從現在到2030年，5G將持續保有世界上最重要的蜂窩技術的主導地位。在接下來的10年裡，原始設備製造商必須不斷創新，以便他們能夠繼續滿足對更快、更廣泛和更可靠連接的需求。憑藉更快的速度和超低延遲，新的5G無線電網絡已經在許多應用市場中運作，包括汽車、工業、醫療和國防等。

5G帶來的改變

5G無線電網路帶來了主要的頻域挑戰和架構變化。5G頻率範圍包括低頻段（低於6 GHz）和高頻段毫米波（24 GHz至100 GHz範圍）。電路架構的挑戰在於在管理系統級電源的同時，還增加了網路上的通道數量。

與4G系統相比，5G系統速度快上數百倍，延遲降低10倍，網路密度更高，可支持數十億台設備。例如，透過4G下載一部高清電影需要幾十分鐘，而透過5G下載只需幾秒鐘。4G系統的延遲在50到200毫秒之間，接近人類視覺刺激反應的250毫秒。但使用5G，延遲降至1毫秒。儘管如此，增加的速度和額外的設備及用戶的組合，也大幅地影響了系統功率。

在5G網路中，需要提供更多容量和靈活性，同時降低系統運營費用（OPEX）。增加容量的最簡單方法，是增加網路中的基地台數量。然而，由於這種方法會產生高昂的用地和能源消耗成本，因此接受度十分有限。一種更省時省力的方法，是使用大量具有幅度和相位控制的TX和RX天線元件，也就是發射端與接收端，這些被稱為大規模MIMO系統（Massive MIMO）。有多種方法可以操作此類系統，它們可用於透過空間重複使用來允許多個預編碼數據流，或透過波束成形技術，以及兩者組合等方式來增加增益。

在現有的6GHz以下頻譜中，基地台通常應用大量TX與RX天線元件，來為多個用戶提供並行數據流服務，這就是多用戶MIMO（MU-MIMO）。相比之下，厘米波和毫米波頻譜中的高路徑損耗衰減，需要更高的天線增益，這是透過應用動態波束成形來實現的。MU-MIMO和波束成形等技術都可以在不需要額外基地台的情況下，增加小區域的傳輸容量。

OTA測試挑戰

圖一 : 在NR中，3GPP規範了兩個分離的頻譜，FR1和FR2。在FR1中，一般可能會使用導電測試。但是FR2就必須被迫使用OTA。

在設計大規模MIMO天線系統時，開發工程師面臨新的挑戰，包括功率放大器（PA）的熱效應和模組之間的頻率漂移，這些都會影響所需的波束圖形。在天線系統中，收發器前端與天線陣列整合在一起，這意味著無法再使用傳統的RF輸出接口。此外，光纖接口也取代了傳統RF輸入接口。因此，空口測試（Over The Air；OTA）成為大規模MIMO系統的慣用的測試方式，也用於對傳播信道的空間特性進行建模。由於大規模MIMO系統的大小不同，因此遠場條件下的測試需要多種屏蔽環境。

對於無線通信系統，用戶設備測試在本質上是傳導測量。即使在元件端，RF連接器也可用於測量RF性能。此類指標可分為TX性能參數（例如功率電平、EVM質量或頻譜發射）和RX性能參數（例如接收器靈敏度和選擇性）。天線在整體傳輸性能中也起到了至關重要的作用。

由於晶片組和天線的整合度不斷提高，以及毫米波範圍內使用了更高的頻率，晶片組測試、RF測試和天線特性之間的界限變得模糊。高度整合的天線不再允許對晶片組和天線進行隔離測試。在FR2的高頻波段中，透過電纜連接器的方式不再可行。縮小元件尺寸只會產生很小的影響。相較之下，會產生成本和其他問題相關的重大挑戰，例如路徑衰減、連接器之間的RF匹配，以及連接設置對彎曲的敏感性。測試設置變化的主要原因在於使用者設備（UE）中引入了定向天線。因此，波束成形不再是僅在基地台中才能找到的功能，為此必須創建一個新的測量場域。

比較起時間度量（例如功率與時間）、頻譜度量（例如頻譜發射掩模）和代碼域度量（例如代碼域功率），基於空間域的度量變得很重要。球面輻射方向圖和球面接收器特性等術語，在測試與測量產業中已經司空見慣。天線在無線通信系統中發揮了舉足輕重的作用。現代通信技術使用複雜的方法，例如天線、硬體整合、主動式元件和定向天線等。尤其是在5G NR中的毫米波頻率範圍（FR2）等更高頻率下，由於天線尺寸、電纜成本和設置複雜性，以及彎曲或不匹配的脆弱性，傳統透過纜線來進行DUT測量的方式不再可行。我們甚至可以說，測試的方式發生了典範式的改變。由於導入了定向天線，因此必須在空間域中進行測量，OTA空口測試是必須採用的方法。

OTA測試的重要性

圖二 : OTA已是5G天線測試不可或缺的步驟。圖為OTA測試設備。（source：R&S.com）

為什麼OTA成為5G NR中的一個大挑戰？在5G NR中，3GPP規範中規定了兩個分離的頻譜。一個是FR1（低於6GHz），另一個是FR2（毫米波）。在FR1中，一般可能會像使用 2G、3G、4G技術一樣繼續進行導電測試。但是，在FR2中，就必須被迫使用OTA。這其中牽涉到以下幾個原因。

複雜性

在FR2中，幾乎可以肯定將會使用某種類型的陣列天線（大規模MIMO）。這意味著設備上將有很多天線。如果想進行導電測試，則必須連接數量龐大且複雜的線路，而如果使用OTA，則可以更為簡潔快速的測試。基於測試的時間與成本等考量，採用OTA是最好的方案。

空間不足

有許多理由都必須使用OTA，儘管電纜連接已經夠複雜了，但測試工程師仍將面臨另一個嚴重的問題。即使天線陣列中有許多天線元件，天線模組的整個尺寸在毫米波頻率下也不夠大，無法容納所有電纜連接器。

成本

假設測試中必須使用導電測試，儘管已經存在所有復雜性和空間問題，但在這種情況下，導電測試也存在其他問題。在大多數常規測試中，可能使用了低成本的SMA連接器和電纜。但是，卻無法在毫米波中使用SMA類型的連接器或電纜來進行準確測量。如果頻率更高，這時候便需要K連接器或更特殊的連接器和電纜（例如V連接器)。這些類型的特殊連接器和電纜的成本遠高於那些SMA纜線。如果將來需要使用非常高的頻率（例如超過60GHz），透過OTA會是更好的方法。

測量的物理性質

即使克服了上述所有問題，由於測量本身的性質，某些類型的測量也需要OTA。例如，如果要檢測天線陣列形成的波束方向，就必須依靠OTA測量。儘管可能仍然可以透過導電測試來做到這一點。從理論上講，可以將來自每個天線元件路徑的所有信號降低到基頻帶，並透過基頻來確定波束方向（和波束的其他性質），理論上這是可能的。但是如果有像OTA測試這樣相對簡單的方法，就應該要選擇OTA測試。

結語

5G NR技術推動了對新測試方法的需求。隨著更靈活的參數集、更複雜的波形和通道編碼技術、並擴展到毫米波頻率、更寬的通道頻寬，以及先進的多天線存取機制都在5G裝置中實現，設計人員也必須存取協定堆疊的多個層級，以充分測試傳輸速率和波束成形效能。此外，對OTA測試解決方案的需求也使情況更加複雜化。對於測試業者來說，在早期階段與產業領導者合作，有助於釐清5G NR的複雜性，並進而開發涵蓋整個工作流程的測試解決方案。