OTA在運(yùn)營商終端測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃笑磊，安 崗，高一維

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京102206；2.中國聯(lián)通研究院 北京100032）

1 引言

天線性能是終端整機(jī)質(zhì)量的重要標(biāo)志。自2010年開始，國內(nèi)外發(fā)生了多次“天線門事件”，使得消費(fèi)者對于終端天線性能的關(guān)注達(dá)到了前所未有的高度。對于移動終端的天線，單純的無源測試無法考察其在典型工作狀態(tài)下的輻射性能，而有源測試則側(cè)重從手機(jī)整機(jī)的發(fā)射功率和接收靈敏度方面考察手機(jī)的輻射性能，更能直接地反映手機(jī)整機(jī)的輻射性能。

本文所討論的OTA（over the air）測試屬于有源測試。目前，所有移動終端的新入網(wǎng)測試要求均需進(jìn)行完整的天線性能部分的測試，包括總輻射功率測試和總?cè)蜢`敏度測試。我國正處于3G建設(shè)的重要階段，終端天線性能的提升將大大降低運(yùn)營商的布網(wǎng)成本。對于運(yùn)營商而言，天線性能的提高將顯著減少終端的掉話率，提升網(wǎng)絡(luò)邊緣的數(shù)據(jù)下載速率，提升用戶的使用體驗，減少用戶投訴，因此將OTA測試納入運(yùn)營商的終端測試體系中是十分必要的。

2 OTA測試定義

OTA是由CTIA(美國無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會)制定的側(cè)重整機(jī)輻射性能方面的測試標(biāo)準(zhǔn)，是手機(jī)廠商和運(yùn)營商重視和認(rèn)可的測試項目。當(dāng)前在手機(jī)射頻性能測試中越來越關(guān)注整機(jī)輻射性能的測試，這種輻射性能反映了手機(jī)最終的發(fā)射和接收性能。

OTA測試是在特定微波暗室內(nèi)，測試整機(jī)在三維空間的輻射功率和接收靈敏度，現(xiàn)在也注重如衰落靈敏度、分集增益、吞吐量等參數(shù)。較之傳統(tǒng)的天線測試方法（無源測試），它可以用測試數(shù)據(jù)直觀地表示出天線在整機(jī)中最終的輻射發(fā)射功率和接收靈敏度。在手機(jī)通話時，由于人腦和人手都靠近手機(jī)天線，將降低手機(jī)的發(fā)射和接收性能，手機(jī)整機(jī)輻射的發(fā)射和接收性能都會降低。因此，應(yīng)利用整機(jī)測試來考察手機(jī)的輻射性能。

OTA測試中的主要測試參數(shù)有：發(fā)射總功率（total radiated power，TRP)、接收靈敏度（total isotropic sensitivity，TIS)、平均衰落靈敏度(average fading sensitivity，AFS)，分集增益和MIMO系統(tǒng)吞吐量也即將成為被測試的參數(shù)。

3 OTA在國內(nèi)外的情況

國內(nèi)外的運(yùn)營商都認(rèn)為在終端測試體系中引入OTA測試可以保證入網(wǎng)手機(jī)的質(zhì)量。歐美等國家和地區(qū)考慮到國家安全問題（如需要對手機(jī)進(jìn)行GPS定位），要求其國內(nèi)運(yùn)營商的定制終端必須進(jìn)行OTA測試。目前我國對OTA的測試標(biāo)準(zhǔn)制定工作還不夠完善，我國的運(yùn)營商應(yīng)考慮自身的發(fā)展因素，積極建設(shè)各自的OTA解決方案，保證入網(wǎng)手機(jī)的質(zhì)量。

3.1 國外運(yùn)營商OTA的測試情況

歐洲運(yùn)營商，如Vodafone、TIM、Orange、France Telecom等，對OTA測試有特殊的要求。除了參照3GPP指定的標(biāo)準(zhǔn)外，會定義自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋內(nèi)容全面、復(fù)雜，能夠很好地保證終端的性能。大部分北美運(yùn)營商的定制終端都要通過CTIA的認(rèn)證，其OTA測試主要采用的是原場靜音暗室系統(tǒng)。例如，對于一款WCDMA的定制終端，運(yùn)營商要求做OTA RF性能、OTA Wi-Fi、OTA A-GPS等測試。值得一提的是，日本的運(yùn)營商N(yùn)TT DoCoMo和Softbank采用了新興的混響暗室測試為其OTA解決方案，取得了較好的效果。

3.2 國內(nèi)運(yùn)營商OTA的測試情況

中國移動通信集團(tuán)公司（以下簡稱中國移動）對其定制終端建立了一套完整的OTA測試體系。TD-SCDMA的空間輻射性能測試標(biāo)準(zhǔn)為《2 GHz TD-SCDMA移動臺空間射頻輻射功率和接收機(jī)性能測量方法》（YD/T 1977-2009）。

在TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的OTA測試中，要求完整的射頻輻射功率測量應(yīng)該在自由空間和人頭模型兩種配置下（如果適用）進(jìn)行所有測試信道的測試[1]。2 GHz TD-SCDMA輻射功率測量限值和接收靈敏度測量限值見表1和表2[2]。

WCDMA網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商在其終端測試體系中進(jìn)行OTA測試，能更加全面地評測終端的整機(jī)性能。而且，OTA測試的結(jié)果可以在運(yùn)營商采購定制終端的過程中提供重要的參考標(biāo)準(zhǔn)與依據(jù)。目前，WCDMA運(yùn)營商越來越意識到OTA測試的重要性，正在積極探索OTA解決方案。

表1 2GHz TD-SCDMA輻射功率測量限值

表2 2GHz TD-SCDMA接收靈敏度測量限值

4 OTA測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

美國的CTIA是最早制定OTA測試標(biāo)準(zhǔn)的組織。同時，也有其他的組織參與了該領(lǐng)域的測試，這些測試組織主要有3GPP（the 3rd generation partnership project，第三代合作伙伴項目）、PTCRB（PCS type certification review board，PCS型號認(rèn)證委員會）、GCF（global certification forum，全球認(rèn)證論壇）和CCSA（China communications standards association，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會）。下面對這些標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)行詳細(xì)的分析。

4.1 CTIA標(biāo)準(zhǔn)

CTIA于2011年1月頒布了最新的OTA測試標(biāo)準(zhǔn)“Test Plan for Mobile Station over the Air Performance Revision 3.1”[3]，作為認(rèn)證實驗室測試OTA的新標(biāo)準(zhǔn)，于2011年11月15日強(qiáng)制實施。3.1版本規(guī)定人頭人手模型為基本的測試架構(gòu)，其測試模式共4種：自由空間、人頭模型、僅右手手持模式和靠近頭部的右手手持模式，以搭配手機(jī)不同的應(yīng)用模式。另外，OTA測試中，對不同頻率的最小測試距離和不確定度有嚴(yán)格的要求，見表3和表4。

表3 不同頻率的最小測試距離

表4 不確定度

4.2 3GPP標(biāo)準(zhǔn)

3GPP中有關(guān)OTA方面的標(biāo)準(zhǔn)主要由歐洲的運(yùn)營商發(fā)起組織。2011年9月頒布的3GPP TS 34.114中，詳細(xì)介紹了在GSM、FDD頻段、TDD頻段的OTA測試的相關(guān)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。3GPP的一些測試項和測試參數(shù)主要參照北美的CTIA標(biāo)準(zhǔn)，所以一些標(biāo)準(zhǔn)比較滯后。例如，CTIA在2011年3月就規(guī)定了人頭人手模型測試，而3GPP目前只有人頭模型測試，人手模型測試還在審核討論階段。值得一提的是，在2011年12月，混響暗室的OTA測試方案通過了3GPP的認(rèn)可，而CTIA目前還未將混響暗室系統(tǒng)納入其標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 PTCRB標(biāo)準(zhǔn)

PTCRB主要是為終端產(chǎn)品和模板提供型號認(rèn)證，其范圍涵蓋全球的運(yùn)營商。PTCRB包含OTA部分測試的頻段，如GSM 850 MHz、GSM 1 900 MHz、FDD BAND II、FDD BAND IV和FDD BAND V等，其標(biāo)準(zhǔn)制定主要參照CTIA頒布的OTA測試標(biāo)準(zhǔn)。在測試模式的要求中，對于能夠貼近耳朵的設(shè)備必須進(jìn)行人頭模型及自由空間兩種情況的測試。PTCRB中有關(guān)OTA的測試規(guī)范與測試項相比CTIA較滯后。

4.4 CCSA標(biāo)準(zhǔn)

與國外標(biāo)準(zhǔn)相比，我國的OTA入網(wǎng)檢測項目有限，其測試項和測試標(biāo)準(zhǔn)主要參考CTIA所制定的標(biāo)準(zhǔn)。中國國家通信計量站負(fù)責(zé)起草了《移動臺空中射頻功率和接收機(jī)性能測試方法》，根據(jù)我國的實際情況，提出了針對GSM 900 MHz、DCS 1 800 MHz及CDMA的射頻 輻射 功率及接收機(jī)性能詳細(xì)測試方法，并添加了限制要求。

5 OTA測試解決方案

目前，業(yè)界比較認(rèn)可的OTA測試解決方案有3種：原場靜音暗室、原場暗室加多探頭和混響暗室。原場靜音消聲暗室是主流的OTA測試解決方案，其測試結(jié)果也是業(yè)界公認(rèn)的。但由于該系統(tǒng)是SISO（單輸入單輸出）的，不能測試帶MIMO的終端。目前對這一問題比較一致的解決方案是原場暗室加多探頭和混響暗室系統(tǒng)。下面對這3個解決方案進(jìn)行詳細(xì)的分析。

5.1 方案一：原場靜音暗室

測量天線的傳統(tǒng)方法是在微波暗室（anechoic chamber）中進(jìn)行。暗室中要求沒有任何反射，無電磁干擾，待測天線直接接收從發(fā)射天線發(fā)出的輻射波，而不是現(xiàn)實環(huán)境中的多徑輻射波，否則將產(chǎn)生錯誤的測量結(jié)果并且導(dǎo)致測試沒有意義。原場暗室建設(shè)成本很高，測試時間也較長。原場靜音暗室的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在暗室內(nèi)，室壁需要鋪滿低電介質(zhì)常數(shù)支撐材料，如聚苯乙烯泡沫塑料，以吸收反射或折射的輻射波，降低對實驗的干擾，提高準(zhǔn)確度。暗室外的綜合測試儀、延遲交換單元等與暗室內(nèi)的測量天線（如喇叭或偶極子）相連接。在需要考慮信道干擾對測試的影響時，還需要添加信道模型仿真儀，以更好地接近現(xiàn)實場景。

測試時需要確保天線模式的對稱性，將待測天線固定在絕緣支撐物的中心，待測天線的軸與定位器旋轉(zhuǎn)軸中心需精確對齊。旋轉(zhuǎn)過程中，要確保待測天線不會有任何晃動。將信號源通過同軸電纜連接到發(fā)射天線上，并將頻率設(shè)置為測試的相應(yīng)信道，記錄下測量接收機(jī)設(shè)置信號源的輸出幅度。所有的電纜必須合理布置和連接，以使對測量結(jié)果的影響降到最小。

目前，國外運(yùn)營商和國內(nèi)的第三方實驗室采用的都是原場暗室方案。但隨著LTE網(wǎng)絡(luò)在一些國家的試運(yùn)行，MIMO制式的終端，亦即分集系統(tǒng)或多入多出終端也需要進(jìn)行OTA測試。這類設(shè)備有可能增加移動寬帶系統(tǒng)的頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸率，現(xiàn)有的僅一個發(fā)射天線的原場暗室顯然不能滿足該要求，新形式下需要有新的解決方案。

5.2 方案二：原場靜音暗室加多探頭

為滿足手機(jī)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的性能要求，無線標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)增加了MIMO技術(shù)?，F(xiàn)有的原場靜音暗室的OTA性能測試是SISO的，為了在暗室中模擬出多徑效果，有學(xué)者提出了在現(xiàn)有微波暗室內(nèi)加多探頭的OTA測試解決方案。下面以雙通道的MIMO OTA測試方案為例來說明其可行性。

雙通道法是驗證MIMO設(shè)備OTA性能的一個有效的解決方案?，F(xiàn)實環(huán)境中會有各種的入射角和極化的統(tǒng)計分布。要表征天線的相關(guān)性，只需選用兩個通道各自代表不同的方向角和極化方向。選取適當(dāng)?shù)臏y試參數(shù)便可完全地描述出接收天線的輻射特性。測試系統(tǒng)如圖2所示。

OTA暗室內(nèi)包 含4個角度 定位裝置：θ1、θ2、γ、φ角 定位器，兩個測試天線和一支通信天線。外部設(shè)備包括基站模擬器和一個開關(guān)矩陣。兩個獨(dú)立的俯仰角定位器被隱藏在吸波墻背后，它們用來控制θ1、θ2，轉(zhuǎn)臺可控制φ角。此外，轉(zhuǎn)臺上還可以有一個可選的控制器，用來控制待測天線的傾斜角γ，所有的這些角度控制器可用來實現(xiàn)MIMO測試時任意角度的組合。

兩支四脊喇叭天線用作測試天線，每支天線都能夠通過專門的天線連接器產(chǎn)生φ或θ線性極化的正交分量。所有天線的端口都是通過接入板與外部設(shè)備（如信號基站模擬器）相連。測試天線發(fā)射下行信號到待測天線。天線集成在轉(zhuǎn)臺定位器里。

原場暗室加多探頭的OTA測試方案解決了帶MIMO的終端的測試問題。而且它可以利用現(xiàn)有的原場暗室（對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行升級），避免了一定的重復(fù)建設(shè)。但是，系統(tǒng)中每個天線陣元都需配置相同的信道衰落模擬器，大大增加了設(shè)備成本和復(fù)雜度?？紤]到其實現(xiàn)的難度且與現(xiàn)有的OTA系統(tǒng)及暗室兼容性太差，該方案一般不為業(yè)內(nèi)接受。

5.3 方案三：混響暗室測試系統(tǒng)

混響暗室測試OTA解決方案于2011年12月通過了3GPP的認(rèn)可?；祉懯遥╮everberation chamber）是使用瑞利衰落理論來仿真無線產(chǎn)品于實際環(huán)境的情形?；祉懓凳业靡嬗谄涫覂?nèi)是多徑的環(huán)境，可直接測量分集增益、MIMO系統(tǒng)容量和吞吐量等參數(shù)，而且其測試速度也遠(yuǎn)快于原場靜音暗室[4]。

混響暗室系統(tǒng)支持人頭人手的OTA測量，其測試方法較靜音暗室簡單，將被測量的天線或無線終端放在微波混響室內(nèi)的轉(zhuǎn)臺上。微波混響室通常是一個具有某種攪模機(jī)構(gòu)的金屬盒子或腔體。在僅僅測試TRP、TIS等參數(shù)時，在腔體內(nèi)一般放置3根天線。當(dāng)它被這些天線在適當(dāng)頻率激發(fā)時，其中將會產(chǎn)生一定數(shù)量的駐波模式。通過調(diào)動腔體內(nèi)的三維金屬板，使其按照一定的速度移動，可以改變腔體內(nèi)駐波模式的邊界條件，就可以保證無論輻射向哪個方向發(fā)射，都可以檢測到輻射功率[5]。

微波混響室的測量精度通常不超過3 dB的標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation，STD）。這一精度對于測量天線的效率、輻射功率或接收靈敏度而言，不確定度還稍顯偏高。但是得益于其室內(nèi)多徑的環(huán)境，微波混響室中能很容易、快速地測量出分集增益、MIMO容量等參數(shù)。也正由于此，該系統(tǒng)不能得到手機(jī)的方向圖。

5.4 各方案的比較

原場靜音暗室測試系統(tǒng)是現(xiàn)今比較成熟的OTA測試解決方案，其測試精度高，準(zhǔn)確性強(qiáng)，測試結(jié)果是業(yè)界公認(rèn)的。原場暗室加多探頭的方案雖然可以很好地解決MIMO終端的測試問題，但由此也帶來了成本的成倍上漲和測試精度降低的問題。新興的混響暗室方案測試速度快，建造成本低，同時具備一些原場暗室不具備的優(yōu)勢（如可以測試吞吐量、分集增益等），越來越受到業(yè)界的青睞。如果單從測試精度上看，目前國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)組織也沒有提供唯一的精度值。CTIA、3GPP等標(biāo)準(zhǔn)組織采用的方法是，根據(jù)各個實驗室提供的參數(shù)值進(jìn)行加權(quán)平均，然后設(shè)置一個置信度范圍，認(rèn)為在這個范圍內(nèi)的測試結(jié)果都是合格的。因此如從這方面考慮，不能判斷各個方案的孰優(yōu)孰劣。目前的情況是，混響暗室測得的TRP、TIS等參數(shù)值與傳統(tǒng)原場暗室測得的值相差都在3 dBm范圍之內(nèi)，這個值是在認(rèn)可范圍內(nèi)的。

6 運(yùn)營商OTA測試的建議

運(yùn)營商在認(rèn)證測試領(lǐng)域的關(guān)注可以引領(lǐng)測試技術(shù)的發(fā)展。規(guī)范終端認(rèn)證體系，還可以推動終端認(rèn)證機(jī)制的進(jìn)一步優(yōu)化。標(biāo)準(zhǔn)組織制定的OTA標(biāo)準(zhǔn)一般比較緩慢，測試內(nèi)容不夠豐富，測試項目也不多，這樣就不利于運(yùn)營商快速地響應(yīng)用戶的需求。因此，運(yùn)營商在跟蹤國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)組織動態(tài)的基礎(chǔ)上，必須發(fā)展創(chuàng)新，把握OTA技術(shù)發(fā)展的前沿，從而制定出好的合適的測試解決方案，提高入網(wǎng)手機(jī)的質(zhì)量。

隨著運(yùn)營商對終端定制的不斷深化，越來越意識到對終端進(jìn)行OTA測試的必要性。我國處于3G建設(shè)的重要階段，終端天線性能的提升將大大降低運(yùn)營商的布網(wǎng)成本。尤其是3G智能終端都有多種無線功能，如Wi-Fi、GPS等，因此在整機(jī)測試中進(jìn)行OTA測試可以提高終端性能，提升用戶體驗。值得一提的是，近來對吞吐量的關(guān)注度越來越高，而OTA系統(tǒng)測試出的吞吐量更能反映終端的整機(jī)性能。國內(nèi)運(yùn)營商正是意識到OTA測試在終端測試體系中的重要性，正加緊建設(shè)各自的OTA測試系統(tǒng)。

因此對于運(yùn)營商來說，建設(shè)OTA測試系統(tǒng)非常有必要。雖然原場靜音消聲暗室測試系統(tǒng)的環(huán)境建設(shè)成本高，對層高和承重都有嚴(yán)格的要求，且不能測試帶MIMO的終端，但該系統(tǒng)能較準(zhǔn)確地測量天線的發(fā)射功率和接收靈敏度，是CTIA指定實驗室所采用的，也是現(xiàn)今主流的測試OTA的方案。因此建議運(yùn)營商初期必須建設(shè)原場靜音消聲暗室測試系統(tǒng)，以保證OTA測試的精準(zhǔn)度，待后期對于MIMO天線測試有大量需求時，可考慮新建低廉成本的混響暗室測試系統(tǒng)或升級原場暗室（新增探頭和信道仿真儀）使其支持MIMO模式。升級原場暗室的方案需要對暗室新增多個探頭，并且對每個探頭都添加信道仿真模擬器，由此也帶來了成本增加以及測試精度降低等一些額外問題?？紤]到混響暗室體積小、成本低，除了可測發(fā)射功率、接收靈敏度等原場暗室具備的功能外，得益于其室內(nèi)是多徑的信號，還可以進(jìn)行原場靜音暗室所不具備的MIMO OTA測試和吞吐量測試。而且混響暗室系統(tǒng)現(xiàn)在也是3GPP認(rèn)可的測試方案之一，因此可將混響暗室作為第二階段的候補(bǔ)方案，通過追蹤其精度的改良情況做進(jìn)一步的考慮。

7 結(jié)束語

移動終端需要具備很好的輻射射頻特性和接收特性，才能保證良好的通信服務(wù)質(zhì)量，同時這些也是運(yùn)營商非常關(guān)心的性能指標(biāo)。隨著運(yùn)營商終端定制的不斷深化，對終端進(jìn)行整機(jī)性能的OTA測試顯得越來越重要。尤其是對帶Wi-Fi、MIMO、GPS等無線功能的終端進(jìn)行整機(jī)性能的OTA測試，其結(jié)果更符合實際情況。標(biāo)準(zhǔn)組織指定的規(guī)范技術(shù)相對顯滯后，測試項目不夠豐富，而運(yùn)營商可以結(jié)合自身實際情況，對測試強(qiáng)度的高低、測試內(nèi)容的多少進(jìn)行調(diào)控。因此，運(yùn)營商應(yīng)當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)組織的基礎(chǔ)上，勇于新的嘗試，制定出適合自己的OTA測試規(guī)范，從而增加對網(wǎng)絡(luò)的控制力度，提高天線性能，提升用戶通話質(zhì)量。

1 唐偉生，謝澤明.TD-SCDMA終端OTA測試系統(tǒng)的設(shè)計.微計算機(jī)信息，2010（26）：116～118

2 TD-SCDMA空間輻射性能測試及限值介紹.http://www.morlab.cn/article/2010/0721/article_1773.html,2010

3 CTIA.Test Plan for Mobile Station over the Air Performance.Method of Measurement for Radiated RF Power and Receiver Performance,Revision Number 3.1，2011

4 張林昌.混響室及其進(jìn)展.安全與電磁兼容，2001（3）：l～6

5 Moglie F.Convergence of the reverberation chambers to the equilibrium analyzed with the finite-difference time-domain algorithm.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2004,46(3):469～476