引言

随着互联网、物联网、无线通信技术的不断发展进步，汽车已经不是一个普通的代步工具，而日益成为集各种娱乐、安全驾驶、移动办公室等为一体的智能化座驾。因而对车载通信系统提出了更高的技术要求：数据吞吐率高、带宽大、时延低、通信连接可靠性高。

智能网联汽车中的无线通信技术在整车系统中的重要性越来越突显。整车无线通信集成了4G/5G、Wi-Fi、蓝牙、GNSS/A-GNSS、C-V2X等多种无线通信技术，而为了评测真实工况下的智能网联汽车无线通信性能，各种整车无线通信（OTA）测量实验室应运而生。目前主要的技术方案有：直接远场、近远场变换和间接远场（紧缩场）。但限于传统的测量技术非常复杂，且对测试环境有比较高的要求，基础设施造价高，使用起来很耗时，只有少数大型汽车制造商投资了全电波暗室OTA测试系统来测量整车天线性能和通信连接性能。为此， RanLOS测试系统代表了一种经济实惠且易于使用的替代方案。RanLOS系统可以在整车开发过程中持续使用，以保证最终产品的可靠性和卓越性能。

本文介绍了RanLOS 测试系统背后的理念和技术，以及它如何使汽车制造商能够以经济高效的方式实现测量整车天线辐射方向图和无线通信性能（OTA） 数据吞吐量。

背景

虽然在通信行业中测试无线通信系统以提高质量和确保性能已变得很普遍，但在汽车行业尚未建立无线通信功能的测试方法。当测试车载无线通信设备时，需要对汽车整车上配备的所有通信设备进行测试，而不是对某一单体设备进行测试。此外，汽车制造商正在寻求一种实用的测试方法，模拟实际交通环境和条件，例如汽车接近十字路口，以再现更逼真的通信场景。

RanLOS，是基于Kildal 教授关于RIMP（同向多径）和 LOS （视距通信）两种边缘环境的测试理论而创立的1 ， 该理论假设所有真实环境都可以被描述为介于这两种边缘环境之间的场景，如果一个设备在两个边缘环境中都表现良好，那么它在实际环境中也会表现良好。此外，如果设备在两个边缘环境中的任何一个环境中表现不佳，它在实际环境中的表现可能并不好，或者至少不如在两个边缘环境中表现更好的设备2。RanLOS专家团队一直在进行整车通信理论研究和测试系统开发工作 3 。 Fig.  1为用于车辆应用和小型毫米波设备的 无线通信OTA 测量系统最新产品。

Fig. 1 RanLOS 整车OTA测试系统

RANLOS 测试系统和应用

 RanLOS测试系统由一个圆柱形反射器组成，该反射器由双极化天线的线性阵列馈源，以及用于控制测量仪器和其他外围设备的软件等系统组成。支持的测量仪器包括矢量网络分析仪（VNA）和通信测试仪。

外围设备的一个例子是转台，它也可以是 3D 定位器。该软件控制测量步骤并收集测量数据，并以不同的方式执行后处理和可视化结果。馈源阵列易于更换，能够覆盖 0.75 至 6 GHz 频段，这是当今车辆通信系统最广泛使用的频率，它需要三个馈源阵列，分别对应三个频段为0.75-1.5 GHz 、1.5-3.0 GHz 和3.0-6.0 GHz ，更高频率的毫米波馈源阵列已在开发路线图上，因此现有客户可以轻松升级，而无需更换反射器。

RanLOS硬件可以看作是一个无源的双端口双极化天线，可在短距离内产生平面波。在功能上，它与传统通信天线使用的馈电喇叭和球面反射器非常相似。圆柱形反射器的一个优点是，与双曲面反射器相比，制造起来更容易、更便宜。它的宽度也是可扩展的，可以分段制作。

Fig. 2 RanLOS 整车OTA测试系统

Fig. 2显示了防风雨蓬室外测量装置， RanLOS 测试系统在被测车辆的前方。车辆放置在转台上，以便可以在反射器前面旋转。Fig.  2 所示的反射器由四个部分组成，尽管反射器天线的物理尺寸很大，但它配备了轮子，以便于操作。这样就可以方便地将反射器推入和推出制造商已有的EMC暗室。RanLOS装置可以测量现有暗室中的天线性能和通信性能。

RanLOS公司的“整车OTA测试系统”设计紧凑且易于安装，它可以安装在EMC暗室内，产生平行电波磁场，减少地板和墙壁的反射，可以在现有的暗室内测试汽车的无线通信性能。此外，如果将汽车放置在带底盘测功机的转台上，可以在行驶、以及运行ADAS情景再现模式时，对V2X无线性能（OTA）进行测试。

“整车OTA测试系统”使汽车无线通信性能测试更加高效。它有如下特点：

发挥现有EMC电波暗室作用，可以对车载无线通信设备进行OTA测试

可测试区域（直径2.5m）与汽车车身尺寸相对应，可对所有位置的车载天线进行测试

与带底盘测功机的转台配合，可在行驶和情景再现模式下进行测试

可以整合ADAS测试和V2X通信质量评估功能

轻松改变测试频率（仅更换反射镜聚焦天线阵列，无需重新对准）

通过使用现有暗室以降低成本，无需建造新的天线测试暗室。

天线辐射方向图测量

如Fig. 2所示，被测车辆放置在反射器前面的转台上。通过旋转转台，车辆将经历来自不同方向的入射波，模拟 LOS 边缘环境。由馈源发出的球面电波，经过反射板后变成平面波，因此会产生远场条件，可以测量车载天线的天线增益方向图等远场参数。通过将 VNA 的一个端口连接到车辆上的天线，将另一个端口连接到 RanLOS 系统来测量信号传输，从而获得增益方向图。测试设置以及所有连接如Fig. 3所示。

Fig. 3 天线辐射图测量设置

馈源阵列有两个端口，每个极化一个端口。带 4 端口VNA，可以同时测量两个极化，最多两个车载天线。如果需要测量绝对增益值，必须首先使用具有已知增益的参考天线进行校准。

Fig. 4  (a)RanLOS系统测量Polestar顶部单极子

(b) Polestar顶部单极子NF-FF 验证

(c) Polestar 单级子天线增益方向图

作为与其他测量方法的性能比较，Fig. 4a显示了RanLOS测量装置中，在Polestar车顶上放置了单极子天线. 4 Fig. 4b显示了在丹麦经认证的近场到远场（NF-FF）实验室测量相同Polestar车身和天线组合。最后，Fig. 4c显示了两个测试装置在2.6 千兆赫增益方向图。两种测试方法之间的一致性非常好。在Fig.4b的NF-FF测量中，在车辆周围的半球上以点为单位进行测量，然后进行后期处理（近远场变换）以获得远场增益。使用 RanLOS 系统进行测量的时间取决于仪器和转台旋转一圈的时间。旋转可以以离散的步进，也可以连续步进，在这种情况下，测量是动态进行的。在Fig. 4a中的RanLOS简易帐篷中进行测量的时间不到10分钟，这意味着RanLOS系统可以用作整车研究开发的系统工程工具，用于研究天线位置、类型或制造商等因素对性能的影响。

通信连接性能测量

在现代车辆中，天线通常与无线电通信模块紧密集成，因此我们无法直接连接测量天线增益方向图所需的天线端口。在这种情况下，通信测试仪连接到 RanLOS系统而不是 VNA ，可以完成OTA特性如吞吐量的测量 。Fig. 5是典型LTE 2×2 MIMO OTA 测量系统设置。

Fig. 5 天线方向图测量典型配置

在测量设置Fig.5中，通信测试仪和RanLOS系统一起工作，充当基站向车辆天线和无线电通信模块（TCU通信控制模块）发送数据流 ，这是下行链路。在上行链路，通常被设置成具有较低的数据速率和调制模式，通过单独天线与通信测试仪相连接。在Fig.  6示例 中，测量了2 × 2MIMO LTE 系统的几个下行链路，吞吐量曲线分别对应不同功率与被测车辆在转台的不同旋转角度。

Fig. 6 功率对车辆旋转角度的下行链路吞吐率

每条曲线对应于转盘的一个旋转角度，代表车辆上接收天线上的不同入射信号路径。正如预期的那样，吞吐量最大值处于功率最大值处。当功率降低并且接近无线电通信模块的灵敏度水平时，吞吐量很快下降到零，通信连接中断。从Fig. 6中还可以看出，最佳、最左边的曲线和最差、最右边的曲线之间几乎存在20 dB的差异。在实践中，这表明为保持正常通信连接，车辆与基站之间的最大通信距离，会因车辆与基站之间的方向不同而变化。这个最好和最坏情况的差值转化为距离就会有相当大的差异。比如，如果最好的情况下最大通信距离为 10 公里，那么在最坏的情况下通信距离只有大约 1 公里。这是假设纯自由空间中的LOS通信。

如果下行链路频率的电磁干扰来自周围环境或车辆内部的信号源，则预计Fig. 6中的所有曲线都将向右移动。干扰的后果是最大通信距离会更短。如果干扰来自车辆，则通信距离的减少在所有方向上都是相同的，但如果干扰来自周边环境，则不一定如此。由于现代车辆中的电子通信和控制单元数量众多，因此存在许多可能的干扰源。因此，对于汽车制造商来说，能够调查干扰对无线电通信质量的潜在影响是很重要的，特别是对于关乎安全的整个通信系统。这种研究可以在现有EMC暗室中轻松地完成，并且可以模拟车辆实际运行状态。

结论

RanLOS开发了一种独特的专利整车OTA测试系统，包括用于测量整车天线性能指标和无线通信质量的硬件和软件。该系统是可移动的，因此可以很容易地在现有的半电波暗室中进出，就像许多汽车制造商已经拥有的EMC暗室一样。该系统与大型的全电波OTA实验室相互辅助，可以对整车天线和OTA系统进行数据测试对比，是一种简洁方便的整车研究开发系统工程工具，可以定期检测天线性能和通信连接质量，特别适应于整车测试。该系统设计是面向未来的整车OTA测试需求，它可以根据无线电通信系统如3G、4G或5G以及辅助测试仪表等需求，简单更换馈源阵列即可扩展频率范围。

RanLOS系统在TOYO 日本验证测试

TOYO日本OTA测试团队于2023年10月7日到11日，在日本东京近郊TOKIN暗室，对RanLOS系统进行了测试验证，项目包括白噪声干扰、车辆自身噪声干扰、车载天线性能（方向图、安装位置和接地等影响）、汽车天线+TCU（通信控制单元）无线通信性能评估，并邀请了日本多家企业OTA系统专家参观该测试和进行技术交流，参见Fig. 7。

Fig. 7 RanLOS 日本TOKIN暗室验证测试

东扬精测系统 作为TOYO日本在中国的子公司，也积极参与RanLOS系统的推广，并于2023年8月9日-11日 在上海EMC&汽车测试展会上，与多家客户就该OTA紧缩场解决方案进行沟通交流。

东扬精测系统（上海）有限公司，为母公司TOYO Corporation（中译：东阳特克尼卡）100%全资的中国子公司，成立于2010年9月，注册资金400万美元。随着业务的迅速扩大，2014 年11 月增设了北京分公司、2022年10月增设了广州事务所。

母公司TOYO Corporation成立于1953年，为东京证券交易所部上市企业（Code：8151），长期以来，致力于为产业界提供世界尖端的测量仪器，同时以公司长年积累的经验为基础，结合用户需求，积开展测量领域的技术研发，为客户提供各种测量技术解决方案，支持产业界和科学技术的进步与发展。

引用

1. K.Rosengren 和 P.-S.Kildal，“用于模拟多径环境和测试移动电话的小型混响室中平面波角度分布的理论研究”，IEEE 天线和传播学会国际研讨会，2001 年文摘，第 3 卷，2001 年，第358–361 页：10.1109/APS.2001.960107。

2. Kildal 和 J. Carlsson，“OTA 测试的新应用：RIMP 和纯LOS 参考环境和湿度”，天线和传播 （EuCAP），第 7 届欧洲会议，2013 年，第 315-318 页。

3. M.Schilliger Kildal，随机视距空中测量系统，博士论文，查尔姆斯理工大学，瑞典哥德堡，2020 年。

4. “无线技术仿真与验证 （SIVERT）”，Vinnova FFI re- port 2017–05502,2021 年 12 月。