5G的空分復(fù)用為多個(gè)用戶提供數(shù)據(jù)，稱 將使用多天線技術(shù)，通過結(jié)合增強(qiáng)為大規(guī)模MIMO。一個(gè)結(jié)論是不能采用傳導(dǎo)方式評(píng)估輻射方向圖性能，因此必需通過OTA方式。本文在介紹使用OTA測(cè)試設(shè)備測(cè)量天線三維方向圖的技術(shù)要點(diǎn)之后，介紹OTA的具體測(cè)試方案。

5G在獲得更低運(yùn)營成本 (OPEX) 的同時(shí)確保更高的吞吐率、更多的容量和實(shí)現(xiàn)的靈活性。其它目標(biāo)包括超可靠低延遲通信 (uRLLC) 和大規(guī)模機(jī)器類通信 (mMTC)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN) 和大規(guī)模MIMO多天線場(chǎng)景很可能是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的技術(shù)選擇。

為了獲得更高的吞吐率必須有更寬的帶寬支撐，5G系統(tǒng)將使用厘米波和毫米波范圍的頻率。這種方案的一個(gè)缺點(diǎn)是自由空間路徑損耗將更大。提供更高天線增益的天線陣列可以補(bǔ)償自由空間路徑損耗。與900 MHz相比，為了在28 GHz頻率上保持相同的接收功率，意味著天線增益要增加30 dB。使用大量天線單元并控制能量方向，這被稱作波束賦形，可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

波束賦形技術(shù)通過分配給每個(gè)用戶設(shè)備 (UE) 的信號(hào)只瞄準(zhǔn)相應(yīng)的單個(gè)用戶設(shè)備，顯著降低了能量消耗。而沒有使用波束賦形的基站，未被UE接收的能量可能對(duì)相鄰的多個(gè)UE產(chǎn)生干擾，或者被直接丟棄。

諸如LTE或WLAN等的當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)采用MIMO，通過空分復(fù)用獲得較高容量。多用戶MIMO技術(shù)使用波束賦形，通過同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到不同的多個(gè)UE，擴(kuò)展了MIMO。術(shù)語大規(guī)模MIMO描述了根據(jù)硬件配置和信道條件，波束賦形和多天線空間復(fù)用以動(dòng)態(tài)方式的結(jié)合 (圖1)。

圖1：大規(guī)模MIMO：波束賦形和空分復(fù)用組合

一、大規(guī)模MIMO面臨的挑戰(zhàn)

雖然大規(guī)模MIMO具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些挑戰(zhàn)，包括：

1. 前傳接口連接的高吞吐量

2. 天線陣列校準(zhǔn)

3. 天線單元間的相互耦合

4. 不規(guī)則的天線陣列

5.  天線陣列的復(fù)雜性

大規(guī)模MIMO遭遇的挑戰(zhàn)還來自如何表征信號(hào)，測(cè)量天線陣列功率的要求不曾在傳統(tǒng)使用電纜傳導(dǎo)接口的場(chǎng)合出現(xiàn)過。有意義的表征只能使用OTA（Over-The-Air）測(cè)試實(shí)現(xiàn)。主要因?yàn)椋撼杀?、高頻率下進(jìn)行耦合帶來的高插損等原因使得電纜測(cè)試方法不可行；以及大規(guī)模MIMO系統(tǒng)將無線收發(fā)器集成到天線中，這導(dǎo)致失去射頻測(cè)試端口。具體的測(cè)試方法有以下幾種。

二、近場(chǎng)測(cè)量和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量方案

OTA測(cè)量系統(tǒng)可以根據(jù)取樣哪一部分輻射場(chǎng)來分類。近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)由Fraunhofer距離R=2× D2/λ定義，其中D是最大天線口徑或尺寸。在近場(chǎng)區(qū)，在小于R的距離處，場(chǎng)強(qiáng)由感應(yīng)分量和輻射分量組成；而在天線的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)僅有輻射分量場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)于到遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的數(shù)學(xué)變換，需要精確測(cè)量包圍被測(cè)設(shè)備三維表面上的相位和幅度，由此產(chǎn)生天線的2維和3維增益圖。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)測(cè)量僅需要用幅度計(jì)算天線的波束圖，如果需要也可以在OTA單點(diǎn)處測(cè)量。對(duì)于小型設(shè)備（取決于波長），例如用戶設(shè)備，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)條件所需的暗室尺寸由測(cè)量波長決定。對(duì)于較大的設(shè)備，例如基站或大規(guī)模MIMO，所需的暗室尺寸可能變得非常大。如果測(cè)量系統(tǒng)能夠精確地對(duì)整個(gè)封閉表面上的電磁場(chǎng)的相位和幅度進(jìn)行采樣，則暗室尺寸可以大大減小。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)開展測(cè)量，需要直接測(cè)量平面波幅度，并且這樣的暗室通常相當(dāng)大，暗室大小要綜合考慮被測(cè)設(shè)備尺寸和測(cè)量頻率。

圖2：OTA測(cè)試系統(tǒng)

羅德施瓦茨提供完整的OTA測(cè)試方案，如圖2所示。測(cè)試系統(tǒng)由微波暗室，放置待測(cè)物的轉(zhuǎn)臺(tái)，天線搖臂以及測(cè)試儀表(網(wǎng)分，信號(hào)源，頻譜儀等等)。根據(jù)測(cè)試的項(xiàng)目，選擇合適的測(cè)試儀表，基于高精度的3D測(cè)試定位裝置，在被測(cè)物周圍的球面做自動(dòng)化的采樣測(cè)試，并記錄所有的采樣數(shù)據(jù)。采樣完成后，測(cè)試軟件會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，得到5G天線陣列的3D方向圖等數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)，分析得到其他的測(cè)量指標(biāo)結(jié)果。

三、緊湊型測(cè)量方案

雖然遠(yuǎn)場(chǎng)通常是在離開被測(cè)設(shè)備適當(dāng)距離處測(cè)量，但是可以通過控制電磁場(chǎng)，使得近場(chǎng)暗室可以用于直接測(cè)量平面波幅度。有兩種技術(shù)：

• 緊湊型區(qū)域暗室，最經(jīng)常用于大型被測(cè)設(shè)備，如飛機(jī)和衛(wèi)星；

• 平面波轉(zhuǎn)換器 (PWC)：在被測(cè)設(shè)備處創(chuàng)建平面波，這可以通過天線陣列替代測(cè)量天線實(shí)現(xiàn)。類似于在光學(xué)系統(tǒng)中使用透鏡，天線陣列可以在被測(cè)設(shè)備區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)區(qū)位置生成平面遠(yuǎn)場(chǎng)。下圖為2018年RS新推出的面向sub-6GMassive MIMO基站的測(cè)試系統(tǒng)：RS PWC200。

圖3：平面波轉(zhuǎn)換器 (PWC) 測(cè)試系統(tǒng)

RS PWC200平面波轉(zhuǎn)換器由上百個(gè)寬帶Vivaldi天線陣列組成，能夠在原本輻射近場(chǎng)距離制定區(qū)域內(nèi)形成平面波，從而達(dá)到遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試的效果，因此大幅度的縮小遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試空間。PWC200可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)輻射功率和收發(fā)器測(cè)量 (EVM，ACLR，SEM等)，是測(cè)量5G Massive MIMO基站相控天線陣列的理想原則。

毫米波終端研發(fā)與一致性測(cè)量方案

羅德與施瓦茨公司2018年推出的新型RS ATS1000測(cè)試暗室 (圖4) 能夠幫助開發(fā)人員和產(chǎn)線工程師對(duì)天線模塊，收發(fā)器，芯片組和無線設(shè)備進(jìn)行5G空中 (OTA) 測(cè)量。 天線和收發(fā)器的測(cè)量可以在18 GHz到87 GHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行。 因此該系統(tǒng)支持目前5G所關(guān)注的所有毫米波頻段。 另外，緊湊的測(cè)試室設(shè)計(jì)仍然可以實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)場(chǎng)情況下測(cè)量移動(dòng)設(shè)備。

圖4： RS ATS1000測(cè)試暗室

• 用于天線陣列的快速OTA測(cè)試

RS ATS1000主要由一個(gè)RF屏蔽室，以及覆蓋整個(gè)頻率范圍的寬帶測(cè)量天線構(gòu)成。屏蔽室體積為機(jī)架尺寸，并且裝有腳輪，有利于待測(cè)物件與傳感器的合理裝配。 使用相關(guān)的測(cè)試和測(cè)量設(shè)備以及RS AMS32天線測(cè)量軟件，可以在幾分鐘內(nèi)完成5G天線陣列的輻射方向圖的精確測(cè)量。定位激光器有利于精確控制待測(cè)物件的擺放位置。 所有這些賦予了RS ATS1000天線測(cè)試系統(tǒng)快速，準(zhǔn)確，可重復(fù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，使其成為一套理想的測(cè)試環(huán)境。

• 3GPP 5G NR 射頻測(cè)量

通過結(jié)合RS ATS1000與RS TS8980 5G RF測(cè)試系統(tǒng)，用戶可以從OTA的測(cè)量中得到相關(guān)的RF參數(shù) (例如：功率，ACLR和EVM)。這點(diǎn)對(duì)5G測(cè)試來說非常關(guān)鍵，因?yàn)樵S多5G組件沒有任何射頻接口，無法在傳導(dǎo)模式下進(jìn)行測(cè)試。 另外，該系統(tǒng)能夠?qū)?G器件進(jìn)行全面的3D表征，驗(yàn)證測(cè)量和功能測(cè)試。 羅德與施瓦茨的一致性測(cè)試方案會(huì)結(jié)合業(yè)界成熟的RS CONTEST軟件將結(jié)果以3D圖形的形式呈現(xiàn)出來。

四、結(jié)論

天線陣列將在未來的無線通信中發(fā)揮重要作用。然而在它們的研發(fā)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中遇到的挑戰(zhàn)使得完整測(cè)試對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。射頻測(cè)試端口消失以及使用厘米波和毫米波頻率，使得OTA測(cè)試成為表征大規(guī)模MIMO陣列和內(nèi)部收發(fā)器性能的必要手段。這將會(huì)推動(dòng)OTA暗室和測(cè)量設(shè)備的大量需求，以便滿足測(cè)量天線輻射特性和收發(fā)器性能的嚴(yán)格要求。RS擁有傳導(dǎo)測(cè)試和OTA測(cè)試完整的解決方案，可以滿足5G陣列天線的測(cè)試需求。