基于波束賦形技術(shù)多天線無線局域網(wǎng)設(shè)備測試方法探究

楊昀潮，王志欣，付 靖

（1.中國信息通信研究院西部分院，重慶 401336；2.國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037；3.國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

隨著無線局域網(wǎng)技術(shù)的不斷演進(jìn)，Wi-Fi 6（802.11ax）[1]作為新一代無線局域網(wǎng)技術(shù)，相關(guān)產(chǎn)品正加快應(yīng)用。802.11ax在多天線技術(shù)方面繼續(xù)延用和加強(qiáng)了波束賦形技術(shù)，該技術(shù)是通過調(diào)整多天線陣列中每個天線陣元的加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生指向性波束，從而能夠獲得明顯的賦形增益。鑒于此種賦形增益帶來的輻射特性變化，有必要對使用波束賦形技術(shù)的無線局域網(wǎng)設(shè)備輻射功率等射頻指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的研究與驗證。

本文對使用了波束賦形技術(shù)的無線局域網(wǎng)設(shè)備，在直連傳導(dǎo)、空口輻射與空口OTA環(huán)境下的等效全向輻射功率和總輻射功率指標(biāo)進(jìn)行了驗證試驗，對比分析得出在不同測試方法下測得的結(jié)果的差異，并對我國法規(guī)準(zhǔn)入測試方法提供了參考建議。

1 國際相關(guān)類型無線電設(shè)備法規(guī)準(zhǔn)入測試方法情況

（1）多天線無線局域網(wǎng)設(shè)備CE認(rèn)證簡介。歐盟C E認(rèn)證將無線局域網(wǎng)設(shè)備定義為寬帶數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，相關(guān)技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)主要有2.4 GHz頻段《ETSI EN 300 328》[2]和5 GHz頻段《ETSI EN 301 893》[3]等。在歐盟CE認(rèn)證法規(guī)中，如果被審查的設(shè)備支持多天線技術(shù)，則輸出功率、功率譜密度以及發(fā)射雜散等6項技術(shù)指標(biāo)需要在多天線場景下進(jìn)行測試，然后將各端口測試結(jié)果進(jìn)行累加求和得出最終結(jié)果。

（2）多天線無線局域網(wǎng)設(shè)備FCC認(rèn)證簡介。FCC對于無線局域網(wǎng)設(shè)備認(rèn)證的測試指標(biāo)及測試方法標(biāo)準(zhǔn)分別為E-CFR（聯(lián)邦法規(guī)電子代碼），Part 15.247和Part 15.407；測試方法標(biāo)準(zhǔn)為《ANSI C63.10》[4]和FCC知識數(shù)據(jù)庫（FCC Knowledge Database）中規(guī)定的測試方法。針對多天線無線局域網(wǎng)設(shè)備主要需要對每根天線端口的輸出功率、功率譜密度、占用帶寬、邊帶雜散以及發(fā)射雜散等指標(biāo)進(jìn)行檢測評定，再將每根天線的測試結(jié)果進(jìn)行求和作為最終結(jié)果以用來驗證其法規(guī)符合性。

2 現(xiàn)行國內(nèi)無線局域網(wǎng)設(shè)備無線電管理技術(shù)要求及測試方法

現(xiàn)階段國內(nèi)無線局域網(wǎng)類設(shè)備的無線電管理檢測技術(shù)要求依據(jù)主要有，信部無〔2002〕353號[5]、工信部無函〔2012〕620號[6]、信部無〔2002〕277號[7]等相關(guān)無線電管理規(guī)定及文件。對于多天線無線局域網(wǎng)設(shè)備，目前國內(nèi)無線電管理準(zhǔn)入檢測方法是對被測設(shè)備每個天線端口的射頻指標(biāo)進(jìn)行核驗檢測，再通過累加各端口測試結(jié)果從而得到該設(shè)備的最終檢測結(jié)果。

3 國內(nèi)多天線無線局域網(wǎng)測試方法探究

鑒于波束賦形增益所帶來的空間輻射特性的變化，本文依托現(xiàn)有測試手段對被測樣品的發(fā)射功率，在直連傳導(dǎo)、空口輻射以及OTA測試環(huán)境下開展驗證測試，得到在不同環(huán)境下的測試結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行了比對分析，給出了一套國內(nèi)無線電法規(guī)準(zhǔn)入測試方法參考建議。

3.1 直連傳導(dǎo)測試

對于多天線設(shè)備，直連傳導(dǎo)測試主要是將被測設(shè)備設(shè)置在多天線并發(fā)模式下發(fā)射信號，再針對設(shè)備每個天線端口進(jìn)行功率測量，結(jié)合企業(yè)宣稱的天線增益等參數(shù)，對各端口測量結(jié)果進(jìn)行累加計算得出最終結(jié)果。

圖1 直連傳導(dǎo)測試環(huán)境圖

3.2 空口輻射測試

空口輻射測試是將被測樣品放入全電波暗室環(huán)境下，在確定被測設(shè)備最大輻射方向后，對被測樣品進(jìn)行射頻參數(shù)測試。該種測試方式的具體測試環(huán)境示意圖如圖2所示。

圖2 空口輻射測試環(huán)境圖

3.3 空口OTA測試

空口OTA測試主要用以完成總?cè)蜉椛涔β剩═RP），其定義為被測設(shè)備在空間三維球面上的射頻輻射功率積分值，反映了被測設(shè)備在所有方向上的發(fā)射特性。

通過在被測設(shè)備周圍不同球面位置測量EIRP來衡量EUT的射頻輻射性能，得到EUT的三維輻射特性。在球坐標(biāo)的θ軸和φ軸分別每間隔15°取1個測量點(diǎn)，即能夠充分描述EUT的遠(yuǎn)場輻射情景和總?cè)蜉椛涔β是闆r。由于考慮輻射球面完整度，在θ=0°和θ=180°時不用測試，所以每個極化需測量264個點(diǎn)，將所有測量結(jié)果按要求積分得到TRP。

圖3 空口OTA測試環(huán)境示意圖

圖4 空口OTA球面示意圖

3.4 測試結(jié)果與結(jié)論

3.4.1 直連傳導(dǎo)及空口輻射測試結(jié)果

圖5 描繪的是對被測樣品在直連傳導(dǎo)及空口輻射環(huán)境下測得的發(fā)射功率結(jié)果，從測試數(shù)據(jù)總體趨勢上看，直連傳導(dǎo)環(huán)境下測得的EIRP結(jié)果基本均高于在空口輻射的結(jié)果。

圖5 直連傳導(dǎo)與空口輻射測試結(jié)果趨勢對比圖

3.4.2 空口OTA總輻射功率（TRP）測試情況

從OTA TRP試驗結(jié)果來看，TRP測試結(jié)果均遠(yuǎn)小于直連傳導(dǎo)以及空口輻射測試結(jié)果。造成此種情況的原因有兩方面：

一是總輻射功率TRP測試原理造成，總輻射功率TRP是對被測設(shè)備在OTA暗室環(huán)境下對其三維空間全向進(jìn)行EIRP測量，再通過如下公式對所測得的球面EIRP進(jìn)行平均計算而得出的結(jié)果。

這就使得TRP在理論上是全向EIRP做平均計算的結(jié)果，故肯定會小于最大EIRP值。

二是考慮被測樣品實際天線的天線效率較低，無法把端口全部功率向空間進(jìn)行輻射所造成的，此點(diǎn)將會在下一節(jié)通過實際測試結(jié)果進(jìn)行計算驗證。上述兩方面是導(dǎo)致總輻射功率TRP測試結(jié)果偏小的主要原因。

圖6 直連傳導(dǎo)與空口OTA測試結(jié)果趨勢對比圖

3.4.3 測試方法優(yōu)劣勢分析

基于上述所開展的具體測試情況，從測試環(huán)境配置及操作復(fù)雜程度、測量精度以及測試效率三個維度，對上述三種試驗方法進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

（1）測試環(huán)境配置及操作復(fù)雜程度。如圖1、圖2、圖3所示，從直連傳導(dǎo)、空口輻射以及空口OTA測試環(huán)境配置方面來看：直連傳導(dǎo)測試的測試環(huán)境通常為電磁屏蔽室，直接將被測設(shè)備通過射頻電纜及相關(guān)射頻器件（如衰減器、功分器等）與測量儀表即可，測試環(huán)境搭建簡便，測量場地要求相對較低；空口輻射測試需要在電波暗室環(huán)境下開展測試，測試前需要測試人員對被測設(shè)備的最大功率輻射方向以及天線極化方向進(jìn)行搜索確認(rèn)，以保證相關(guān)測試在被測設(shè)備最大輻射方向下進(jìn)行，從而得到有效數(shù)據(jù)；空口OTA測試需要在OTA電波暗室環(huán)境下開展測試，對于總輻射功率（TRP）項目，需要對被測設(shè)備輻射球面上的上百個測量點(diǎn)分別進(jìn)行測量，從而獲取整個球面測量點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)，在通過相應(yīng)TRP計算公式，計算得出測量結(jié)果。

（2）測試精度。直連傳導(dǎo)測試方法的優(yōu)勢在于測試鏈路校準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)相對較少，校準(zhǔn)精度高且操作簡便。相比空口輻射測試環(huán)境及OTA測試環(huán)境，僅需對測量鏈路中所用的射頻電纜及測試附件（如衰減器、功分器等）進(jìn)行校準(zhǔn)，無需對電波暗室環(huán)境下的空間鏈路進(jìn)行校準(zhǔn)，空間鏈路校準(zhǔn)在很大程度上，精度相比傳導(dǎo)鏈路校準(zhǔn)有所差距。故直連傳導(dǎo)測試方法由于其校準(zhǔn)精度高且方便開展，在測量精度方面有更高的保證。

（3）測試效率。綜合上述測試環(huán)境配置及操作復(fù)雜程度，以及測試前對測試鏈路校準(zhǔn)的方便程度，直連傳導(dǎo)測試作為現(xiàn)階段最常用的射頻測試手段，在大部分射頻指標(biāo)測試項目上的測試效率相對較高。

4 結(jié)束語

綜上，通過驗證試驗結(jié)果可以看出，由于在測試環(huán)境精度、被測設(shè)備天線效率等因素上存在不可避免的差別，直連傳導(dǎo)測試無論從測試精度以及測試效率角度來看，相較空口輻射及OTA測試更加準(zhǔn)確便捷。最后，在無線通信技術(shù)更迭日趨頻繁的今天，國內(nèi)相關(guān)無線電頻率及設(shè)備的管理方式方法也應(yīng)充分考慮新技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)。本文通過對多天線無線局域網(wǎng)設(shè)備的相關(guān)技術(shù)特性進(jìn)行了實際驗證測試，對比在不同測試方法下的結(jié)果準(zhǔn)確性，相關(guān)研究結(jié)論可為后續(xù)相關(guān)工作提供參考。