引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，汽車已經(jīng)不是一個(gè)普通的代步工具，而日益成為集各種娛樂、安全駕駛、移動辦公室等為一體的智能化座駕。因而對車載通信系統(tǒng)提出了更高的技術(shù)要求：數(shù)據(jù)吞吐率高、帶寬大、時(shí)延低、通信連接可靠性高。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的無線通信技術(shù)在整車系統(tǒng)中的重要性越來越突顯。整車無線通信集成了4G/5G、Wi-Fi、藍(lán)牙、GNSS/A-GNSS、C-V2X等多種無線通信技術(shù)，而為了評測真實(shí)工況下的智能網(wǎng)聯(lián)汽車無線通信性能，各種整車無線通信（OTA）測量實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生。目前主要的技術(shù)方案有：直接遠(yuǎn)場、近遠(yuǎn)場變換和間接遠(yuǎn)場（緊縮場）。但限于傳統(tǒng)的測量技術(shù)非常復(fù)雜，且對測試環(huán)境有比較高的要求，基礎(chǔ)設(shè)施造價(jià)高，使用起來很耗時(shí)，只有少數(shù)大型汽車制造商投資了全電波暗室OTA測試系統(tǒng)來測量整車天線性能和通信連接性能。為此， RanLOS測試系統(tǒng)代表了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且易于使用的替代方案。RanLOS系統(tǒng)可以在整車開發(fā)過程中持續(xù)使用，以保證最終產(chǎn)品的可靠性和卓越性能。

本文介紹了RanLOS 測試系統(tǒng)背后的理念和技術(shù)，以及它如何使汽車制造商能夠以經(jīng)濟(jì)高效的方式實(shí)現(xiàn)測量整車天線輻射方向圖和無線通信性能（OTA） 數(shù)據(jù)吞吐量。

背景

雖然在通信行業(yè)中測試無線通信系統(tǒng)以提高質(zhì)量和確保性能已變得很普遍，但在汽車行業(yè)尚未建立無線通信功能的測試方法。當(dāng)測試車載無線通信設(shè)備時(shí)，需要對汽車整車上配備的所有通信設(shè)備進(jìn)行測試，而不是對某一單體設(shè)備進(jìn)行測試。此外，汽車制造商正在尋求一種實(shí)用的測試方法，模擬實(shí)際交通環(huán)境和條件，例如汽車接近十字路口，以再現(xiàn)更逼真的通信場景。

RanLOS，是基于Kildal 教授關(guān)于RIMP（同向多徑）和 LOS （視距通信）兩種邊緣環(huán)境的測試?yán)碚摱鴦?chuàng)立的1 ， 該理論假設(shè)所有真實(shí)環(huán)境都可以被描述為介于這兩種邊緣環(huán)境之間的場景，如果一個(gè)設(shè)備在兩個(gè)邊緣環(huán)境中都表現(xiàn)良好，那么它在實(shí)際環(huán)境中也會表現(xiàn)良好。此外，如果設(shè)備在兩個(gè)邊緣環(huán)境中的任何一個(gè)環(huán)境中表現(xiàn)不佳，它在實(shí)際環(huán)境中的表現(xiàn)可能并不好，或者至少不如在兩個(gè)邊緣環(huán)境中表現(xiàn)更好的設(shè)備2。RanLOS專家團(tuán)隊(duì)一直在進(jìn)行整車通信理論研究和測試系統(tǒng)開發(fā)工作 3 。 Fig.  1為用于車輛應(yīng)用和小型毫米波設(shè)備的 無線通信OTA 測量系統(tǒng)最新產(chǎn)品。

Fig. 1 RanLOS 整車OTA測試系統(tǒng)

RANLOS 測試系統(tǒng)和應(yīng)用

 RanLOS測試系統(tǒng)由一個(gè)圓柱形反射器組成，該反射器由雙極化天線的線性陣列饋源，以及用于控制測量儀器和其他外圍設(shè)備的軟件等系統(tǒng)組成。支持的測量儀器包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）和通信測試儀。

外圍設(shè)備的一個(gè)例子是轉(zhuǎn)臺，它也可以是 3D 定位器。該軟件控制測量步驟并收集測量數(shù)據(jù)，并以不同的方式執(zhí)行后處理和可視化結(jié)果。饋源陣列易于更換，能夠覆蓋 0.75 至 6 GHz 頻段，這是當(dāng)今車輛通信系統(tǒng)最廣泛使用的頻率，它需要三個(gè)饋源陣列，分別對應(yīng)三個(gè)頻段為0.75-1.5 GHz 、1.5-3.0 GHz 和3.0-6.0 GHz ，更高頻率的毫米波饋源陣列已在開發(fā)路線圖上，因此現(xiàn)有客戶可以輕松升級，而無需更換反射器。

RanLOS硬件可以看作是一個(gè)無源的雙端口雙極化天線，可在短距離內(nèi)產(chǎn)生平面波。在功能上，它與傳統(tǒng)通信天線使用的饋電喇叭和球面反射器非常相似。圓柱形反射器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，與雙曲面反射器相比，制造起來更容易、更便宜。它的寬度也是可擴(kuò)展的，可以分段制作。

Fig. 2 RanLOS 整車OTA測試系統(tǒng)

Fig. 2顯示了防風(fēng)雨蓬室外測量裝置， RanLOS 測試系統(tǒng)在被測車輛的前方。車輛放置在轉(zhuǎn)臺上，以便可以在反射器前面旋轉(zhuǎn)。Fig.  2 所示的反射器由四個(gè)部分組成，盡管反射器天線的物理尺寸很大，但它配備了輪子，以便于操作。這樣就可以方便地將反射器推入和推出制造商已有的EMC暗室。RanLOS裝置可以測量現(xiàn)有暗室中的天線性能和通信性能。

RanLOS公司的“整車OTA測試系統(tǒng)”設(shè)計(jì)緊湊且易于安裝，它可以安裝在EMC暗室內(nèi)，產(chǎn)生平行電波磁場，減少地板和墻壁的反射，可以在現(xiàn)有的暗室內(nèi)測試汽車的無線通信性能。此外，如果將汽車放置在帶底盤測功機(jī)的轉(zhuǎn)臺上，可以在行駛、以及運(yùn)行ADAS情景再現(xiàn)模式時(shí)，對V2X無線性能（OTA）進(jìn)行測試。

“整車OTA測試系統(tǒng)”使汽車無線通信性能測試更加高效。它有如下特點(diǎn)：

發(fā)揮現(xiàn)有EMC電波暗室作用，可以對車載無線通信設(shè)備進(jìn)行OTA測試

可測試區(qū)域（直徑2.5m）與汽車車身尺寸相對應(yīng)，可對所有位置的車載天線進(jìn)行測試

與帶底盤測功機(jī)的轉(zhuǎn)臺配合，可在行駛和情景再現(xiàn)模式下進(jìn)行測試

可以整合ADAS測試和V2X通信質(zhì)量評估功能

輕松改變測試頻率（僅更換反射鏡聚焦天線陣列，無需重新對準(zhǔn)）

通過使用現(xiàn)有暗室以降低成本，無需建造新的天線測試暗室。

天線輻射方向圖測量

如Fig. 2所示，被測車輛放置在反射器前面的轉(zhuǎn)臺上。通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，車輛將經(jīng)歷來自不同方向的入射波，模擬 LOS 邊緣環(huán)境。由饋源發(fā)出的球面電波，經(jīng)過反射板后變成平面波，因此會產(chǎn)生遠(yuǎn)場條件，可以測量車載天線的天線增益方向圖等遠(yuǎn)場參數(shù)。通過將 VNA 的一個(gè)端口連接到車輛上的天線，將另一個(gè)端口連接到 RanLOS 系統(tǒng)來測量信號傳輸，從而獲得增益方向圖。測試設(shè)置以及所有連接如Fig. 3所示。

Fig. 3 天線輻射圖測量設(shè)置

饋源陣列有兩個(gè)端口，每個(gè)極化一個(gè)端口。帶 4 端口VNA，可以同時(shí)測量兩個(gè)極化，最多兩個(gè)車載天線。如果需要測量絕對增益值，必須首先使用具有已知增益的參考天線進(jìn)行校準(zhǔn)。

Fig. 4  (a)RanLOS系統(tǒng)測量Polestar頂部單極子

(b) Polestar頂部單極子NF-FF 驗(yàn)證

(c) Polestar 單級子天線增益方向圖

作為與其他測量方法的性能比較，F(xiàn)ig. 4a顯示了RanLOS測量裝置中，在Polestar車頂上放置了單極子天線. 4 Fig. 4b顯示了在丹麥經(jīng)認(rèn)證的近場到遠(yuǎn)場（NF-FF）實(shí)驗(yàn)室測量相同Polestar車身和天線組合。最后，F(xiàn)ig. 4c顯示了兩個(gè)測試裝置在2.6 千兆赫增益方向圖。兩種測試方法之間的一致性非常好。在Fig.4b的NF-FF測量中，在車輛周圍的半球上以點(diǎn)為單位進(jìn)行測量，然后進(jìn)行后期處理（近遠(yuǎn)場變換）以獲得遠(yuǎn)場增益。使用 RanLOS 系統(tǒng)進(jìn)行測量的時(shí)間取決于儀器和轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間。旋轉(zhuǎn)可以以離散的步進(jìn)，也可以連續(xù)步進(jìn)，在這種情況下，測量是動態(tài)進(jìn)行的。在Fig. 4a中的RanLOS簡易帳篷中進(jìn)行測量的時(shí)間不到10分鐘，這意味著RanLOS系統(tǒng)可以用作整車研究開發(fā)的系統(tǒng)工程工具，用于研究天線位置、類型或制造商等因素對性能的影響。

通信連接性能測量

在現(xiàn)代車輛中，天線通常與無線電通信模塊緊密集成，因此我們無法直接連接測量天線增益方向圖所需的天線端口。在這種情況下，通信測試儀連接到 RanLOS系統(tǒng)而不是 VNA ，可以完成OTA特性如吞吐量的測量 。Fig. 5是典型LTE 2×2 MIMO OTA 測量系統(tǒng)設(shè)置。

Fig. 5 天線方向圖測量典型配置

在測量設(shè)置Fig.5中，通信測試儀和RanLOS系統(tǒng)一起工作，充當(dāng)基站向車輛天線和無線電通信模塊（TCU通信控制模塊）發(fā)送數(shù)據(jù)流 ，這是下行鏈路。在上行鏈路，通常被設(shè)置成具有較低的數(shù)據(jù)速率和調(diào)制模式，通過單獨(dú)天線與通信測試儀相連接。在Fig.  6示例 中，測量了2 × 2MIMO LTE 系統(tǒng)的幾個(gè)下行鏈路，吞吐量曲線分別對應(yīng)不同功率與被測車輛在轉(zhuǎn)臺的不同旋轉(zhuǎn)角度。

Fig. 6 功率對車輛旋轉(zhuǎn)角度的下行鏈路吞吐率

每條曲線對應(yīng)于轉(zhuǎn)盤的一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度，代表車輛上接收天線上的不同入射信號路徑。正如預(yù)期的那樣，吞吐量最大值處于功率最大值處。當(dāng)功率降低并且接近無線電通信模塊的靈敏度水平時(shí)，吞吐量很快下降到零，通信連接中斷。從Fig. 6中還可以看出，最佳、最左邊的曲線和最差、最右邊的曲線之間幾乎存在20 dB的差異。在實(shí)踐中，這表明為保持正常通信連接，車輛與基站之間的最大通信距離，會因車輛與基站之間的方向不同而變化。這個(gè)最好和最壞情況的差值轉(zhuǎn)化為距離就會有相當(dāng)大的差異。比如，如果最好的情況下最大通信距離為 10 公里，那么在最壞的情況下通信距離只有大約 1 公里。這是假設(shè)純自由空間中的LOS通信。

如果下行鏈路頻率的電磁干擾來自周圍環(huán)境或車輛內(nèi)部的信號源，則預(yù)計(jì)Fig. 6中的所有曲線都將向右移動。干擾的后果是最大通信距離會更短。如果干擾來自車輛，則通信距離的減少在所有方向上都是相同的，但如果干擾來自周邊環(huán)境，則不一定如此。由于現(xiàn)代車輛中的電子通信和控制單元數(shù)量眾多，因此存在許多可能的干擾源。因此，對于汽車制造商來說，能夠調(diào)查干擾對無線電通信質(zhì)量的潛在影響是很重要的，特別是對于關(guān)乎安全的整個(gè)通信系統(tǒng)。這種研究可以在現(xiàn)有EMC暗室中輕松地完成，并且可以模擬車輛實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

結(jié)論

RanLOS開發(fā)了一種獨(dú)特的專利整車OTA測試系統(tǒng)，包括用于測量整車天線性能指標(biāo)和無線通信質(zhì)量的硬件和軟件。該系統(tǒng)是可移動的，因此可以很容易地在現(xiàn)有的半電波暗室中進(jìn)出，就像許多汽車制造商已經(jīng)擁有的EMC暗室一樣。該系統(tǒng)與大型的全電波OTA實(shí)驗(yàn)室相互輔助，可以對整車天線和OTA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測試對比，是一種簡潔方便的整車研究開發(fā)系統(tǒng)工程工具，可以定期檢測天線性能和通信連接質(zhì)量，特別適應(yīng)于整車測試。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是面向未來的整車OTA測試需求，它可以根據(jù)無線電通信系統(tǒng)如3G、4G或5G以及輔助測試儀表等需求，簡單更換饋源陣列即可擴(kuò)展頻率范圍。

RanLOS系統(tǒng)在TOYO 日本驗(yàn)證測試

TOYO日本OTA測試團(tuán)隊(duì)于2023年10月7日到11日，在日本東京近郊TOKIN暗室，對RanLOS系統(tǒng)進(jìn)行了測試驗(yàn)證，項(xiàng)目包括白噪聲干擾、車輛自身噪聲干擾、車載天線性能（方向圖、安裝位置和接地等影響）、汽車天線+TCU（通信控制單元）無線通信性能評估，并邀請了日本多家企業(yè)OTA系統(tǒng)專家參觀該測試和進(jìn)行技術(shù)交流，參見Fig. 7。

Fig. 7 RanLOS 日本TOKIN暗室驗(yàn)證測試

東揚(yáng)精測系統(tǒng) 作為TOYO日本在中國的子公司，也積極參與RanLOS系統(tǒng)的推廣，并于2023年8月9日-11日 在上海EMC&汽車測試展會上，與多家客戶就該OTA緊縮場解決方案進(jìn)行溝通交流。

東揚(yáng)精測系統(tǒng)（上海）有限公司，為母公司TOYO Corporation（中譯：東陽特克尼卡）100%全資的中國子公司，成立于2010年9月，注冊資金400萬美元。隨著業(yè)務(wù)的迅速擴(kuò)大，2014 年11 月增設(shè)了北京分公司、2022年10月增設(shè)了廣州事務(wù)所。

母公司TOYO Corporation成立于1953年，為東京證券交易所部上市企業(yè)（Code：8151），長期以來，致力于為產(chǎn)業(yè)界提供世界尖端的測量儀器，同時(shí)以公司長年積累的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合用戶需求，積開展測量領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)，為客戶提供各種測量技術(shù)解決方案，支持產(chǎn)業(yè)界和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

引用

1. K.Rosengren 和 P.-S.Kildal，“用于模擬多徑環(huán)境和測試移動電話的小型混響室中平面波角度分布的理論研究”，IEEE 天線和傳播學(xué)會國際研討會，2001 年文摘，第 3 卷，2001 年，第358–361 頁：10.1109/APS.2001.960107。

2. Kildal 和 J. Carlsson，“OTA 測試的新應(yīng)用：RIMP 和純LOS 參考環(huán)境和濕度”，天線和傳播 （EuCAP），第 7 屆歐洲會議，2013 年，第 315-318 頁。

3. M.Schilliger Kildal，隨機(jī)視距空中測量系統(tǒng)，博士論文，查爾姆斯理工大學(xué)，瑞典哥德堡，2020 年。

4. “無線技術(shù)仿真與驗(yàn)證 （SIVERT）”，Vinnova FFI re- port 2017–05502,2021 年 12 月。