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。為了使用任何測試設備對設備進行測試，您需要一種將設備連接到測試設備的方法。OTA是一種將設備連接到測試設備的方法。大致有兩種連接方法，如下所示。一個是Conductive，另一個是Radiative（或OTA）。簡而言之，OTA是通過一對天線（發(fā)射天線和接收天線）的連接方法。

實際上OTA是一個非常復雜的話題。有許多不同的方面可以想到。在我學習和體驗更多時，我會嘗試盡可能多地涵蓋不同的視角。

2、OTA設置的類型

當我們說輻射測試時，它通常指的是各種不同類型的配置，如下所示。這些只是您最常見到的一些典型示例，但這些并非全部。輻射測試設置有很多不同的變化。盡管術語OTA測試和輻射測試可以互換使用，但當我們說沒有任何具體細節(jié)的OTA測試時，我們通常會想到如下所示的（C）或（D）這樣的配置。如下圖所示，它是在一個內(nèi)襯有吸收器的腔室中進行測試（這種腔室稱為消聲室。消音意味著'無回聲'。'無回聲'在這種情況下意味著'沒有來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（例如，UMTS，LTE）中，有時我們也進行OTA測量，尤其是用于TRP或TIS測量。然而，在5G / NR中，我們幾乎每次測試都在談論OTA，即使是協(xié)議測試也是如此。為什么OTA在5G / NR中成為如此大的問題？在NR中，大約有兩個在3GPP規(guī)范中指定的分離頻譜。一個是FR1（sub 6 Ghz），另一個是FR2（mmWave）。在FR1中，我們可以繼續(xù)進行導電測試，就像使用2G / 3G / 4G技術一樣。但是，在FR2中，很可能我們被迫與OTA合作。為什么？

我們可以想到幾個原因以及一些不同的方面。

• 復雜性：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）。這意味著您將在設備上安裝大量天線。如果你想進行導電測試，連接將如下所示（B），而如果你選擇OTA，則可以像（A）中那樣進行測試。然后，很明顯我們?yōu)槭裁匆x擇（A）。注意：如果您想問我們?yōu)槭裁葱枰褂锰炀€陣列，那么Massive MIMO頁面的動機將為您提供一些見解。
• 沒有足夠的空間：讓我們假設你有足夠的理由去OTA，盡管有線連接的復雜性，你仍然會面臨另一個嚴重的問題。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，無法容納所有電纜連接器。
• 成本：現(xiàn)在讓我們假設你有非常非常認真的理由去做導電（比如B），盡管有復雜性和空間問題。即使在這種情況下，導電測試也存在其他問題。在大多數(shù)常規(guī)測試中，您可能使用過低成本的SMA連接器和電纜。但是，使用mmWave中的SMA類型的連接器/電纜無法獲得準確的測量結(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高于那些SMA類型。如果我們將來需要使用非常高的頻率（例如超過60 Ghz），您可能需要花費幾乎與連接器和電纜一樣多的錢，而不是低成本的設備價格。
• 測量的物理性質(zhì)：即使您克服了上述所有問題，由于測量本身的性質(zhì)，某些類型的測量需要OTA。例如，如果要檢測天線陣列形成的波束方向，則必須依賴OTA測量。你可以說你仍然可以通過導電測試來做到這一點。從理論上講，您可以將來自每個天線單元路徑的所有信號下行到基帶，并通過基帶處理計算出波束方向（以及波束的其他性質(zhì)）。當然，理論上這是可能的。但是，如果有像OTA測試這樣的相對簡單的方法，我100％確定你想避免這樣做。

4、測試設置中的UE放置（UE和測試設備之間的天線距離）

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

傳統(tǒng)遠場消聲室的最小遠場距離R由下面的公式a確定（基于R5-180013）。

< 圖1：天線場區(qū)域>

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

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

如下所示，輻射近場的跨度（無功近場和遠場開始之間的間隙）隨著頻率的增加而急劇增加，其中反應近場距離相對緩慢地增加）。此外，比較以下兩個圖表，您會注意到隨著D增加，遠場距離變得非常大。

現(xiàn)在你可能有一個有趣的問題。根據(jù)上圖所示，DUT天線與設備天線之間的距離應隨著頻率的增加而增加。也就是說，隨著頻率的增加，電波暗室的大小會增加？對你來說，這不是直覺嗎？我們的常識（我們的射頻直覺）說頻率依賴對象的大小往往隨著頻率的增加而減小。

我們?nèi)绾瓮ㄟ^直覺和上面的情節(jié)來處理這種沖突？

解決方案在于D不是常數(shù)。在上圖所示的情況下，無論頻率如何，D都具有固定值。但是當我們設計天線時，我們通常用波長決定D值（天線孔徑大?。?，如下所示。這里，k只是一個常數(shù)，如0.5,1,2等。

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

如果重寫遠場距離方程，則如下所示。在這個等式中，您會注意到遠場距離隨著頻率的增加而減小。（注意：如果你想嘗試以實際值計算，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只是一個沒有任何單位的常數(shù)）。

5、為何在遠場進行測試？

可能到現(xiàn)在為止，你可能會有一個問題'為什么我們需要在遠場進行測試？'。要直接回答這個問題并不容易。所以讓我稍微改變一下這個問題。為什么我們不在近場測試？

這個問題的簡單答案是，該區(qū)域的測量結(jié)果往往是不可預測的，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，遠場中的場模式更穩(wěn)定且可預測，并且對周圍的小部件不太敏感。

對于那些對進一步細節(jié)感興趣的人，讓我們再看看每個地區(qū)的特征。您可以自己進一步調(diào)查。嘗試用谷歌搜索“近場和遠場”，“天線周圍的場區(qū)域”等關鍵詞。

Reactive Near Filed：這是非常接近天線的區(qū)域。該區(qū)域中E和H場之間的關系是非常不可預測的（這是不可預測的，不是因為這個屬性違背物理理論，而是因為物理性質(zhì)如此復雜）。例如，在某一點你會看到E場占主導地位，而在另一點上，除了前一點H場占優(yōu)勢之外。輻射能量也會像天線控制電路一樣來回影響周圍的電氣元件。例如，輻射能量的某些部分在某個時間點被吸收并存儲在周圍的部件中，并且所存儲的能量在其他時間點被輻射回到空間中并影響輻射圖案。

輻射近場（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，并且與反應近場相比，E和H場關系更加可預測。然而，E和H場關系仍然相當復雜，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，這種物體會影響AUT（天線測試）的輻射模式。

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

6、為什么天線尺寸如此重要？

如上所述，為了獲得穩(wěn)定的測量結(jié)果，重要的是使DUT天線和設備天線之間的距離大于遠場邊界。如[圖1]所示，遠場邊界從以下距離開始。

從這個表達式中可以看出，距離與D平方成正比（D代表天線尺寸）。也就是說，即使D中的微小變化，距離也會發(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。

的遠場距離和路徑損耗

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

這意味著您需要知道確切的天線尺寸才能獲得準確的測量結(jié)果。但是，正確定義天線尺寸并不總是容易的。天線尺寸D定義為整個天線模塊的最大距離。[圖6]中的紅色箭頭表示D.如您所見，在（A），（B），（C）和（E）的情況下定義D將是直截了當?shù)?。但是，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，但是您會看到天線模塊周圍的一些導電材料會影響天線模塊的輻射方向圖。這可能影響天線的有效尺寸，并且很難準確地估計有效尺寸。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雜。

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

現(xiàn)在我們面臨著一個非常棘手的局面。當我們沒有獲得有關天線尺寸的詳細信息時，我們?nèi)绾伪ＷC準確的測量？

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知道關于盒子的所有信息。黑盒子是指我們無法直接看到盒子內(nèi)部的盒子。我們能夠找出盒子內(nèi)容的唯一方法是通過間接觀察，如搖動盒子，聽聲音或舉起并估計重量等。當然，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[4]）中描述的形式定義。

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

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

  • 測試用例的執(zhí)行具有相對較低的復雜度（不需要重新定位到CORRP）

  • 需要為MU預算的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的大小和范圍長度

對于“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（CORRP），可能是通過制造商聲明。

• • 有源天線陣列的CORRP需要與靜區(qū)的中心對齊，這可能會導致測試用例的復雜執(zhí)行

  • 不需要為DUT級添加用于“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)在你可能會問'為什么我們在這里談論whitebox / 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于D的詳細信息以及我們沒有關于D的確切信息的情況。

我們假設我們擁有關于D的所有詳細信息。這意味著被測天線模塊是一種白盒。在這種情況下，我們可以計算近/遠邊界的確切位置。然后我們可以得到相對準確的測量，DUT和測量天線（探頭）之間的距離最小，并且仍然符合[圖6]（A）中的遠場標準。這意味著我們可以滿足遠場條件，最小的消聲室尺寸。反過來，這意味著我們可以在消聲室上以最小的成本獲得準確的測量結(jié)果。

現(xiàn)在讓我們考慮一下我們沒有關于D的準確信息的情況。我們?nèi)绾喂烙嫿?遠邊界的確切位置（即遠場的起點）？答案是'沒有辦法去做'。那么我們?nèi)绾尾拍鼙ＷC天線在遠場呢？最簡單的方法是將接收天線放置在離DUT很遠的位置，這樣你可以假設它在遠場，而不管天線的大小如圖6（B）所示。當然應該是你假設的天線尺寸的一定限制。當你的手機尺寸為10厘米時，你不會認為天線尺寸是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于天線尺寸和DUT上精確天線位置的詳細信息（例如，移動電話），那么使用Whitebox方法會更好，因為我們可以用更小的腔室以相對低的成本進行測量。在開發(fā)階段，這可能是一個很好的選擇，在這些階段，這些信息往往是開放的。

如果有關天線尺寸和手機位置的詳細信息，Blackbox方法將是更好的選擇。由于大多數(shù)移動電話制造商非常不愿意在其商業(yè)化設備上打開天線的詳細信息，因此黑盒方法可能是商業(yè)化設備的唯一選擇。然而，如上所述，我們需要非常大的腔室來應用黑盒方法，這會導致成本和空間問題。為了緩解這個問題，提出了另一種概念，下一節(jié)將對此替代方案進行解釋。

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

對于一致性測試，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)構的UE供應商不接受白盒測試的要求。

8、模擬一個不太大的黑匣子- CATR

如上所述，由于UE制造商不喜歡公開詳細的天線信息，因此只有黑盒方法可能被接受作為商業(yè)化設備的測試方法，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題，發(fā)出了另一種稱為CATR（緊湊區(qū)域測試范圍）的概念。總體概念在TR 37.842中描述，如下所示。

如上圖所示，您將看到來自發(fā)射器天線的信號從專門設計的反射器反射（反射），然后到達接收器天線。這將產(chǎn)生將長的線性距離折疊到小空間中的效果，這導致減小腔室的尺寸。此外，通過以特定形式設計反射器，可以使來自DUT的所有平行光線到達饋電天線（測量天線）。并且，您也可以使來自饋電天線的光線作為平行光線到達DUT。實際上，基本原理類似于你在高中物理中學到的拋物面鏡雷圖。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（簡化扇形多探頭電波暗室）

SS MPAC的概念是使用圍繞UE的多個探測器，如下所示，以模擬更真實的無線電信道條件。

SS MPAC的主要動機在R4-1706669中有詳細描述如下：

1.實時系統(tǒng)性能評估，即時通信

2.能夠模擬真實的無線電信道，意味著波的真實角度分布，無論是輻照EU或被其輻射

3.上行鏈路和下行鏈路性能，或多節(jié)點配置中的接收和響應

10、安靜區(qū)域

根據(jù)參考文獻[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)