引言
隨著互聯網、物聯網、無線通信技術的不斷發展進步，汽車已經不是一個普通的代步工具，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提出了更高的技術要求：數據吞吐率高、帶寬大、時延低、通信連接可靠性高。
智能網聯汽車中的無線通信技術在整車系統中的重要性越來越突顯。整車無線通信集成了4G/5G、Wi-Fi、藍牙、GNSS/A-GNSS、C-V2X等多種無線通信技術，而為了評測真實工況下的智能網聯汽車無線通信性能，各種整車無線通信（OTA）測量實驗室應運而生。目前主要的技術方案有：直接遠場、近遠場變換和間接遠場（緊縮場）。但限于傳統的測量技術非常復雜，且對測試環境有比較高的要求，基礎設施造價高，使用起來很耗時，只有少數大型汽車制造商投資了全電波暗室OTA測試系統來測量整車天線性能和通信連接性能。為此， RanLOS測試系統代表了一種經濟實惠且易于使用的替代方案。RanLOS系統可以在整車開發過程中持續使用，以保證終產品的可靠性和卓越性能。
本文介紹了RanLOS 測試系統背后的理念和技術，以及它如何使汽車制造商能夠以經濟高效的方式實現測量整車天線輻射方向圖和無線通信性能?（OTA）?數據吞吐量。
背景
雖然在通信行業中測試無線通信系統以提高質量和確保性能已變得很普遍，但在汽車行業尚未建立無線通信功能的測試方法。當測試車載無線通信設備時，需要對汽車整車上配備的所有通信設備進行測試，而不是對某一單體設備進行測試。?此外，汽車制造商正在尋求一種實用的測試方法，模擬實際交通環境和條件，例如汽車接近十字路口，以再現更逼真的通信場景。
RanLOS，是基于Kildal 教授關于RIMP（同向多徑）和?LOS （視距通信）兩種邊緣環境的測試理論而創立的 1 ，?該理論假設所有真實環境都可以被描述為介于這兩種邊緣環境之間的場景，如果一個設備在兩個邊緣環境中都表現良好，那么它在實際環境中也會表現良好。此外，如果設備在兩個邊緣環境中的任何一個環境中表現不佳，它在實際環境中的表現可能并不好，或者至少不如在兩個邊緣環境中表現更好的設備 2。 ?RanLOS專家團隊一直在進行整車通信理論研究和測試系統開發工作 3 ?。??Fig. ?1為用于車輛應用和小型毫米波設備的?無線通信OTA 測量系統新產品。
Fig. 1 ?RanLOS ?整車OTA測試系統.
RANLOS 測試系統和應用?
RanLOS測試系統由一個圓柱形反射器組成，該反射器由雙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備的軟件等系統組成。支持的測量儀器包括矢量網絡分析儀 （VNA）和通信測試儀。
外圍設備的一個例子是轉臺，它也可以是?3D 定位器。該軟件控制測量步驟并收集測量數據，并以不同的方式執行后處理和可視化結果。饋源陣列易于更換，能夠覆蓋?0.75 至?6 GHz 頻段，這是當今車輛通信系統廣泛使用的頻率，它需要三個饋源陣列，分別對應三個頻段為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路線圖上，因此現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無源的雙端口雙化天線，可在短距離內產生平面波。在功能上，它與傳統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優點是，與雙曲面反射器相比，制造起來更容易、更便宜。它的寬度也是可擴展的，可以分段制作。
Fig. 2?RanLOS 整車OTA測試系統
Fig. 2?顯示了防風雨蓬室外測量裝置，?RanLOS 測試系統在被測車輛的前方。車輛放置在轉臺上，以便可以在反射器前面旋轉。Fig. ?2 所示的反射器由四個部分組成，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”設計緊湊且易于安裝，它可以安裝在EMC暗室內，產生平行電波磁場，減少地板和墻壁的反射，可以在現有的暗室內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的轉臺上，可以在行駛、以及運行ADAS情景再現模式時，對V2X無線性能（OTA）進行測試。
“整車OTA測試系統”使汽車無線通信性能測試更加高效。它有如下特點：
- 發揮現有EMC電波暗室作用，可以對車載無線通信設備進行OTA測試
- 可測試區域（直徑5m）與汽車車身尺寸相對應，可對所有位置的車載天線進行測試
- 與帶底盤測功機的轉臺配合，可在行駛和情景再現模式下進行測試
- 可以整合ADAS測試和V2X通信質量評估功能
- 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）
通過使用現有暗室以降低成本，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臺上。通過旋轉轉臺，車輛將經歷來自不同方向的入射波，模擬?LOS 邊緣環境。由饋源發出的球面電波，經過反射板后變成平面波，因此會產生遠場條件，可以測量車載天線的天線增益方向圖等遠場參數。通過將?VNA 的一個端口連接到車輛上的天線，將另一個端口連接到?RanLOS 系統來測量信號傳輸，從而獲得增益方向圖。測試設置以及所有連接如Fig. 3?所示。
Fig. 3 天線輻射圖測量設置
饋源陣列有兩個端口，每個化一個端口。帶?4 端口VNA，可以同時測量兩個化，多兩個車載天線。如果需要測量對增益值，必須首先使用具有已知增益的參考天線進行校準。
Fig. 4 (a) RanLOS系統測量Polestar部單子
(b) Polestar部單子NF-FF 驗證
(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，Fig. 4a顯示了RanLOS測量裝置中，在Polestar車上放置了單子天線. 4???Fig. 4b顯示了在丹麥經認證的近場到遠場（NF-FF）實驗室測量相同Polestar車身和天線組合。后，Fig. 4c顯示了兩個測試裝置在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為單位進行測量，然后進行后期處理（近遠場變換）以獲得遠場增益。使用?RanLOS 系統進行測量的時間取決于儀器和轉臺旋轉一圈的時間。旋轉可以以離散的步進，也可以連續步進，在這種情況下，測量是動態進行的。在Fig. 4a中的RanLOS簡易帳篷中進行測量的時間不到10分鐘，這意味著RanLOS系統可以用作整車研究開發的系統工程工具，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 測量系統設置。
Fig. 5 天線方向圖測量典型配置
在測量設置Fig.5中，通信測試儀和RanLOS系統一起工作，充當基站向車輛天線和無線電通信模塊（TCU通信控制模塊）發送數據流?，這是下行鏈路。在上行鏈路，通常被設置成具有較低的數據速率和調制模式，通過單獨天線與通信測試儀相連接。在Fig. ?6示例?中，測量了2 × 2 MIMO LTE 系統的幾個下行鏈路，吞吐量曲線分別對應不同功率與被測車輛在轉臺的不同旋轉角度。
Fig. 6 功率對車輛旋轉角度的下行鏈路吞吐率
每條曲線對應于轉盤的一個旋轉角度，代表車輛上接收天線上的不同入射信號路徑。正如預期的那樣，吞吐量大值處于功率大值處。當功率降低并且接近無線電通信模塊的靈敏度水平時，吞吐量很快下降到零，通信連接中斷。從Fig. 6中還可以看出，佳、左邊的曲線和差、右邊的曲線之間幾乎存在20 dB的差異。在實踐中，這表明為保持正常通信連接，車輛與基站之間的大通信距離，會因車輛與基站之間的方向不同而變化。這個好和壞情況的差值轉化為距離就會有相當大的差異。比如，如果好的情況下大通信距離為?10 公里，那么在壞的情況下通信距離只有大約?1 公里。這是假設純自由空間中的LOS通信。
如果下行鏈路頻率的電磁干擾來自周圍環境或車輛內部的信號源，則預計Fig. 6中的所有曲線都將向右移動。干擾的后果是大通信距離會更短。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境，則不一定如此。由于現代車輛中的電子通信和控制單元數量眾多，因此存在許多可能的干擾源。因此，對于汽車制造商來說，能夠調查干擾對無線電通信質量的潛在影響是很重要的，特別是對于關乎安全的整個通信系統。這種研究可以在現有EMC暗室中輕松地完成，并且可以模擬車輛實際運行狀態。
結論
RanLOS開發了一種獨特的專利整車OTA測試系統，包括用于測量整車天線性能指標和無線通信質量的硬件和軟件。該系統是可移動的，因此可以很容易地在現有的半電波暗室中進出，就像許多汽車制造商已經擁有的EMC暗室一樣。該系統與大型的全電波OTA實驗室相互輔助，可以對整車天線和OTA系統進行數據測試對比，是一種簡潔方便的整車研究開發系統工程工具，可以定期檢測天線性能和通信連接質量，特別適應于整車測試。該系統設計是面向未來的整車OTA測試需求，它可以根據無線電通信系統如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展頻率范圍。
RanLOS系統在TOYO 日本驗證測試
TOYO日本OTA測試團隊于2023年10月7日到11日，在日本東京近郊TOKIN暗室，對RanLOS系統進行了測試驗證，項目包括白噪聲干擾、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OTA系統專家參觀該測試和進行技術交流，參見Fig. 7。
Fig. 7?RanLOS?日本TOKIN暗室驗證測試
東揚精測系統?作為TOYO日本在中國的子公司，也積參與RanLOS系統的推廣，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緊縮場解決方案進行溝通交流。
東揚精測系統（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。隨著業務的迅速擴大，2014 年11 月增設了北京分公司、2022年10月增設了廣州事務所。
母公司TOYO Corporation成立于1953年，為東京證券交易所部上市企業（Code：8151），長期以來，致力于為產業界提供世界尖端的測量儀器，同時以公司長年積累的經驗為基礎，結合用戶需求，積開展測量領域的技術研發，為客戶提供各種測量技術解決方案，支持產業界和科學技術的進步與發展。
引用
- K. Rosengren 和P.-S.Kildal，“用于模擬多徑環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 天線和傳播學會國際研討會，2001 年文摘，第3 卷，2001 年，第?358–361 頁：10.1109/APS.2001.960107。
- Kildal 和J. Carlsson，“OTA 測試的新應用：RIMP 和純LOS 參考環境和濕度”，天線和傳播?（EuCAP），第?7 屆歐洲會議，2013 年，第?315-318 頁。
- M. Schilliger Kildal，隨機視距空中測量系統，博士論文，查爾姆斯理工大學，瑞典哥德堡，2020 年。
- “無線技術仿真與驗證（SIVERT）”，Vinnova FFI re- port 2017–05502,2021 年12 月。