠(yuǎn)場(chǎng)呢？最簡(jiǎn)單的方法是將接收天線放置在離DUT很遠(yuǎn)的位置，這樣你可以假設(shè)它在遠(yuǎn)場(chǎng)，而不管天線的大小如圖6（B）所示。當(dāng)然應(yīng)該是你假設(shè)的天線尺寸的一定限制。當(dāng)你的手機(jī)尺寸為10厘米時(shí)，你不會(huì)認(rèn)為天線尺寸是20厘米。

<圖6：白盒和黑盒條件中可能的天線位置>

總結(jié)，

如果我們能夠獲得關(guān)于天線尺寸和DUT上精確天線位置的詳細(xì)信息（例如，移動(dòng)電話），那么使用Whitebox方法會(huì)更好，因?yàn)槲覀兛梢杂酶〉那皇乙韵鄬?duì)低的成本進(jìn)行測(cè)量。在開(kāi)發(fā)階段，這可能是一個(gè)很好的選擇，在這些階段，這些信息往往是開(kāi)放的。

如果有關(guān)天線尺寸和手機(jī)位置的詳細(xì)信息，Blackbox方法將是更好的選擇。由于大多數(shù)移動(dòng)電話制造商非常不愿意在其商業(yè)化設(shè)備上打開(kāi)天線的詳細(xì)信息，因此黑盒方法可能是商業(yè)化設(shè)備的唯一選擇。然而，如上所述，我們需要非常大的腔室來(lái)應(yīng)用黑盒方法，這會(huì)導(dǎo)致成本和空間問(wèn)題。為了緩解這個(gè)問(wèn)題，提出了另一種概念，下一節(jié)將對(duì)此替代方案進(jìn)行解釋。

注意：關(guān)于采用Whitebox方法或Blackbox方法，Ref [3]規(guī)定如下：

對(duì)于一致性測(cè)試，3GPP已經(jīng)決定只能使用黑盒方法。這是由于不希望聲明天線結(jié)構(gòu)的UE供應(yīng)商不接受白盒測(cè)試的要求。

8、模擬一個(gè)不太大的黑匣子- CATR

如上所述，由于UE制造商不喜歡公開(kāi)詳細(xì)的天線信息，因此只有黑盒方法可能被接受作為商業(yè)化設(shè)備的測(cè)試方法，但是黑盒方法往往需要巨大的腔室（即，發(fā)射器之間的距離很大）和接收天線）。為了減少腔室尺寸的問(wèn)題，發(fā)出了另一種稱為CATR（緊湊區(qū)域測(cè)試范圍）的概念。總體概念在TR 37.842中描述，如下所示。

如上圖所示，您將看到來(lái)自發(fā)射器天線的信號(hào)從專門設(shè)計(jì)的反射器反射（反射），然后到達(dá)接收器天線。這將產(chǎn)生將長(zhǎng)的線性距離折疊到小空間中的效果，這導(dǎo)致減小腔室的尺寸。此外，通過(guò)以特定形式設(shè)計(jì)反射器，可以使來(lái)自DUT的所有平行光線到達(dá)饋電天線（測(cè)量天線）。并且，您也可以使來(lái)自饋電天線的光線作為平行光線到達(dá)DUT。實(shí)際上，基本原理類似于你在高中物理中學(xué)到的拋物面鏡雷圖。嘗試googleing'拋物面鏡子光線圖'或'拋物面鏡子光線追蹤'等。

9、SS-MPAC（簡(jiǎn)化扇形多探頭電波暗室）

SS MPAC的概念是使用圍繞UE的多個(gè)探測(cè)器，如下所示，以模擬更真實(shí)的無(wú)線電信道條件。

SS MPAC的主要?jiǎng)訖C(jī)在R4-1706669中有詳細(xì)描述如下：

1.實(shí)時(shí)系統(tǒng)性能評(píng)估，即時(shí)通信

2.能夠模擬真實(shí)的無(wú)線電信道，意味著波的真實(shí)角度分布，無(wú)論是輻照EU或被其輻射

3.上行鏈路和下行鏈路性能，或多節(jié)點(diǎn)配置中的接收和響應(yīng)

10、安靜區(qū)域

根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]，靜音區(qū)是任何腔室中的體積，其中DUT以幾乎均勻的幅度和相位被照射。典型的靜區(qū)規(guī)格是10度的相位變化，±0.5 dB的幅度紋波和1 dB的幅度錐度，這是向靜音區(qū)邊緣的滾降。

Reference

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