NO.68 | 2020.06.30
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5G FR2 OTA 測試技術研析系列-1

<檢測暨網通技術組/蔡奇霖>

  即將來臨的5G世代,5G NR( 5th Generation New Radio)設備,除了原有的4G LTE操作頻段(Frequency Range 1, FR1),更增加了具有高傳輸速率的毫米波操作頻段(Frequency Range 2, FR2),FR1與FR2的詳細頻段繁多,而依據國家通訊傳播委員會(NCC)最新發布我國行動寬頻業務新無線電寬頻終端設備技術規範(PLMN 12),其FR1包含700 MHz頻段、900 MHz頻段、1800 MHz頻段、2100 MHz頻段、2500 MHz、2600 MHz頻段與3500MHz,而FR2則是只有分時雙工(TDD)的28000 MHz頻段;傳統的4G LTE設備可移除天線後,將天線端口連接至頻譜分析儀進行直接傳導量測分析,但具有FR2頻段的5G NR設備具有高度整合(high level of integration)的創新射頻前端(innovative front-end solutions),如:已晶片化多元高頻天線矩陣、被動或主動式的饋入設計,而這導致待測物可能無法將前端電纜接頭外露並與測試設備連接,因此在3GPP技術規範中,FR1主要量測方式是以直接傳導量測,而FR2的主要量測方式則是量測該設備所輻射的電磁場之各項參數(Over The Air, OTA)。

  本文將介紹5G NR UE設備於FR2毫米波頻段的三種OTA量測方式,其量測方法主要源於3GPP TR 38.810 (NR; Study on test methods)。

終端設備類型與功率等級:

  3GPP TR 38.810所定義的OTA量測方式適用於FR2 UE Power Class 3的手持式終端設備(TS 38.101中定義了四種不同的FR2 UE功率等級,不同的UE功率等級具有不同的UE天線設計特性,以及不同的UE最大輸出功率和參考靈敏度要求,詳細請參閱TS 38.101)。如:智慧型手機、固定式無線接取式設備(Fixed Wireless Access, FWA)、平板電腦(Tablets)、穿戴式設備、車載UE(Vehicle Mounted UE)等,而上述終端設備其控制與量測的測試介面(Test Interface, TI)應具有下述功能,可簡化量測方法的複雜性,如:必要的UE波束鎖定功能(UE beam lock function, UBF)與回報同步參考訊號接收功率(Synchronization Signals Reference Signal Received Power per Branch, SS-RSRPB)等功能(不排除其他TI功能);接著我們介紹直接遠場量測法(Direct Far Field, DFF)。

直接遠場量測法(Direct Far Field, DFF)

  直接遠場量測法(Direct Far Field, DFF)的量測設置圖如圖 1中所示,當操作於FR2頻段的UE設備於波束成形時,DFF能夠對其輻射特性進行量測,DFF的適用標準與設置關鍵點如下:

  DFF設置的關鍵點:
  • DFF的遠場標準定義可參閱本文後續之介紹。
  • 需具備一個定位系統,使雙極化特性之量測天線(Dual-polarized Measurement Antenna) 和DUT之間的角度至少具有兩個自由軸,並能保持一種參考極化(Polarization Reference),而鏈路天線(Link Antenna)和DUT之間的角度亦需至少具有兩個自由軸,並同樣能保持一種參考極化,且可獨立於量測天線(Measurement Antenna)的角度控制。
  • 針對UE設置於非獨立(Non-Standalone, NSA)模式、單上行鏈路(one Uplink)的RF特性量測,鏈路天線可提供穩定的LTE鏈路訊號給DUT。
  • 針對量測NR載波聚合(Carrier Aggregation, CA)的模式,如FR1和FR2的跨頻載波聚合(inter-band NR CA),鏈路天線亦可提供穩定且無雜訊的NR FR1鏈接訊號給DUT。
  DFF的適用標準:
  • DUT的輻射孔徑(Radiating Aperture)為D≤5 cm;需注意這裡所指為輻射孔徑,而並非天線尺寸;而輻射孔徑的尺寸主要取決於量測場地的尺寸,當量測環境固定時,輻射孔徑的尺寸會依據該量測場的量測不確定度而有些微變動,詳細可見附錄的表B.1.1.3中評估量測不確定度(Measurement Uncertainty, MU),若不確定度可以進一步優化,則可透過減小不確定度而些微增加輻射孔徑。
  • 可以量測DUT之單個輻射孔徑、多個非相干孔徑(Non-coherent Apertures)、或多個相干孔徑(Multiple Coherent Apertures)。
  • 若將多個相位相干(Phase Coherent)的平板天線(Antenna Panels)定義為一個陣列,則DUT輻射孔徑的標準亦能適用於該陣列。
  • 製造商需要對陣列天線的尺寸進行聲明(風險說明於遠場章節)。
  • 可以量測等效全向輻射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power, EIRP),總輻射功率(Total Radiated Power, TRP),等效全向靈敏度(Effective Isotropic Sensitivity, EIS),誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM),混附發射(Spurious Emissions)和阻塞指標(Blocking Metrics)等。
 
圖1 DFF measurement setup of UE RF characteristics
(資料來源:TR 38.810 Figure 5.2.1.1-1)

 
遠場標準(Far-Field Criteria)

傳統電波暗室中遠場的最小距離R可計算為: ;D是包含DUT輻射體之最小球體的直徑,依據不同天線尺寸和頻率可計算獲得的近/遠場邊界如表1中所示。

 
D Frequency Near/far boundary Path Loss Frequency Near/far boundary Path Loss
5 cm 28 GHz 47 cm 54.8 dB 100 GHz 167 cm 76.9 dB
10 cm 187 cm 66.8 dB 667 cm 88.9 dB
15 cm 420 cm 73.9 dB 1501 cm 96 dB
20 cm 747 cm 78.9 dB 2668 cm 101 dB
25 cm 1167 cm 82.7 dB 4169 cm 105 dB
30 cm 1681 cm 85.9 dB 6004 cm 108 dB
 
表1 Near field/far field boundary for different frequencies and antenna sizes for a traditional far field anechoic chamber
 (資料來源:TR 38.810 Table 5.2.1.2-1)


 
  從表中可以看出,對於較大的天線尺寸以及較高的頻段需要非常大的電波暗室,一般來說,DUT確切的天線尺寸是未知的,並且還取決於其他因素,如:接地面設計所導致的耦合效應等;因此可以使用最大的設備尺寸作為依據(例如對角線);但是即便是相對較小的設備,也會導致需要非常大的電波暗室,因此需要一種實用的方法來確定遠場距離。

  若根據製造商的聲明確定量測距離,將導致的風險為量測距離短於實際遠場,因此有必要進一步研究,是否會因為量測不準確,而導致性能不佳的設備通過測試,如:較短的量測距離是否比實際遠場距離具有更好的量測結果。

  DFF系統的最小量測距離之定義,即靜區(Quiet Zone, QZ)中心至量測天線(Measured Antenna)之間的最小距離,各設置參數如圖 2中所示,靜區中心點至量測天線的距離為RDFF,靜區之半徑為RQZ(需注意靜區必需完整包含待測物(含外殼),因此靜區決定了待測物體積之上限),而DUT內部任何整合陣列天線至量測天線之間的距離必須符合遠場距離為
  
  若待測物之天線孔徑(Antenna Aperture)不在靜區中心點,則需要考慮天線孔徑相對於靜區中心的未知偏移距離,以確保DUT內部任何整合陣列天線符合遠場條件;圖 3中的設置可適用NR FR2 DFF系統中待測物天線位於角落之情況,其中天線的輻射開口直徑為D,該球體包含DUT天線並符合靜區,如上述設置,其所適用之最短遠場距離RDFF為:

 
 
圖2 Illustration of DFF System for range length definition
(資料來源:TR 38.810 Figure 5.2.1.2-2)
 
 
圖3 Illustration of DFF System for minimum range length definition
(資料來源:TR 38.810 Figure 5.2.1.2-3)
 
波束峰值搜索、EIRP、TRP與球面覆蓋(Spherical Coverage)

  波束峰值搜索(The beam peak search)和球形覆蓋(spherical coverage)量測適用於具有不同波束對應能力(beam correspondence capability)的DUT;系統模擬器(System Simulator, SS)應同時存在下行鏈路參考訊號SSB和CSI-RS,並且必須在SSB和CSI-RS之間保持準同位Type D QCL (Quasi Co-Location)。

  透過對DUT進行3D EIRP掃描則可找到波束峰值方向,其網格點的定義可參閱3GPP TR 38.810 附件Annex G.2,並可依據附件定義適用的粗略網格或精細網格,對於網格中的每個點,量測過程都包括以下步驟:
  1. 將DUT安裝在QZ內。
  2. 透過量測天線使DUT與系統模擬器連接,並向量測天線發射波束。
  3. 鎖定波束並於每個上行鏈路調度信息中向UE連續發送功率控制"up" 指令。
  4. 量測調變訊號至功率量測設備(如頻譜分析儀、基站模擬器等)之平均功率Pmeas
  5. 依據訊號路徑損耗LEIRP和量測功率Pmeas,則可計算獲得EIRP。
  6. 於波束峰值方向上找到最
  7. 計算
  8. 使用附件G.1.2中所概述的TRP積分方程式來計算均勻測量網格(Constant Step Size Grid Type)的TRP值。或使用附件G.1.3中的TRP積分方程式來計算恆定密度網格(Constant Density Grid Types)的TRP值。
 
  本文主要針對可操作於FR2毫米波頻段的5G NR終端設備,依據3GPP TR 38.810介紹一種可量測FR2毫米波頻段輻射特性的直接遠場量測法,並詳細討論了DFF各項設置參數以及相關量測定義;而除了直接遠場量測法外,另有間接遠場量測法(Indirect Far Field, IFF)以及近場轉遠場量測法(Near Field to Far Field Transformation, NFTF),其中尤以間接遠場量測法因能大幅減少量測距離(進而縮小電波暗室的尺寸)而蔚為主流,本中心未來亦將建置5G NR FR2間接遠場量測環境,其重要性不言而喻,在接下來幾期的電子報中,我們會詳細介紹間接遠場量測法與近場轉遠場量測法,並持續關注3GPP各項技術規範發展。
 

參考資料:3GPP TR 38.810 V16.5.0 (2019-12)