由于暗室的引入,OTA测试系统非常复杂,系统搭建时间长,硬件设备多,而OTA系统指标测试需要在所有硬件都就绪的情况下才能展开,一旦发现待测件OTA系统性能无法满足3GPP要求,就需要重新返工,这导致产品系统集成的成本很高,风险极大。
(1)应对OTA测试带来的挑战
为了应对OTA测试带来的挑战,在硬件设备准备齐全之前,可以先通过进行OTA仿真,在产品研发阶段提前快速获取系统OTA指标性能上限,在仿真环境下确保产品满足OTA各项指标要求后,再进行后续开发和硬件测试,这样可以大大降低设计风险,避免不必要的返工,减少反复测量的次数。
5G NR OTA测试是对整机的测试,需要综合考量基带、射频及天线共同作用下的性能指标,因此需要一款能够同时考量这三方面,并且能够测量OTA所需的系统指标,如EVM, ACLR, Throughput等的仿真软件。
(2)Keysight Pathwave SystemVue
Keysight Pathwave SystemVue 是用于电子系统级(ESL)设计的专业EDA软件,是业界唯一可以完整的进行5G NR 基站/手机的基带、射频及天线整机OTA仿真和系统验证的工具。
对于5G基带系统实现
SystemVue提供基于3GPP协议标准的5G NR基带算法参考库,包括上行/下行信号的物理层发射和接收算法,覆盖0.5GHz ~ 100GHz的3D毫米波信道模型,发射及接收OTA暗室模型等;
对于射频子系统的考量
SystemVue内提供丰富的射频行为级模型,支持通过器件射频参数模拟实际射频器件,或导入器件的S参数、X参数模型,或直接与Keysight Pathwave ADS (Advanced Design System) 专业的射频电路级设计软件进行联合仿真;
对于天线性能的考量
可以通过在SystemVue的信道模型或OTA暗室仿真模型内导入仿真或测量得到的天线远场方向图文件—Antenna Pattern (可通过Keysight Pathwave EMPro 三维电磁场仿真软件仿真并提取),用以将天线辐射特性反映在实际传输信号中。
图 2
在早期设计阶段
通过系统级仿真获取系统性能的上限,完成射频模组及天线的系统级定标。SystemVue提供符合3GPP一致性测试标准的仿真模板,设计者不需要花费时间研究协议的具体内容与物理层实现方式,只需通过带入测试用例所需基本参数,即可通过OTA仿真获取EVM/ACLR/灵敏度等指标,在设计初期快速定位问题,降低系统集成的风险。
在产品验证阶段
通过与ADS等专业电路级仿真工具进行联合仿真,或导入射频器件仿真或测量模型,如S参数、X参数等,并导入EM仿真或暗室测量得到的天线方向图文件,以进一步使仿真结果贴近真实产品性能,提前验证系统OTA性能指标,缩短OTA验证时间,节约暗室测量时间与成本。并且,SystemVue可与Keysight仪表无缝连接,支持快速搭建参数可配置的原型样机系统,加速硬件验证流程。
另外,SystemVue也可仿真验证基于RTS两步法的OTA测量方法和MPAC OTA测量方法,并助力了标准化制定过程。
Keysight积极参与标准化定制过程,在3GPP协会针对MPAC OTA测量的探头摆放位置的标准化进程讨论中,Keysight结合F64信道模拟器,利用系统级仿真工具SystemVue及其OTA暗室模型,仿真评估了不同探头天线摆放位置下系统的吞吐量,提出了最优的探头摆放方案并通过了提案(R4-1912104)。
关于FR2的测量中,Keysight基于SystemVue中进行的吞吐量仿真提出了RTS测量中的暗室隔离度指标建议,详情请访问3GPP网站下载R5-198264提案。
5、使用SystemVue软件进行OTA仿真的流程
图 4
SystemVue中的OTA仿真流程根据测量需要,主要分为两类:发射端测量流程 和 接收端测量流程。
所需模块包括:
5G NR基带算法模型
用于产生并发射、接收解调、解码、测量5G NR上行/下行数据;
OTA暗室仿真模型
用于模拟OTA测量环境,支持任意排布的天线阵列,天线方向图的导入,任意方向的探头位置等;
根据3GPP TR 38.901 建立的3D MIMO 信道模型
用于Performance Test等需要的衰落信道,完成协议要求的吞吐量(Throughput)测试,或模拟动态波束赋形和波束跟踪在LOS信道下的性能。
- 发射端测量流程:
基带信号产生 ➔ 射频模块 ➔ Tx相控阵处理 ➔ 暗室Tx OTA模型(最终输出空口信号的EVM/ACLR等测量指标)
- 接收端测量流程:
(虚拟发射端信号产生,终端测量时,即为模拟基站发射信号) ➔ 暗室Rx OTA模型 ➔ Rx相控阵处理 ➔ 射频模块 ➔ 基带接收机(包括同步,信道估计,译码等过程,最终输出吞吐量/灵敏度等测量指标)
6、OTA仿真案例
SystemVue 提供根据协议搭建的基站及UE终端仿真模板,分别包括对发射端、接收端所需各项指标的仿真和验证,以及SISO/MIMO场景下的各项指标验证,并支持根据用户所需场景灵活调整系统架构。以下是基站和UE终端的两个OTA仿真模板。
(1)基站下行发射端测量