汽車(chē)整車(chē)OTA 測(cè)試研究

胡洋 李國(guó)慶

中國(guó)信息通信研究院西部分院（重慶信息通信研究院） 重慶市 400800

1 車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)狀況

2022 年6 月，在3GPP TSG 第96 次 會(huì)議上，5G R17 標(biāo)準(zhǔn)宣布凍結(jié)，這標(biāo)志著5G技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)進(jìn)入成熟和穩(wěn)定期，5G R18標(biāo)準(zhǔn)制定工作開(kāi)始啟動(dòng)。V2X（Vehicle to Everything）意為“車(chē)聯(lián)萬(wàn)物”，是將車(chē)輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術(shù)，其中V代表車(chē)輛，X代表任何與車(chē)交互信息的對(duì)象，主要包含車(chē)、人、路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)。V2X將“人、車(chē)、路、云”等交通參與要素有機(jī)地聯(lián)系在一起，構(gòu)建一個(gè)智慧的交通體系。

C-V2X 是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)，簡(jiǎn)稱蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)，C-V2X 標(biāo)準(zhǔn)包括LTE-V2X及其演進(jìn)的NR-V2X，在4G-LTE 時(shí)代最早由大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)提出，基于LTE 系統(tǒng)的LTE-V 技術(shù)又稱為L(zhǎng)TE-V2X，奠定了C-V2X 系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)路線。NR-V2X 研究基于5G 新空口的PC5接口和Uu 接口增強(qiáng)，主要用于支持車(chē)輛編隊(duì)行駛、遠(yuǎn)程駕駛、傳感器擴(kuò)展等高級(jí)V2X 業(yè)務(wù)需求，支持NR-V2X的3GPP R16 版 本標(biāo)準(zhǔn)于2020.7 完成。

在國(guó)內(nèi)，2017 年由工業(yè)和信息化部、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)會(huì)同有關(guān)單位組織開(kāi)展了《國(guó)家車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》系列文件編制工作，內(nèi)容包括總體要求、智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)、信息通信、電子產(chǎn)品和服務(wù)、智能交通和車(chē)輛智能管理等部分。從2017 年到2021 年陸續(xù)出臺(tái)了各標(biāo)準(zhǔn)體系，并在此基礎(chǔ)上共同構(gòu)建《車(chē)聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》，加強(qiáng)對(duì)車(chē)聯(lián)網(wǎng)安全支撐，形成了我國(guó)完善的車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。

目前我國(guó)已完成包括通信關(guān)鍵技術(shù)、信息感知與交互、決策預(yù)警核心技術(shù)以及ADAS 核心技術(shù)等標(biāo)準(zhǔn)制定工作，形成了完備的車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。C-V2X 應(yīng)用涉及汽車(chē)、通信、交通等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域，依據(jù)《指南》要求，由工信部、交通運(yùn)輸部及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)等部門(mén)，組織各領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟共同開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)制定工作，其中信息通信標(biāo)準(zhǔn)主要由中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)組織，在TC10 物聯(lián)網(wǎng)工作組下的WG5 車(chē)聯(lián)網(wǎng)小組進(jìn)行。

目前已發(fā)布的信息標(biāo)準(zhǔn)有30 多項(xiàng)，包括LTE-V 技術(shù)、5G eV2X技術(shù)、空口、衛(wèi)星通信及網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)安全等，還有60 多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)、研究課題及技術(shù)報(bào)告正在進(jìn)行中，牽頭單位有中國(guó)信通院、移動(dòng)、聯(lián)通、華為、中興、小米、中國(guó)汽車(chē)工程研究院等眾多機(jī)構(gòu)。

信息通信的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)分為感知層（端）、網(wǎng)絡(luò)層（管）和應(yīng)用層（云）三個(gè)層次，并以共性基礎(chǔ)技術(shù)和信息通信安全技術(shù)為支撐。端主要為各種通信設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、路側(cè)設(shè)施及個(gè)人終端等；管即為管道，由2G/3G/4G/5G，V2X 通信技術(shù)、車(chē)內(nèi)通信網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等組成；云為各種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)平臺(tái)、公共服務(wù)、行業(yè)應(yīng)用等。共性基礎(chǔ)技術(shù)主要解決涉及的共性問(wèn)題，并提供有效評(píng)估手段，主要包括天線、通信設(shè)備、電磁兼容性等技術(shù)。信息通信標(biāo)準(zhǔn)體系包含基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議和設(shè)備、通信業(yè)務(wù)與應(yīng)用技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)安全四部分，下設(shè)20 多和分類(lèi)。

目前，在車(chē)聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系中，整車(chē)OTA測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還未開(kāi)始制定。

2 整車(chē)OTA 測(cè)量及難點(diǎn)

過(guò)去，將功率作為時(shí)間、頻譜或編碼（CDMA 系統(tǒng)）的函數(shù)進(jìn)行測(cè)量。波束賦形的到來(lái)增加了另一個(gè)維度：空間或功率相對(duì)于離開(kāi)方向?？罩袦y(cè)量參數(shù)可以分為兩大類(lèi)：研發(fā)、認(rèn)證或一致性測(cè)試對(duì)于被測(cè)設(shè)備輻射特性的完整評(píng)估，以及生產(chǎn)中的校準(zhǔn)、驗(yàn)證和功能測(cè)試。

天線設(shè)計(jì)者關(guān)心的主要測(cè)試參數(shù)包括增益圖、輻射功率、接收機(jī)靈敏度、收發(fā)器/接收器特征和波束控制/波束跟蹤，其中任何一項(xiàng)都會(huì)影響OTA 測(cè)量。然而，由于大規(guī)模MIMO 使用的頻率，更為關(guān)注波束控制/波束跟蹤。雖然現(xiàn)在的蜂窩技術(shù)使用靜態(tài)波束圖特征，毫米波系統(tǒng)將需要?jiǎng)討B(tài)波束測(cè)量，以便精確表征波束跟蹤算法和波束控制算法。

近年來(lái)，汽車(chē)無(wú)線通信市場(chǎng)有了很大的發(fā)展。眾所周知，天線是決定通信系統(tǒng)性能和尺寸的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)代汽車(chē)可能包含多個(gè)天線，捕捉AM/FM 廣播、衛(wèi)星數(shù)字音頻無(wú)線電服務(wù)（SDARS）信號(hào)、全球定位系統(tǒng)（GPS）數(shù)據(jù)、移動(dòng)電話通信、數(shù)字音頻廣播（DAB）、遠(yuǎn)程無(wú)鍵進(jìn)入（RKE）和遠(yuǎn)程啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（RSE）系統(tǒng)、電視接收、電子收費(fèi)（ETC）、輪胎壓力傳感器和汽車(chē)?yán)走_(dá)。

用于汽車(chē)應(yīng)用的電子設(shè)備所使用的頻譜覆蓋頻率從0.5MHz（AM 無(wú)線電）到77 GHz（雷達(dá)碰撞系統(tǒng)）。

圖1 展示了通常用于安裝天線在車(chē)輛上的位置。位置3 或位置9 通常用于安裝AM/FM 鞭狀擋泥板天線。一個(gè)AM/FM 短螺旋天線可以安裝在汽車(chē)車(chē)頂?shù)奈恢? 或位置8。AM/FM 印刷在玻璃上的天線安裝在側(cè)玻璃（位置7），靠近加熱器的后玻璃，有時(shí)安裝在前玻璃（位置4）上。GPS、SDARS 和手機(jī)天線通常安裝在車(chē)頂?shù)? 號(hào)位置，或安裝在后備箱的1 號(hào)位置。衛(wèi)星電視天線安裝在汽車(chē)車(chē)頂上;對(duì)于地面應(yīng)用，天線可以打印在玻璃上，并與打印在玻璃上的AM/FM 天線安裝在一個(gè)單獨(dú)的包裝中。近距離無(wú)線通信設(shè)備的天線通常安裝在汽車(chē)內(nèi)部的視線之外，例如10 號(hào)位置（汽車(chē)前面板下方）或5號(hào)位置的門(mén)內(nèi)部。雷達(dá)碰撞天線從前面（位置6）或后面安裝。

圖1 用于不同應(yīng)用的汽車(chē)天線位置

相比其他領(lǐng)域的測(cè)試，汽車(chē)天線測(cè)試存在以下困難：

（1）天線性能與布局有關(guān)，天線放在車(chē)輛不同位置會(huì)有不同的性能；

（2）理論上測(cè)試時(shí)應(yīng)將天線相位中心置于系統(tǒng)靜區(qū)中心，否則會(huì)造成測(cè)試不確定度增大，測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。但由于汽車(chē)的體積、重量造成測(cè)試時(shí)安裝困難，另外車(chē)輛金屬外殼會(huì)改變天線的電流分布，實(shí)際相心往往并不在天線或車(chē)輛中心上。

（3）天線測(cè)試時(shí)，為模擬電磁波開(kāi)闊場(chǎng)地，一般在無(wú)回波暗室中進(jìn)行，測(cè)試距離與天線尺寸的平方成正比，與波長(zhǎng)成反比，如果以車(chē)輛的長(zhǎng)度作為天線尺寸，測(cè)試距離將需要40-50 米，場(chǎng)地建設(shè)成本巨大，實(shí)際測(cè)試以近場(chǎng)為主，后做進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理，在基本確保測(cè)試精度的情況下降低測(cè)試成本。

（4）在汽車(chē)天線測(cè)試中，多數(shù)還是將天線作為無(wú)源設(shè)備來(lái)測(cè)試，得到的只是天線本身性能，不能完整體系性能；要得到完整的測(cè)試結(jié)果就需要進(jìn)行OTA 測(cè)試，OTA 測(cè)試更加強(qiáng)調(diào)真實(shí)天線工作狀態(tài)時(shí)的測(cè)試。

（5）車(chē)輛使用時(shí)，地面反射會(huì)改變天線的輻射性能，地面的材質(zhì)和地形影響也是有差異的，因而即使在無(wú)回波室測(cè)試后，任需要在實(shí)際環(huán)境下做模擬測(cè)試。

3 車(chē)載天線測(cè)試-測(cè)試環(huán)境

已知的幾種可以測(cè)試車(chē)輛天線的測(cè)量環(huán)境：

（a）矩形消聲室：通常被用來(lái)模擬自由空間條件。在將能量直接反射到測(cè)試區(qū)域的表面上使用高質(zhì)量的吸收材料，以降低反射能量水平。

（b）帶有金屬地面的屏蔽室：與全消聲室?guī)缀跸嗤?，不同之處是其地板采用了完美的?dǎo)電表面，而不是用高質(zhì)量的吸波材料覆蓋。

（c）自由空間：天線測(cè)試范圍是一個(gè)室外設(shè)施，通常由金屬地面組成。它可能是由雷達(dá)罩保護(hù)的天氣。該系統(tǒng)周?chē)膮^(qū)域沒(méi)有反射障礙物，如建筑物、樹(shù)木或墻壁。

測(cè)量環(huán)境需要允許確定車(chē)輛天線的遠(yuǎn)場(chǎng)特性。這些特性的例子有自由空間輻射方向圖、天線增益、輻射功率、接收靈敏度、等效各向同性輻射功率（EIRP）、等效各向同性靈敏度（EIS）。

車(chē)輛天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的最小測(cè)量距離R 為：

D 表示天線孔徑的大小。天線孔徑的大小受天線類(lèi)型、安裝位置和附近物體的影響。在車(chē)輛上，這些物體可以是車(chē)頂軌道、窗戶開(kāi)口、鏡子、傳感器外殼、與車(chē)輛結(jié)構(gòu)相關(guān)的組件等等。由于并非所有物體都會(huì)影響天線的輻射模式，并且已知它們對(duì)天線孔徑的影響，因此取汽車(chē)的最大尺寸來(lái)定義D。

作為遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的替代方案，如上所述，如果對(duì)原始振幅和相位數(shù)據(jù)應(yīng)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)操作，測(cè)量也可以在比R 更短的距離上進(jìn)行。這種近場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理后必須與遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)等價(jià)。在測(cè)量不確定度的評(píng)定中，必須考慮到數(shù)學(xué)操作。

當(dāng)OTA 測(cè)量在整個(gè)球面上的近場(chǎng)進(jìn)行時(shí)，可能不需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行廣泛的數(shù)學(xué)處理。如果在總體測(cè)量不確定度預(yù)算中考慮了與測(cè)量距離密切相關(guān)的不確定度，則OTA性能參數(shù)可以直接由測(cè)量功率密度得到。

4 坐標(biāo)系/角度定義

如前所述，如在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試環(huán)境將十分龐大，目前的解決方案多為球面近場(chǎng)測(cè)試，球面坐標(biāo)系見(jiàn)圖，與終端OTA 坐標(biāo)系一致，定義車(chē)輛前方為X 軸方向，車(chē)頂為Z 方向。

由于車(chē)輛外殼會(huì)改變天線的電流分布，將天線孔徑視為和車(chē)輛本身一樣寬，因此車(chē)輛的最大尺寸決定了測(cè)試體積的大小。測(cè)試體積的大小必須足夠大，以完全包圍被測(cè)試車(chē)輛。

5 測(cè)試對(duì)比

為驗(yàn)證整車(chē)天線球面近場(chǎng)測(cè)試可靠性，我們分別在1/4 環(huán)的球面近場(chǎng)和室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境下，對(duì)北斗有源天線進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試。測(cè)試儀表采用網(wǎng)分，因北斗天線含有低噪放，在網(wǎng)分接收端增加20dB 衰減器，路徑校準(zhǔn)時(shí)已包含衰減器。近場(chǎng)-10 度以下無(wú)探頭，算法上做截?cái)嘀昧阌?jì)算處理。

測(cè)試樣品：北斗天線，頻率1557MHz-1565MHz，天線尺寸約10cm*15cm，安裝在直徑1.2 米的鋁板上。

室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)：長(zhǎng)60 米，寬、高各30 米的矩形微波暗室，收發(fā)距離50 米，天線架高15米，采用U 形測(cè)試架，可進(jìn)行3D 方向圖測(cè)試。測(cè)試時(shí)將天線和鋁板作為整體，鋁板模擬車(chē)體反射。

球面近場(chǎng)：采用1/4 環(huán)布局，角度覆蓋負(fù)10 度到90 度（以水平面作為0 度），在100 度范圍內(nèi)均勻布置101 個(gè)探頭，探頭陣列直徑12m，系統(tǒng)已做幅相一致性校準(zhǔn)，支架金屬面均采用吸波材料處理。測(cè)試時(shí)將鋁板和天線置于球體中心，地面鋪滿500mm 吸波材料。

由數(shù)據(jù)對(duì)比看出，在60 度范圍內(nèi)一致性較好，85 度以下差異相對(duì)較大，分析原因一方面是因?yàn)榻鼒?chǎng)做了截?cái)嘀昧闾幚恚吘壧庉^大的截?cái)嚯娖秸`差導(dǎo)致通過(guò)近遠(yuǎn)場(chǎng)變換得到的天線近場(chǎng)有效角域外的方向圖產(chǎn)生“振鈴效應(yīng)”，二是在接近水平面上，吸波材料反射率較大，三是在此方向上天線增益有所下降，信號(hào)自身波動(dòng)較大。除個(gè)別位置外，兩場(chǎng)地測(cè)試增益差不超過(guò)0.5dB，基本滿足整車(chē)天線測(cè)試需求。