5G有源天线系统的OTA设计与实现

隹Isl^iSls V12021年第02期(总第218期)
5G有源天线系统的OTA设计与实现
刘荣伍
(诺基亚通信系统技术(北京)有限公司上海分公司，上海201206)
摘要:Massive MIMO技术已经在5G移动通信网络中被广泛地采用，从产晶测试角度来看，鉴于5G有源天线系统设备中的天线被集成到射频RRU单元上，以及5G引入了更高的FR2频段，传统4G基站射频指标测试所采用的传导测试方法，在5G中将被OTA(空中接口)方式取替,OTA测试也成为FR1频段产晶的推荐测试用例，FR2频段产品的默认测试用例。

目前基于测试距离的不同可分为三大类OTA测试方案，远场、紧缩场、近场，远场是最直接的方案，但是路径损耗比较大，可用于测量功率水平比较高的指标；紧缩场是将电磁球面波在近距离转换为平面波后进行测量的一种方案；近场测试方案虽然路径损耗比远场低得多，宽带信号模式下相位的校准以及获得参考相位是难点，射频辐射测试结果与期望值略也有差异。

本文拟在通过分析近场OTA测量系统稳定性的关键因素，提供一种通过自校准解决参考相位的问题并以较低成本、高效地进行多探头近场OTA测试方案，并对实际测试业务信号模式下的测量结果进行对比分析。

关键词:5G;有源天线系统;OTA测试
中图分类号:TN929.5文献标识码:B文章编号：2096-9759(2021)02-0015-05
0引言
3GPP协议规定5G移动通信网络主要使用两段分离的频谱:FR1(Sub6GHz)频段和FR2(mmWave)频段。

产品与天线部分与无线RRU集成为一体，Beamforming的性能和一致性测试是5G产品质量的重要衡量指标,从有源天线系统的硬件结构角度上，影响着传统4G的RRU的射频性能的因素仍然继续存在，此外由天线集成所带来的对系统射频性能以及对系统波束方向图的影响需要准确的测量和补偿。

有源天线系统收发信机前端与天线阵列集成在一起,传统的射频输出端口成为系统内部接口，无法用于射频指标的测量验证。

参照传统4G基站的测试方法，首先将5G设备分解为RRU部分和带有耦合网络的天线阵列部分，分别进行射频传导测试(Conducted RF)和天线部分的S参数及性能测试，记录两个分离部分的幅度和相位的校准值，然而当将两部分一体化组装以后进行OTA辐射性能核验，测得的射频性能指标与分离阶段进行了的传导测试和天线部分的性能测试(S Parameter)的理论值之间存在不可忽略的差异，波束赋形方向图与5G设备一体化OTA测试的结果也不一致。

此外，釆用了校准网络下沉到滤波器下端的5G有源天线设备仍可分为RRU部分和滤波器与纯天线阵列板(AFM：Antenna Fil­ter Module)部分，射频传导测试的测试结果与一体化的5G 设备在进行远场的OTA辐射性能验证时的测试结果差异更明显。

产品之间源自装配所造成通道驻波的不确定性,并且有源宽带激励天线的校准及幅相加权关系到各个射频通道上的一系列有源器件，它与天线阵列通过无源的功分网络来进行幅相加权的方式存在差别，所以对釆用有源天线技术的5G基站而言，传导测试无法验证产品无线空口性能,对产品进行OTA测试方式才能有效反映其最接近真值的性能指标。

此外FR2产品更是无法拆分射频与天线，射频测试只能以OTA方式进行,3GPP已经明确5G产品需要进行射频一致性测试，例如EIRP、EVM、ACLR等指标。

OTA测试一般为了避免空间干扰信号与多径等因素，会选择在吸波暗室中进行。

15G基站天线OTA测试方案
通过波程差作为依据，即源天线发射的球面波前到达被测天线中心和边缘的波程差为"16作为区分辐射近场和辐射远场的边界，即远场(FarField)d＞罕,(Fraunho血距离准则)来区分远、近场，这里D为被测天线的口径的最大尺寸,人为被测天线工作时电磁波波长,d则为探测点与被测天线的中心距离,并且反应近场(Reactive Near Field)的限制是w0,62x Jo3/A°
假定8x8FR2天线阵列(0.5A,spacing)天线口径尺寸为41mm x41mm@28GHz,远场分界约为0.32米。

X=(299.8*10人6m/s)/(28*10人9Hz)=0.0107m
D=0.041m
Far Field三2*(0.041m*0.041m)/0.0107m~0.32m
假定8x8FR1天线阵列(0.51spacing)天线口径尺寸为50cm x50cm@3.5GHz,远场分界约为5.8米。

A.=(299.8*10人6m/s)/(3.5*10A9Hz)=0.0856m
D=0.5m
Far Field三2*(0.5m*0.5m)/0.0856mQ5.8m
理论上需基于这个距离来建立包围被测设备的电磁屏蔽环境，使入射场应尽可能均匀并且接近相位差小于22.5度(1 /16的波程差)的平面波。

也有研究表明,主瓣峰值方向上的实际远场行为可以在比Fraunhofer距离更近的位置出现叫依据以上理论和仿真构建可以对主瓣方向EIRP的功能能够进行稳定测量的OTA环境。

图1实例展示了单探头近场测试的实现，利用对角线方向,最大测试距离可达3.5米,它占用空间很小，暗室建设成本低，机械装置以及转台结构简单，由于空间损耗低，CW模式下方向图测试结果与远场测试结果较为接近，5GNR业务信号模式下的主瓣EIRP和EVM测量结果与实际的远场测试结果也较为接近。

收稿日期:2020-01-15
作者简介:刘荣伍(1979-),男,通信工程师，研究生学历，长期从事测试系统开发工作.
15
Ude lobes-•W08aZ0^re^s
/lustration forDUT w ith IZxSftKH^tofs @26^12
-Im ：~dSm (w 翻
Boresight _
一一 一
measurement antenna
Steered beam —..'
刖AWV/WMWfe/W
具备占地面积小，可以单次测试给出3D 方向图，测试效率高,
空间损耗低，CW 模式下方向图测试结果与远场测试结果接 近,业务信号模式下的EIRP 和EVM 测量结果与单探头近场 测试一致,而多探头的设备和算法的复杂度也几乎没有增加,
并且可以通过将mMIMO 天线阵列进_步分组，通过减小D
来减小吸波暗室的尺寸。

图1有源天线系统的OTA 测量系统结构展示
□ □□□□□□□
□ □□□□□□ □□□□□□□□ □□□□□□□□
□
□□ □ □□ □ □□ □ □图2 —种多探头适应产线的OTA 测量系统结构为了满足产线进行高效、快速的OTA 测试的需求,以及降
低测试成本的要求,将单探头方案改进为多探头近场测试,它
相位变化对于不同通道间的
假定接收天线垃于$仟位2J
-> at OdB
显示两次不同启动楼收到的
EIRP
对干天找按收
位置）
2 OIA 测量的关键技术
当前的OIA 测试方案，近场测试方案在宽带业务信号模
式下取参考相位的方式仍存在困难，这也是进行多探头测量
的关键。

在测试实现和OTA 硬件环境设置方面存在以下几点
关键技术:在进行性能测量之前，假定5G 有源天线系统发射
理想的 H0V0 的信号（elevation=（F, azimuth.=0°）,需先进行 Be-
amfonning 的校准及补偿，Beamforming 自校准对EIRP 的影
响如图4所示：
未进行beamforming 自校准（相位未补偿）
ver_cut Omm distance 2200mm (max. Phase
variation +/-180de^)
hor_cut Omm distana variation J
-51D -152O 2S -3O -J5
rsl tt d m u v h s
?00mm (max. Phase i
j /\
S~~j
4 1
J
:\ERROR
V 1u
J \/
\
\上
V
Vx /
ver cut Omm distance 2200mm (max. Phase
variation +/J80deg)
―1—
1r 1
t -----» 4
二
A -------23
-
5
-洌
R
2000
□
□ □ □□□
□ □ □图4 Beamforming 相位未校准对测■:的影响
16
相位变化对于不同通道紅的形响
假定按收天线在i巌隹位K>at OdB
良示两次不冋匕动接收到的EIRP
OdB-error(对干天线廉收位■)
ver_cut Omm distance2200mm(max.Phase
variation+/-5deg)
ver_cut Omm distance2200mm(max.Phase
variation♦/•5deg)
图5Beamforming校准后的测量
当5G有源天线系统的校准网络存在于天线部分时，可直接利用天线部分的预校准S参数的值补偿，然后进行Beam­forming自校准。

当5G有源天线系统的校准网络从天线部分下沉到TRX板上时，将利用产品的Monitor口与外部校准天线设备的同步，通过传输delay差值来做有源天线系统初始相位补偿，然后再进行Beamforming自校准。

可见初始相位和通道之间的相位差异造成了测量误差和很大的不确定性。

有源天线系统完成相磁幅度的校准及补偿后,假定产品的天线设计釆用8x8天线阵列,并釆用0.5X/0.7Xspac-ings,天线阵子所在位置的相位误差刃sr r ance=据+护+歹计算如下：
a=7(3,5•0,5A)2+(4,5•0,7A)2+20A2=20.3220A=>115,9deg
b=7(0,5.0,5A)2+(l,5•O,7A)Z+2OA2=20,0291A=>10,5deg(1) c=V(0,5.03A)2+(l,5•0,7A)2+20A2=20,0291A=>10,5deg
位置引入的相位误差校正因子如上，当进行OTA测试系统实现时，阵子位置校正因子作为接收天线位置控制步进算法的一部分。

对于宽带信号有源天线系统，当系统工作频率在3.3GHz情况下，对于不同的spacing情况,"2@3.75GHz =40.0mm,k/2@4.2GHz=35.7mm天线的方向性增益也不同, azimuth=0°仿真结果如下，约有0.9dB不可忽视的增益差异,同样会引入宽带业务信号情况下OTA测试系统的天线增益与频率校准因子。

Wideband Array Case Study Odeg azimuth@3.3GHz
AzknjmAngte((fognM)Azmm Angto
图7宽带业务信号的天线增益与频率的影响
17
除了阵子位置有关的校准因子和频率校准因子外，对于OTA吸波暗室的无用发射OTA测试环境也有指标限制，因此测量时“空间损耗+线缆损耗等”需要控制在合适的范围：
TRP ea.=乂E/RP(0”0/)sin%<-WdBm/MHz
OGSN-1C
0</<M-l
N和M是e和0角的采样点数,每一组对应一个采样点,当使用若使用底噪为-105dBm/MHz的频谱仪：
105dBm
Routeloss叭S--TRPmin.-^dB sln g lePolarlzed,=62dB(3)被测信号的空间及路径损耗需控制在-62dB以下,实践中设计路损-50dB左右的测试OTA测试系统环境，具有较小补偿值，更低的底噪，可以进行更好的杂散TRP测试。

2.1算法与性能仿真
辐射场强E的可表示为:E=匕^瓦，其中应第i个天线阵子的辐射场：
E(=[a fl/9((0,0)+Kie~ikri(4)屉(则)-辐射模式中第i天线阵子辐射的e分量;忌(盼)=辐射模式的0分量。

w,为辐射的权重因子,可以为o；h为路径空间损耗。

对于完全独立的天线阵子，且在相同辐射模式下,辐射强度等效为：
N
E=\a g f gi(.e,<t))+,(!>')]》w(Kie~ikri(5)
i=l
假定h为近似恒定,K、=K尸…K f K
我们可以将：
r(=r0-Ar=r0-p(•^(0,0)(6)那么E可等效为：
E=Ke-/E[a“°(盼)+20/0(5,0)]瓚】w,屮"緘％)
=Ke-^o[a e/e(e,</>)+a0f9(0.<f>)]f arra)r(0.<f>)(〉这表明场强是各个天线阵子场的矢量乘积，因此我们只需要重点研究天线阵子向量因子血计(时)和在K简化时的位置校正因子即可。

其中兀=瓚严"炯-厲(时)=環]W：曲⑻进行矩阵化运算，/arr%，。

)=W T b
W2b=e i b\'
訣2
—
e i^P\ar(^.0)'
e jkp2•%(%)
必.®kpN•a r(e,0)
当有源天线单元(DUT)产生beam pattern为H0V0信号,合成场的方向沿天线单元的法线方向，先单独计算EIRP。

EIRP ho VO=dutRadiatedPower+^antCain+^FSPL
+ReceivingAntGain-t-^calibratedRoute
(10)
对于3.5GHz频段,且结构为8x12天线阵子(spacings：0.7 人&0.51),在2.5米的截面,15x15点的测量网格下，我们可以仿真出。

OM.Jte.M-~—.-Ito
图8不同分辨率下有源天线系统的EIRP的相对分布图
上图左显示在网格尺寸设定为20cm在2.8mx2.8m的平面上,0表示EIRP的最大值，其他值是与最大值的偏差,-120表示低于-30dBo从中可以看到最大值在DUT法线方向，也可以仿真出多个旁瓣的EIRP值。

上图中显示在网格尺寸设定为7cm在lmxlm的平面上，主瓣的EIRP强度分布，上图右进一步展示了网格尺寸为2cm的情况下,28cm x28cm的平面上的EIRP分布。

以上仿真可以看出，在2.5m的测量距离情况下，当接收天线的指向精度好于+-6cm,那么对于H0V0的EIRP的测量误差将小于0.5dB…
2.2工程验证
工程实践上，设计的测量系统特别是接收天线部分比较容易满足+-lcm的定位控制精度，这样对于EIRP的测量的稳定性的影响因素来说，可以忽略。

实现中，此系统对于有源天线单元的极化损耗比较敏感,若釆用单极化接收天线，当有源天线单元釆用+-45。

正交双极化信号时，不存在极化误差的情况下，单极化接收天线将有3.01dB的恒定的损耗值;当有源天线单元存在极化误差时(e.g. a+p=90,a=40°,p=50°)。

H_pol=10x log((cosa)A2)V_pol=10x log((cosp)A2)
EIRP=EIRPpi+EIRPp2=P p i x Gpl+Pp2x G p2
EIRP—EIRP p iA+EIRP p ib=>EIRP—P p ia x G»*+P p ib x G p ib =P a x G a+P b x G b
这里pl和P2为正交极化，假定输出功率相等Ppi=Pp2。

损耗将达到2.3dB和3.8dB,即5。

的信源极化偏差将引起1.5dB 的差异，10啲极化偏差将引入3.1dB的巨大差异。

因此当釆用双极化测量接收天线，5。

的极化偏差仅有0.03dB的误差，10。

的极化偏差仅有0.13dB的影响。

工程上推荐使用双极化接收天线消除极化误差在测量端的影响。

此外工程实践上,将大规模天线阵列分组，以减少分组后的天线等效尺寸D,降低稳定场测试距离上的要求，并釆用多探头的方式提高测试效率和稳定性。

实践测量结果如下：
测谊实践双极化+45。

极化■45。

极化
远场參考72.327dBm66.062dbm66.615dBm
腹一次测试72.038dBm65.793dBm66.436dBm
第二次测试72.157dBm65.927dBm66.474dBm
第三次测试72.154dBm65.932dBm66.539dBm
第二台DUT72.08dBm65.842dBm66.386dBm
3结语
本文对近场情况下的5GNR有源天线系统的OTA测试进行探讨，理论分析了测量稳定性的关键因素,并进行了详细的系统仿真,提出解决方案，工程上实现了稳定、高效的5G有源天线系统的OTA测量，同时对工程要点进行简要总结，为当前和未来的5G基站天线OTA测试提供参考。

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隹Isl^iSls V1
2021年第02期
(总第218期) V2X PKI信任模型研究分析
赵万里
(中汽数据有限公司，天津300393)
摘要:信任模型是建立公钥基础设施信任体系的基础，决定着在构建整个PKI信任体系及进行跨域认证的技术框架。

在车联网V2X PKI体系中，建立不同CA之间的信任模型，解决CA之间的互信互认是车联网V2X PKI大规模商用必须解决的问题。

文章通过深入分析常见的几种CA信任模型的基础上，结合欧美V2X PKI信任模型的比较，并结合我国PKI标准及行业发展现状,对我国V2X PKI的网络信任模型进行了分析并提出建议。

关键词:公钥基础设施;认证;信任;信任模型;V2X
中图分类号:TN918文献标识码:B文章编号：2096-9759(2021)02-0019-04
Analysis and Research on Network Trust Models Based on V2X PKI
ZhaoWanU
(Automotive Data of China Co.,Ltd,Tianjing300393)
Abstract:The trust model is the basis for establishing a public key infrastructure trust system,which determines the technical framework for building the entire PKI trust system and cross-domain authentication.In the V2X PKI system,establishing a trust model between different CAs and solving the mutual trust and mutual recognition between CAs is a problem that must be solved for large-scale commercial use of V2X PKI.Based on the in-depth analysis of several common CA trust models, combined with the comparison of European and American V2X PKI trust models,and combined with my country?s PKI stan­dards and industry development status,this paper analyzes the network trust model of m y country's V2X PKI and makes re­commendations.
Key words:PKI;certificate;trust;trust model；V2X
0引言
目前，汽车行业面临车联网网络安全的问题日益突出，要解决这些问题，必须先解决车联网网络通信实体身份认证的问题。

建设基于密码技术的公钥基础设施(PKI)是实现网络安全身份认证的主流技术。

公钥基础设施目前已广泛应用于电子政务、电子商务、金融等各行业和领域，用以解决互联网网络条件下的身份认证问题，车联网网络安全亦可通过建立汽车行业公钥基础设施，为汽车行业提供电子认证服务来确保车联网网络通信过程中各实体身份的合法性。

特别是解决V2X网络中身份信任及通信中的信息安全问题，这就需要不同网联汽车之间的车联网PKI能够互通互认，还需要汽车行业PKI能实现与交通部、公安部等行业的PKI 互信互认,这样才能构建“人-车-路-云”车联网网络信任体系，实现智能网联汽车的车路协同。

因此，如何基于传统的PKI 技术及网络信任模型，构建满足V2X安全需求的网络信任体系，是V2X大规模商用亟需解决的课题。

PKI信任模型是实现PKI进行跨域认证、实现互通互认的理论基础。

通过研究分析PKI信任模型原理及各自优缺点，结合欧洲与美国V2X PKI信任模型构建，分析了我国V2X PKI 所釆用的信任列表信任模型的原因及建议。

1PKI信任模型分析
目前，基于PKI的信任模型主要包括层次结构模型、信任列表模型、桥CA模型等几种。

在构造一个具体的PKI时，根据CA的组织结构及管理方式不同，会釆用不同的信任模型。

1.1层次结构信任模型
层次结构信任模型是一个倒状的树型结构叫是由根CA,及在根CA的下面的子CA以树形的方式构成,其中叶子节点是用户数字证书。

在该模型中，根CA在整个PKI域内的信任锚，是所有信任关系建立的基石，所有要建立信任关系的实体都要通过各级的证书链来逐一追溯到根CA证书。

根CA下级子CA都是由其进行安全策略进行签发，子CA的下级CA或证书是由其签发,这样就形成了严格层次结构的逐级信任关系，完成整个信任模型的建立。

该信任模型的框架如图］所示。

收稿日期=2020-12-14
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19。