OTA在运营商终端测试系统中的应用

黄笑磊，安 岗，高一维

（1.华北电力大学电气与电子工程学院 北京102206；2.中国联通研究院 北京100032）

1 引言

天线性能是终端整机质量的重要标志。自2010年开始，国内外发生了多次“天线门事件”，使得消费者对于终端天线性能的关注达到了前所未有的高度。对于移动终端的天线，单纯的无源测试无法考察其在典型工作状态下的辐射性能，而有源测试则侧重从手机整机的发射功率和接收灵敏度方面考察手机的辐射性能，更能直接地反映手机整机的辐射性能。

本文所讨论的OTA（over the air）测试属于有源测试。目前，所有移动终端的新入网测试要求均需进行完整的天线性能部分的测试，包括总辐射功率测试和总全向灵敏度测试。我国正处于3G建设的重要阶段，终端天线性能的提升将大大降低运营商的布网成本。对于运营商而言，天线性能的提高将显著减少终端的掉话率，提升网络边缘的数据下载速率，提升用户的使用体验，减少用户投诉，因此将OTA测试纳入运营商的终端测试体系中是十分必要的。

2 OTA测试定义

OTA是由CTIA(美国无线通信和互联网协会)制定的侧重整机辐射性能方面的测试标准，是手机厂商和运营商重视和认可的测试项目。当前在手机射频性能测试中越来越关注整机辐射性能的测试，这种辐射性能反映了手机最终的发射和接收性能。

OTA测试是在特定微波暗室内，测试整机在三维空间的辐射功率和接收灵敏度，现在也注重如衰落灵敏度、分集增益、吞吐量等参数。较之传统的天线测试方法（无源测试），它可以用测试数据直观地表示出天线在整机中最终的辐射发射功率和接收灵敏度。在手机通话时，由于人脑和人手都靠近手机天线，将降低手机的发射和接收性能，手机整机辐射的发射和接收性能都会降低。因此，应利用整机测试来考察手机的辐射性能。

OTA测试中的主要测试参数有：发射总功率（total radiated power，TRP)、接收灵敏度（total isotropic sensitivity，TIS)、平均衰落灵敏度(average fading sensitivity，AFS)，分集增益和MIMO系统吞吐量也即将成为被测试的参数。

3 OTA在国内外的情况

国内外的运营商都认为在终端测试体系中引入OTA测试可以保证入网手机的质量。欧美等国家和地区考虑到国家安全问题（如需要对手机进行GPS定位），要求其国内运营商的定制终端必须进行OTA测试。目前我国对OTA的测试标准制定工作还不够完善，我国的运营商应考虑自身的发展因素，积极建设各自的OTA解决方案，保证入网手机的质量。

3.1 国外运营商OTA的测试情况

欧洲运营商，如Vodafone、TIM、Orange、France Telecom等，对OTA测试有特殊的要求。除了参照3GPP指定的标准外，会定义自己的企业标准，涵盖内容全面、复杂，能够很好地保证终端的性能。大部分北美运营商的定制终端都要通过CTIA的认证，其OTA测试主要采用的是原场静音暗室系统。例如，对于一款WCDMA的定制终端，运营商要求做OTA RF性能、OTA Wi-Fi、OTA A-GPS等测试。值得一提的是，日本的运营商NTT DoCoMo和Softbank采用了新兴的混响暗室测试为其OTA解决方案，取得了较好的效果。

3.2 国内运营商OTA的测试情况

中国移动通信集团公司（以下简称中国移动）对其定制终端建立了一套完整的OTA测试体系。TD-SCDMA的空间辐射性能测试标准为《2 GHz TD-SCDMA移动台空间射频辐射功率和接收机性能测量方法》（YD/T 1977-2009）。

在TD-SCDMA网络的OTA测试中，要求完整的射频辐射功率测量应该在自由空间和人头模型两种配置下（如果适用）进行所有测试信道的测试[1]。2 GHz TD-SCDMA辐射功率测量限值和接收灵敏度测量限值见表1和表2[2]。

WCDMA网络运营商在其终端测试体系中进行OTA测试，能更加全面地评测终端的整机性能。而且，OTA测试的结果可以在运营商采购定制终端的过程中提供重要的参考标准与依据。目前，WCDMA运营商越来越意识到OTA测试的重要性，正在积极探索OTA解决方案。

表1 2GHz TD-SCDMA辐射功率测量限值

表2 2GHz TD-SCDMA接收灵敏度测量限值

4 OTA测试相关标准

美国的CTIA是最早制定OTA测试标准的组织。同时，也有其他的组织参与了该领域的测试，这些测试组织主要有3GPP（the 3rd generation partnership project，第三代合作伙伴项目）、PTCRB（PCS type certification review board，PCS型号认证委员会）、GCF（global certification forum，全球认证论坛）和CCSA（China communications standards association，中国通信标准化协会）。下面对这些标准组织进行详细的分析。

4.1 CTIA标准

CTIA于2011年1月颁布了最新的OTA测试标准“Test Plan for Mobile Station over the Air Performance Revision 3.1”[3]，作为认证实验室测试OTA的新标准，于2011年11月15日强制实施。3.1版本规定人头人手模型为基本的测试架构，其测试模式共4种：自由空间、人头模型、仅右手手持模式和靠近头部的右手手持模式，以搭配手机不同的应用模式。另外，OTA测试中，对不同频率的最小测试距离和不确定度有严格的要求，见表3和表4。

表3 不同频率的最小测试距离

表4 不确定度

4.2 3GPP标准

3GPP中有关OTA方面的标准主要由欧洲的运营商发起组织。2011年9月颁布的3GPP TS 34.114中，详细介绍了在GSM、FDD频段、TDD频段的OTA测试的相关参数和标准。3GPP的一些测试项和测试参数主要参照北美的CTIA标准，所以一些标准比较滞后。例如，CTIA在2011年3月就规定了人头人手模型测试，而3GPP目前只有人头模型测试，人手模型测试还在审核讨论阶段。值得一提的是，在2011年12月，混响暗室的OTA测试方案通过了3GPP的认可，而CTIA目前还未将混响暗室系统纳入其标准。

4.3 PTCRB标准

PTCRB主要是为终端产品和模板提供型号认证，其范围涵盖全球的运营商。PTCRB包含OTA部分测试的频段，如GSM 850 MHz、GSM 1 900 MHz、FDD BAND II、FDD BAND IV和FDD BAND V等，其标准制定主要参照CTIA颁布的OTA测试标准。在测试模式的要求中，对于能够贴近耳朵的设备必须进行人头模型及自由空间两种情况的测试。PTCRB中有关OTA的测试规范与测试项相比CTIA较滞后。

4.4 CCSA标准

与国外标准相比，我国的OTA入网检测项目有限，其测试项和测试标准主要参考CTIA所制定的标准。中国国家通信计量站负责起草了《移动台空中射频功率和接收机性能测试方法》，根据我国的实际情况，提出了针对GSM 900 MHz、DCS 1 800 MHz及CDMA的射频 辐射 功率及接收机性能详细测试方法，并添加了限制要求。

5 OTA测试解决方案

目前，业界比较认可的OTA测试解决方案有3种：原场静音暗室、原场暗室加多探头和混响暗室。原场静音消声暗室是主流的OTA测试解决方案，其测试结果也是业界公认的。但由于该系统是SISO（单输入单输出）的，不能测试带MIMO的终端。目前对这一问题比较一致的解决方案是原场暗室加多探头和混响暗室系统。下面对这3个解决方案进行详细的分析。

5.1 方案一：原场静音暗室

测量天线的传统方法是在微波暗室（anechoic chamber）中进行。暗室中要求没有任何反射，无电磁干扰，待测天线直接接收从发射天线发出的辐射波，而不是现实环境中的多径辐射波，否则将产生错误的测量结果并且导致测试没有意义。原场暗室建设成本很高，测试时间也较长。原场静音暗室的结构如图1所示。

在暗室内，室壁需要铺满低电介质常数支撑材料，如聚苯乙烯泡沫塑料，以吸收反射或折射的辐射波，降低对实验的干扰，提高准确度。暗室外的综合测试仪、延迟交换单元等与暗室内的测量天线（如喇叭或偶极子）相连接。在需要考虑信道干扰对测试的影响时，还需要添加信道模型仿真仪，以更好地接近现实场景。

测试时需要确保天线模式的对称性，将待测天线固定在绝缘支撑物的中心，待测天线的轴与定位器旋转轴中心需精确对齐。旋转过程中，要确保待测天线不会有任何晃动。将信号源通过同轴电缆连接到发射天线上，并将频率设置为测试的相应信道，记录下测量接收机设置信号源的输出幅度。所有的电缆必须合理布置和连接，以使对测量结果的影响降到最小。

目前，国外运营商和国内的第三方实验室采用的都是原场暗室方案。但随着LTE网络在一些国家的试运行，MIMO制式的终端，亦即分集系统或多入多出终端也需要进行OTA测试。这类设备有可能增加移动宽带系统的频谱效率和数据传输率，现有的仅一个发射天线的原场暗室显然不能满足该要求，新形式下需要有新的解决方案。

5.2 方案二：原场静音暗室加多探头

为满足手机应用对网络的性能要求，无线标准演进增加了MIMO技术。现有的原场静音暗室的OTA性能测试是SISO的，为了在暗室中模拟出多径效果，有学者提出了在现有微波暗室内加多探头的OTA测试解决方案。下面以双通道的MIMO OTA测试方案为例来说明其可行性。

双通道法是验证MIMO设备OTA性能的一个有效的解决方案。现实环境中会有各种的入射角和极化的统计分布。要表征天线的相关性，只需选用两个通道各自代表不同的方向角和极化方向。选取适当的测试参数便可完全地描述出接收天线的辐射特性。测试系统如图2所示。

OTA暗室内包 含4个角度 定位装置：θ1、θ2、γ、φ角 定位器，两个测试天线和一支通信天线。外部设备包括基站模拟器和一个开关矩阵。两个独立的俯仰角定位器被隐藏在吸波墙背后，它们用来控制θ1、θ2，转台可控制φ角。此外，转台上还可以有一个可选的控制器，用来控制待测天线的倾斜角γ，所有的这些角度控制器可用来实现MIMO测试时任意角度的组合。

两支四脊喇叭天线用作测试天线，每支天线都能够通过专门的天线连接器产生φ或θ线性极化的正交分量。所有天线的端口都是通过接入板与外部设备（如信号基站模拟器）相连。测试天线发射下行信号到待测天线。天线集成在转台定位器里。

原场暗室加多探头的OTA测试方案解决了带MIMO的终端的测试问题。而且它可以利用现有的原场暗室（对现有设备进行升级），避免了一定的重复建设。但是，系统中每个天线阵元都需配置相同的信道衰落模拟器，大大增加了设备成本和复杂度。考虑到其实现的难度且与现有的OTA系统及暗室兼容性太差，该方案一般不为业内接受。

5.3 方案三：混响暗室测试系统

混响暗室测试OTA解决方案于2011年12月通过了3GPP的认可。混响室（reverberation chamber）是使用瑞利衰落理论来仿真无线产品于实际环境的情形。混响暗室得益于其室内是多径的环境，可直接测量分集增益、MIMO系统容量和吞吐量等参数，而且其测试速度也远快于原场静音暗室[4]。

混响暗室系统支持人头人手的OTA测量，其测试方法较静音暗室简单，将被测量的天线或无线终端放在微波混响室内的转台上。微波混响室通常是一个具有某种搅模机构的金属盒子或腔体。在仅仅测试TRP、TIS等参数时，在腔体内一般放置3根天线。当它被这些天线在适当频率激发时，其中将会产生一定数量的驻波模式。通过调动腔体内的三维金属板，使其按照一定的速度移动，可以改变腔体内驻波模式的边界条件，就可以保证无论辐射向哪个方向发射，都可以检测到辐射功率[5]。

微波混响室的测量精度通常不超过3 dB的标准差（standard deviation，STD）。这一精度对于测量天线的效率、辐射功率或接收灵敏度而言，不确定度还稍显偏高。但是得益于其室内多径的环境，微波混响室中能很容易、快速地测量出分集增益、MIMO容量等参数。也正由于此，该系统不能得到手机的方向图。

5.4 各方案的比较

原场静音暗室测试系统是现今比较成熟的OTA测试解决方案，其测试精度高，准确性强，测试结果是业界公认的。原场暗室加多探头的方案虽然可以很好地解决MIMO终端的测试问题，但由此也带来了成本的成倍上涨和测试精度降低的问题。新兴的混响暗室方案测试速度快，建造成本低，同时具备一些原场暗室不具备的优势（如可以测试吞吐量、分集增益等），越来越受到业界的青睐。如果单从测试精度上看，目前国内外的标准组织也没有提供唯一的精度值。CTIA、3GPP等标准组织采用的方法是，根据各个实验室提供的参数值进行加权平均，然后设置一个置信度范围，认为在这个范围内的测试结果都是合格的。因此如从这方面考虑，不能判断各个方案的孰优孰劣。目前的情况是，混响暗室测得的TRP、TIS等参数值与传统原场暗室测得的值相差都在3 dBm范围之内，这个值是在认可范围内的。

6 运营商OTA测试的建议

运营商在认证测试领域的关注可以引领测试技术的发展。规范终端认证体系，还可以推动终端认证机制的进一步优化。标准组织制定的OTA标准一般比较缓慢，测试内容不够丰富，测试项目也不多，这样就不利于运营商快速地响应用户的需求。因此，运营商在跟踪国内外标准组织动态的基础上，必须发展创新，把握OTA技术发展的前沿，从而制定出好的合适的测试解决方案，提高入网手机的质量。

随着运营商对终端定制的不断深化，越来越意识到对终端进行OTA测试的必要性。我国处于3G建设的重要阶段，终端天线性能的提升将大大降低运营商的布网成本。尤其是3G智能终端都有多种无线功能，如Wi-Fi、GPS等，因此在整机测试中进行OTA测试可以提高终端性能，提升用户体验。值得一提的是，近来对吞吐量的关注度越来越高，而OTA系统测试出的吞吐量更能反映终端的整机性能。国内运营商正是意识到OTA测试在终端测试体系中的重要性，正加紧建设各自的OTA测试系统。

因此对于运营商来说，建设OTA测试系统非常有必要。虽然原场静音消声暗室测试系统的环境建设成本高，对层高和承重都有严格的要求，且不能测试带MIMO的终端，但该系统能较准确地测量天线的发射功率和接收灵敏度，是CTIA指定实验室所采用的，也是现今主流的测试OTA的方案。因此建议运营商初期必须建设原场静音消声暗室测试系统，以保证OTA测试的精准度，待后期对于MIMO天线测试有大量需求时，可考虑新建低廉成本的混响暗室测试系统或升级原场暗室（新增探头和信道仿真仪）使其支持MIMO模式。升级原场暗室的方案需要对暗室新增多个探头，并且对每个探头都添加信道仿真模拟器，由此也带来了成本增加以及测试精度降低等一些额外问题。考虑到混响暗室体积小、成本低，除了可测发射功率、接收灵敏度等原场暗室具备的功能外，得益于其室内是多径的信号，还可以进行原场静音暗室所不具备的MIMO OTA测试和吞吐量测试。而且混响暗室系统现在也是3GPP认可的测试方案之一，因此可将混响暗室作为第二阶段的候补方案，通过追踪其精度的改良情况做进一步的考虑。

7 结束语

移动终端需要具备很好的辐射射频特性和接收特性，才能保证良好的通信服务质量，同时这些也是运营商非常关心的性能指标。随着运营商终端定制的不断深化，对终端进行整机性能的OTA测试显得越来越重要。尤其是对带Wi-Fi、MIMO、GPS等无线功能的终端进行整机性能的OTA测试，其结果更符合实际情况。标准组织指定的规范技术相对显滞后，测试项目不够丰富，而运营商可以结合自身实际情况，对测试强度的高低、测试内容的多少进行调控。因此，运营商应当在标准组织的基础上，勇于新的尝试，制定出适合自己的OTA测试规范，从而增加对网络的控制力度，提高天线性能，提升用户通话质量。

1 唐伟生，谢泽明.TD-SCDMA终端OTA测试系统的设计.微计算机信息，2010（26）：116～118

2 TD-SCDMA空间辐射性能测试及限值介绍.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 张林昌.混响室及其进展.安全与电磁兼容，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