當(dāng)前C-V2X和U-2X網(wǎng)聯(lián)技術(shù)在容量和速度上都不足，無(wú)法達(dá)到5級(jí)自動(dòng)駕駛車(chē)所需的低延遲、多數(shù)據(jù)網(wǎng)聯(lián)的要求。5G技術(shù)的到來(lái)將成為全網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
在此文中，我們將探索5G網(wǎng)聯(lián)技術(shù)在測(cè)試和合規(guī)性方面所面臨的挑戰(zhàn)。

（SAE 國(guó)際汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)/3GPP發(fā)布的自動(dòng)駕駛六級(jí)分類體系：0級(jí)（零自動(dòng)）-5級(jí)（全自動(dòng)）；汽車(chē)行業(yè)當(dāng)前處于1級(jí)，目標(biāo)是推出3級(jí)高端量產(chǎn)汽車(chē)。）



5G關(guān)鍵要素：頻段更高、波束賦形及跟蹤

為了提高信道的數(shù)據(jù)傳輸量，工程師可選擇加大帶寬、提高信號(hào)強(qiáng)度或降低噪音等方式（圖1）。



但是，信號(hào)強(qiáng)度有法規(guī)上限，噪音處理則受制于技術(shù)局限和環(huán)境中激增的無(wú)線電設(shè)備數(shù)量。為了應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)低延遲目標(biāo)，5G解決方案著眼于提高頻段，實(shí)現(xiàn)更大帶寬。

提高無(wú)線頻譜會(huì)使得波長(zhǎng)變短（厘米級(jí)甚至毫米級(jí)），而短波長(zhǎng)無(wú)法長(zhǎng)距離傳輸。為了彌補(bǔ)短波長(zhǎng)的不足，5G技術(shù)將采用微型天線陣列，動(dòng)態(tài)跟蹤天線的傳輸能力并將能量集中，向單個(gè)或既定方向發(fā)送強(qiáng)大的波束。

面對(duì)如此高的頻段和動(dòng)態(tài)化的天線陣列，我們需要采用全新的方法，測(cè)試設(shè)備是否合規(guī)。

測(cè)試挑戰(zhàn)1  微型高頻段天線無(wú)法進(jìn)行傳導(dǎo)干擾測(cè)試

由于無(wú)線電波段資源有限，無(wú)線電設(shè)備合規(guī)與否在于其是否能有效使用波段，確保不同的無(wú)線電服務(wù)共存并且保證可靠性，例如信號(hào)質(zhì)量、調(diào)制帶寬傳輸能力、數(shù)據(jù)吞吐量等。

一直以來(lái)，將同軸電纜和測(cè)試設(shè)備直接相連，無(wú)需天線即可進(jìn)行一組傳導(dǎo)干擾測(cè)試，繼而判斷無(wú)線電設(shè)備是否合規(guī)，大部分的合規(guī)測(cè)試都如此進(jìn)行。輻射測(cè)試僅適用于具有集成天線特性的設(shè)備。

發(fā)射5G高頻段信號(hào)的天線（1厘米甚至更短的波長(zhǎng)）數(shù)量眾多且緊湊排布，集成在一起時(shí)，設(shè)備中就不會(huì)有傳導(dǎo)干擾測(cè)試所需的天線連接器。此外，由于波束賦形不同，某一天線上的測(cè)試和所有天線上的測(cè)試不一樣。

因此，實(shí)驗(yàn)室無(wú)法使用無(wú)線電頻率傳導(dǎo)干擾測(cè)試，進(jìn)行合規(guī)測(cè)試。下一代高頻段5G設(shè)備需要開(kāi)展針對(duì)輻射發(fā)射測(cè)試的OTA測(cè)試。


測(cè)試挑戰(zhàn)2  針對(duì)高頻段OTA測(cè)試采用的黑盒vs白盒測(cè)試

開(kāi)展OTA測(cè)試有兩種手段：白盒或黑盒測(cè)試（見(jiàn)圖2）。黑盒測(cè)試前無(wú)需了解天線或輻射元件的位置。因此，設(shè)備中的所有元件被視為一個(gè)輻射元件。白盒測(cè)試前則需要提前知曉天線在設(shè)備中的確切位置。



針對(duì)低頻段信號(hào)時(shí)，由于天線位置和設(shè)備形狀不是最主要的，白盒和黑盒測(cè)試結(jié)果往往相似。直到現(xiàn)在，合規(guī)測(cè)試仍采用黑盒方法。

對(duì)于下一代高頻段5G天線陣列而言，知道天線的位置，是有效降低高頻信號(hào)帶來(lái)的測(cè)試不確定性的關(guān)鍵。測(cè)試用小型設(shè)備（見(jiàn)圖2）同樣有助于減少遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的測(cè)試距離， 如下文挑戰(zhàn)6所述。雖然到底采用哪種方法，技術(shù)委員會(huì)依舊在探討，但白盒測(cè)試似乎是最合適的方法。


測(cè)試挑戰(zhàn)3  具有多波束和跟蹤功能的動(dòng)態(tài)天線

從合規(guī)角度來(lái)看，測(cè)試挑戰(zhàn)來(lái)源于動(dòng)態(tài)使用行為下的測(cè)試環(huán)境要求，但這對(duì)于確保設(shè)備是否合規(guī)至關(guān)重要。波束能以多快的速度更新其位置，修改指其角度焦點(diǎn)，提高波束傳輸質(zhì)量，這點(diǎn)至關(guān)重要，這需要于法規(guī)制定者作出回應(yīng)。（見(jiàn)圖3）



測(cè)試挑戰(zhàn)4  測(cè)試3D空間內(nèi)的傳輸能力

就當(dāng)前技術(shù)而言，針對(duì)任意既定方向最大傳輸能力的有效全效輻射功率（EIRP）測(cè)試，足以應(yīng)對(duì)合規(guī)測(cè)試。但對(duì)5G而言，法規(guī)制定者正在追求一種結(jié)合傳統(tǒng)EIRP測(cè)試和新的總輻射功率（TRP）測(cè)試的全新測(cè)試方法，旨在測(cè)試所有方向上的平均傳輸能力。

就理論而言，要捕捉所有3D方向需要開(kāi)展無(wú)數(shù)次TRP測(cè)試，出于實(shí)際考慮，實(shí)驗(yàn)室只進(jìn)行抽樣測(cè)試。（見(jiàn)圖4）



雖然技術(shù)上有效，但TRP耗費(fèi)時(shí)間而且需要進(jìn)行上萬(wàn)次測(cè)試。例如，4G手機(jī)只需進(jìn)行一次人工EIRP測(cè)試，但在3D空間中，TRP僅僅掃描0.5o一個(gè)頻點(diǎn)就要高達(dá)259,200次測(cè)試。即使全部采用最先進(jìn)的自動(dòng)設(shè)備，僅僅上述這一項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目就需要花費(fèi)幾天時(shí)間。

為了解決這一局限，減少測(cè)試時(shí)間，工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的波束搜索引擎，能夠在相關(guān)空間坐標(biāo)中，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算開(kāi)展測(cè)試。事實(shí)上，Applus+IDIADA通過(guò)提供其實(shí)驗(yàn)室中研發(fā)測(cè)試的數(shù)據(jù)，正在和技術(shù)委員會(huì)一起制定相關(guān)規(guī)范。


測(cè)試挑戰(zhàn)5  3D空間中的雜散測(cè)試

輻射雜散測(cè)試則是另一項(xiàng)要求的測(cè)試項(xiàng)目。該測(cè)試對(duì)象為所發(fā)信號(hào)頻段帶寬之外的意外輻射，測(cè)試需要考慮設(shè)備的波束賦形。合規(guī)測(cè)試要求分析所有可能方向上的雜散貢獻(xiàn)量。顯然，這會(huì)對(duì)測(cè)試活動(dòng)的復(fù)雜性和周期造成影響。



測(cè)試挑戰(zhàn)6  滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件要求的測(cè)試準(zhǔn)備-測(cè)試距離、樣品尺寸和測(cè)試頻段

輻射場(chǎng)強(qiáng)度隨距離減弱，高頻段信號(hào)衰減更快。為了確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須在特點(diǎn)的距離，即所謂的遠(yuǎn)場(chǎng)條件下進(jìn)行OTA測(cè)試。

遠(yuǎn)場(chǎng)距離直接由兩個(gè)概念決定，樣品尺寸和測(cè)試頻段。提高設(shè)備樣品尺寸或運(yùn)行頻段將使得測(cè)試距離變長(zhǎng)。運(yùn)用這一方法，典型的20厘米長(zhǎng)的通信控制單元（TCU）在高頻段工作時(shí)，需要更長(zhǎng)的測(cè)試距離。（如圖6）



面對(duì)長(zhǎng)距離要求，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試需要使可用于整車(chē)測(cè)試的大型半消聲室。而只有專業(yè)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室和研發(fā)中心才設(shè)有消聲室設(shè)施。

如上所述，直接遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試（DFF）是進(jìn)行OTA測(cè)試的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)做法，但是該方法無(wú)法滿足高頻段設(shè)備遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的距離要求，而且需要進(jìn)行大量時(shí)間的校正工作，彌補(bǔ)信號(hào)損失。

為了補(bǔ)充DFF流程，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)3GPP正在考慮非直接遠(yuǎn)場(chǎng)（IFF）測(cè)試，以減少測(cè)試距離。這包括建立一個(gè)平面波長(zhǎng)，其中反射器所處空間比DFF中的空間小。此外，3GPP還在嘗試近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)（NFTF）測(cè)試。該測(cè)試依靠數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，通過(guò)近場(chǎng)測(cè)試估算遠(yuǎn)場(chǎng)距離。（圖7）



然而，該測(cè)試設(shè)置具有不確定性。為了獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，關(guān)鍵是控制這些替代試驗(yàn)方法相關(guān)的不定區(qū)間。這就需要我們對(duì)結(jié)果有信心，否則，任何測(cè)試努力和結(jié)果都將受到質(zhì)疑。

總結(jié)

5G將推動(dòng)全自動(dòng)汽車(chē)發(fā)展。在Applus+IDIADA 實(shí)驗(yàn)室，我們的工程師已開(kāi)始探索網(wǎng)聯(lián)技術(shù)中出現(xiàn)的根本性變化。我們的團(tuán)隊(duì)正在新一代測(cè)試方法設(shè)計(jì)領(lǐng)域開(kāi)展合作，以便進(jìn)行即將到來(lái)的網(wǎng)聯(lián)技術(shù)合規(guī)測(cè)試。

為了使得5G部件實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)網(wǎng)聯(lián)功能，高頻段和動(dòng)態(tài)波束天線正在部署之中。作為關(guān)鍵要素，它們的屬性將不斷改變測(cè)試方法，包括新增測(cè)試情況、延長(zhǎng)測(cè)試環(huán)節(jié)，推出先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備。

5G技術(shù)少不了新的專業(yè)技術(shù)、新的測(cè)試場(chǎng)地和設(shè)備。無(wú)論是獨(dú)立的還是自有測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，它們都將適應(yīng)測(cè)試方法領(lǐng)域的變革，并為之做好準(zhǔn)備。