5G和自动驾驶：网联及合规性六大测试挑战

当前C-V2X和U-2X网联技术在容量和速度上都不足，无法达到5级自动驾驶车所需的低延迟、多数据网联的要求。5G技术的到来将成为全网联汽车的转折点。
在此文中，我们将探索5G网联技术在测试和合规性方面所面临的挑战。

（SAE 国际汽车工程师学会/3GPP发布的自动驾驶六级分类体系：0级（零自动）-5级（全自动）；汽车行业当前处于1级，目标是推出3级高端量产汽车。）



5G关键要素：频段更高、波束赋形及跟踪

为了提高信道的数据传输量，工程师可选择加大带宽、提高信号强度或降低噪音等方式（图1）。



但是，信号强度有法规上限，噪音处理则受制于技术局限和环境中激增的无线电设备数量。为了应对数据吞吐量问题，实现低延迟目标，5G解决方案着眼于提高频段，实现更大带宽。

提高无线频谱会使得波长变短（厘米级甚至毫米级），而短波长无法长距离传输。为了弥补短波长的不足，5G技术将采用微型天线阵列，动态跟踪天线的传输能力并将能量集中，向单个或既定方向发送强大的波束。

面对如此高的频段和动态化的天线阵列，我们需要采用全新的方法，测试设备是否合规。

测试挑战1  微型高频段天线无法进行传导干扰测试

由于无线电波段资源有限，无线电设备合规与否在于其是否能有效使用波段，确保不同的无线电服务共存并且保证可靠性，例如信号质量、调制带宽传输能力、数据吞吐量等。

一直以来，将同轴电缆和测试设备直接相连，无需天线即可进行一组传导干扰测试，继而判断无线电设备是否合规，大部分的合规测试都如此进行。辐射测试仅适用于具有集成天线特性的设备。

发射5G高频段信号的天线（1厘米甚至更短的波长）数量众多且紧凑排布，集成在一起时，设备中就不会有传导干扰测试所需的天线连接器。此外，由于波束赋形不同，某一天线上的测试和所有天线上的测试不一样。

因此，实验室无法使用无线电频率传导干扰测试，进行合规测试。下一代高频段5G设备需要开展针对辐射发射测试的OTA测试。


测试挑战2  针对高频段OTA测试采用的黑盒vs白盒测试

开展OTA测试有两种手段：白盒或黑盒测试（见图2）。黑盒测试前无需了解天线或辐射元件的位置。因此，设备中的所有元件被视为一个辐射元件。白盒测试前则需要提前知晓天线在设备中的确切位置。



针对低频段信号时，由于天线位置和设备形状不是最主要的，白盒和黑盒测试结果往往相似。直到现在，合规测试仍采用黑盒方法。

对于下一代高频段5G天线阵列而言，知道天线的位置，是有效降低高频信号带来的测试不确定性的关键。测试用小型设备（见图2）同样有助于减少远场条件下的测试距离， 如下文挑战6所述。虽然到底采用哪种方法，技术委员会依旧在探讨，但白盒测试似乎是最合适的方法。


测试挑战3  具有多波束和跟踪功能的动态天线

从合规角度来看，测试挑战来源于动态使用行为下的测试环境要求，但这对于确保设备是否合规至关重要。波束能以多快的速度更新其位置，修改指其角度焦点，提高波束传输质量，这点至关重要，这需要于法规制定者作出回应。（见图3）



测试挑战4  测试3D空间内的传输能力

就当前技术而言，针对任意既定方向最大传输能力的有效全效辐射功率（EIRP）测试，足以应对合规测试。但对5G而言，法规制定者正在追求一种结合传统EIRP测试和新的总辐射功率（TRP）测试的全新测试方法，旨在测试所有方向上的平均传输能力。

就理论而言，要捕捉所有3D方向需要开展无数次TRP测试，出于实际考虑，实验室只进行抽样测试。（见图4）



虽然技术上有效，但TRP耗费时间而且需要进行上万次测试。例如，4G手机只需进行一次人工EIRP测试，但在3D空间中，TRP仅仅扫描0.5º一个频点就要高达259,200次测试。即使全部采用最先进的自动设备，仅仅上述这一项测试项目就需要花费几天时间。

为了解决这一局限，减少测试时间，工程师已经开发出先进的波束搜索引擎，能够在相关空间坐标中，根据数据计算开展测试。事实上，Applus+IDIADA通过提供其实验室中研发测试的数据，正在和技术委员会一起制定相关规范。


测试挑战5  3D空间中的杂散测试

辐射杂散测试则是另一项要求的测试项目。该测试对象为所发信号频段带宽之外的意外辐射，测试需要考虑设备的波束赋形。合规测试要求分析所有可能方向上的杂散贡献量。显然，这会对测试活动的复杂性和周期造成影响。



测试挑战6  满足远场条件要求的测试准备-测试距离、样品尺寸和测试频段

辐射场强度随距离减弱，高频段信号衰减更快。为了确保结果的准确性，必须在特点的距离，即所谓的远场条件下进行OTA测试。

远场距离直接由两个概念决定，样品尺寸和测试频段。提高设备样品尺寸或运行频段将使得测试距离变长。运用这一方法，典型的20厘米长的通信控制单元（TCU）在高频段工作时，需要更长的测试距离。（如图6）



面对长距离要求，远场测试需要使可用于整车测试的大型半消声室。而只有专业的测试实验室和研发中心才设有消声室设施。

如上所述，直接远场测试（DFF）是进行OTA测试的传统标准做法，但是该方法无法满足高频段设备远场条件下的距离要求，而且需要进行大量时间的校正工作，弥补信号损失。

为了补充DFF流程，标准机构3GPP正在考虑非直接远场（IFF）测试，以减少测试距离。这包括建立一个平面波长，其中反射器所处空间比DFF中的空间小。此外，3GPP还在尝试近场到远场（NFTF）测试。该测试依靠数学转换，通过近场测试估算远场距离。（图7）



然而，该测试设置具有不确定性。为了获得准确的数据，关键是控制这些替代试验方法相关的不定区间。这就需要我们对结果有信心，否则，任何测试努力和结果都将受到质疑。

总结

5G将推动全自动汽车发展。在Applus+IDIADA 实验室，我们的工程师已开始探索网联技术中出现的根本性变化。我们的团队正在新一代测试方法设计领域开展合作，以便进行即将到来的网联技术合规测试。

为了使得5G部件实现多数据网联功能，高频段和动态波束天线正在部署之中。作为关键要素，它们的属性将不断改变测试方法，包括新增测试情况、延长测试环节，推出先进的测试设备。

5G技术少不了新的专业技术、新的测试场地和设备。无论是独立的还是自有测试实验室，它们都将适应测试方法领域的变革，并为之做好准备。