提升網路速度已成系統業者與終端商首要任務，相關標準組織也加速制定規範，以加速終端產品設計時程。隨著CTIA要求LTE CA/MIMO OTA測試上路，驗證商也積極推動LTE CA/MIMO OTA認證服務，使終端產品符合國際標準。
在智慧型手機問世後，消費者對行動通訊的連線速度需求越來越高，行動通訊世代也隨之提升，從2G(GSM/GPRS/EGPRS)、3G(WCDMA/HSPA)，到現在的4G(LTE/LTE-Advanced)。在昂貴而有限頻譜資源限制之下，如何提升連線速度變成系統業者與終端製造商共同的課題。
增加天線數目 提升連線速度
在LTE的架構下，基地站與客戶端可以透過增加連線天線數目(2×, 4×)，以空間多工(Spatial Multiplex)的方式來增加同一個頻帶下的資料傳輸量，概念如在同一條運輸路徑上，把交通工具由小車換大車來得到更高的承載量，以期得到更高的連線速度；要達到這個目的，各空間頻道的相關性就不能太高。
相關性高的兩個空間頻道就等同於只有一個可用空間頻道，非但無法提升連線速度，更會造成在特定傳輸模式下的連線問題(如TM3 Spatial Multiplex下只使用單通道會完全無法解調)。
而在LTE-Advanced的架構下，基地站與客戶端可利用載波聚合Carrier Aggregation(CA)的技術來合併可用的頻帶資源(2CC, 3CC)，概念如原運輸路徑只有一條單線道，把路徑提升至多線道便可增加使用效率，進而得到更多的使用頻寬與更高的連線速度；但因為同時使用了兩個以上的頻帶，必須檢視各頻帶間同時使用產生的可能干擾，不然使用載波聚合非但不能提高可用頻寬，反而會造成連線問題。
本文會從標準組織的角度來解析目前針對客戶端在LTE CA/MIMO OTA的驗證目的與方法，以期讓國內系統商與終端製造商了解目前架構的測試需求與測試必要性，讓國內產品能符合消費者期望，提升使用者經驗，產業更能與國際標準接軌。
CA OTA測試共規畫七個階段
美國標準組織CTIA-The Wireless Association(前Cellular Telephone Industries Association)對CA OTA的測試，主要是看測試終端在使用載波聚合的情形下，在終端的發射與接收能力的表現是否與未使用載波聚合的時存在落差，不希望測試終端雖然因使用了載波聚合增加了可用頻寬，卻犧牲了應該維持的傳輸能力與有效使用距離。
CTIA目前針對載波聚合(CA OTA)的測試共規畫了七個階段(表1)，在今年2月1日後，CTIA已經開始針對支援載波聚合的客戶端定義了初步(Phase 1)的測試要求，並在今年8月1日之後，更會對客戶端進階到第四階段(Phase 4)的測試要求。以下會對CTIA在CA的各個階段的規畫做簡介，並解釋其測試需求及測試目的。
第一階段是測試兩個頻帶的下行載波聚合，CTIA在第一階段主要是定義出CA的測試方法與測試項目，即測試各CA頻帶組合的：
a.待測物發射能力Total Radiated Power(TRP)
b.主要頻帶Primary Component Carrier(PCC)的接收靈敏度Total Isotropic Sensitivity(TIS)
c.次要頻帶Secondary Component Carrier(SCC)的接收靈敏度
因為第一階段的頻帶組合不包含一些「預期會受到干擾」的頻帶組合，所以除了一些只有「下行」的頻帶組合(如Band 29, Band 66)，或是天線設計在有無載波聚合是不同輻射場型的特殊案例外，一般的終端皆可以透過宣告的方式來豁免(Waive)測試。
第二階段原本規畫是測試各組合之中，各個聯線頻道之間的互相干擾情形；但主副頻帶所以聯線頻道可能的組合為兩頻帶各自的總頻道數目相乘，因此測試時間會非常冗長，目前僅規畫讓製造商自我宣告「是否有嚴重干擾的組合需要測試」，除此之外一般情形皆不須測試。
第三階段與第一階段類似，也是測試兩個頻帶的下行載波聚合；不過與第一階段不同的是，這裡會加入第一階段省略的「預期會受到干擾」的頻帶組合(如CA_17A-4A, CA_2A-2A)，也因為預期測試結果會受到影響，所以這裡並不能只透過宣告的方式來豁免測試，CTIA規定至少要對單點(即天線輻射場型最佳點)作差異性驗證，判斷式如下：
如果兩個測試組態間相差小於1dB，則可當作兩個組態測試結果一致，不需進一步作完整測試。
第四階段會進一步加上三個頻帶的下行載波聚合，所以須要列出的組態又更多了，建議透過差異性驗證與適當的宣告來縮短測試時間。
第五階段目前針對支持「雙上行」的兩個頻帶下行載波聚合終端作測試，所以主要頻帶的上行部分會有兩支天線同時發射；測試目的是要檢驗雙上行天線對發射與接收能力可能的影響，目前CTIA還在討論測試方法，暫時還未放入測試計劃。
第六階段目前規畫是測試兩頻帶雙向載波聚合的影響，雖然主要頻帶上行只剩一支天線，但是次要頻帶也有一支不同頻帶的上行天線，所以同時會有兩個頻帶的上行訊號；測試目的是要看兩個頻帶的上行對各頻帶的發射與接收能力造成的影響，目前也還在討論可行方案，未列入測試計畫內。
第七階段目前計畫測試兩頻帶雙向載波聚合再加上各自頻帶雙上行天線，所以同時會有主要頻帶兩隻上行天線與次要頻帶兩隻上行天線共兩頻帶四個上行訊號；測試目的則是要看雙頻帶雙上行訊號可能造成的影響，目前還未放入測試計畫。
CA OTA的測試目的是看待測終端在CA聯線時的影響，所以實驗室在測試時對測試環境要特別地注意，務必避免因為不適當的設定而影響了測試結果(如在測試時，對非測試頻帶設定了過大或過小的下行功率而對測試終端造成飽和、斷線等不正常聯線情形，甚至直接影響到測試頻帶的數據)。
MIMO OTA共規畫四個測試階段
美國標準組織CTIA對MIMO OTA的測試，目前規畫了兩個測試項目：第一項主要是測試終端在良好收訊(Good Coverage)的地區，下載速度能否達到理想吞吐量，不希望待測終端雖然處於收訊良好區域，卻因為終端的兩支天線效率差別(Gain Imbalance)過大，或是兩支天線輻射相關性(Envelope Correlation Coefficient)過高而導致下載速度無法有效提升，進而造成基地站系統資源的浪費；第二項則是測試終端在收訊邊緣區域(Edge of Link)的傳輸解調能力，以期取代目前傳統SISO OTA無法代表真實日常使用情形的接收靈敏度測試。
CTIA目前針對MIMO OTA的測試規劃了四個階段(表2)，第一階段的測試計畫已經於去年8月提出，預計在今年上半年開始要求客戶端的認證測試。以下會對CTIA目前MIMO OTA各階段的測試計畫作介紹，並解釋各階段的需求及目的。
MIMO OTA三大測試方法
經過多年的努力，CTIA MIMO OTA Sub-working Group(CTIA MOSG)總算於去年8月通過CTIA MIMO OTA Test Plan v1.0，相較傳統SISO OTA的無反射暗室Anechoic Chamber(AC)測試方案，目前CTIA從三大候選測試方案：暗室法Multi-Probe Anechoic Chamber(MPAC)、混響法Reverberation Chamber+Channel Emulator(RC+CE)與兩步法Radiated Two-Stage(RTS)中，選擇了目前就系統規畫上最為直觀的暗室法當作目前唯一認可MIMO OTA測試系統。
在理解CTIA選擇方案前，先介紹MIMO OTA的測試概念：不同於傳統SISO OTA測試待測物各個角度發射/接收的直射(Line of Sight)訊號作平均後判斷發射/接收能力，MIMO OTA是測試待測物有效接收利用多重路徑訊號的能力；測試時系統會模擬待測物收到的，來自各方向的訊號叢集(Cluster)，各個訊號叢集之間的衰減(Amplitude)與相位延遲(Delay)是靠通道模擬器(Channel Emulator)與多支發射天線搭配合成；因為硬體限制，通道模擬時無法在僅僅數百個ns內切換發射各個方向的訊號，目前各家廠商皆是以重製一段時間內待測物各個方向平均收到的訊號，並因應各個接收方向平均產生出不同的時延與衰減來模擬通道中的接收角Angle of Arrival(AOA)與訊號強度時延Power Delay Profile(PDP)。
暗室法(圖1)是架構上最直觀的方案，其使用通道模擬器與多個方向的發射天線，受限於目前CTIA對發射天線數量的要求(八個雙極化天線)，可測試區域目前只有一個波長的空間。
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| 圖1 標準暗室法架設示意圖 |
混響法(圖2)無法模擬空間方向的訊號，其只能透過足夠的測試次數，平均後得到一個近似全方向性的測試結果；所有的空間角度只能替換成時延與衰減，因為缺少空間資訊的緣故，目前MIMO OTA測試不能使用。
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| 圖2 標準混響法架設示意圖 |
兩步法(圖3)是靠待測物在SISO OTA測試時得到的輻射場型，與兩支接收天線在各個角度的相位差，經過與待測通道模型合併計算後，重新生成一個通道模型來模擬原待測物在各個角度收到的對應訊號時延與衰減，並透過輻射的方式，選定適當角度來作測試。
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| 圖3 標準兩步法架設示意圖 |
目前受限與第一階段測試輻射場型與相位差是透過待測物內建軟體與晶片來取得，所以CTIA認為這部分需要更多的驗證方式來確認測試的真實性與穩定性，目前還不被CTIA所採用。
Test Plan v1.0測試要求
CTIA在MIMO OTA Test Plan v1.0主要是測試良好訊號下的吞吐量，測試方法有點類似目前的接收靈敏度測試，會測試待測物各個角度滿足特定吞吐量(70%、90%與95%)時所需的訊雜比MIMO Average Radiated SIR Sensitivity(MARSS)。因為測試環境為良好訊號，要得到好的量測結果，最重要的待測物特性是要求各個角度收到的訊號：
1. 各個接收端的差值不能太大。
2. 各個訊號間的相關性不能太高。
因為暗室法目前只使用八個雙極化天線當作測試天線，可測試區域大小目前驗證只能在一個波長以內，所以目前待測物只需要測試自由空間(Free Space)下的接收能力，不需要搭配人體模型進行測試；而因為針對TDD LTE的驗證方式還未統一，目前版本只需要測試FDD LTE的MIMO OTA。
Test Plan v1.1測試要求
預計2016年4月CTIA Face2Face會議後發布，目前計畫補上TDD LTE的驗證方式，並加上TDD LTE的MIMO OTA測試，另一方面也會驗證目前暗室法可以使用的測試區域上限，看是否可以測試更大的待測物。
Test Plan v1.2測試要求
預計2016年9月發布，目前計畫進一步加上收訊邊緣區域的測試項目Transmit Diversity Average Radiated Power Sensitivity(DARPS)，以取代傳統總接收靈敏度測試。因應TM2(Transmit Diversity)不像TM3(MIMO Spatial Multiplex)需要使用空間分布資訊(Spatial Information)，DARPS目前預計除了暗室法外，也會加入混響法作為測試方案。
CTIA也預計在這個版本加上兩步法的各階段驗證方式，預期兩步法可以像暗室法一樣，在MARSS與DARPS測試時都可以使用。而暗室法則預計會增加測試天線數目，預計增加到十六個雙極化天線以滿足更大的測試區域需求。
Test Plan v1.3測試要求
預計2017年3月發布，在可測試區域加大後，CTIA預計在這個版本加入人頭/人手模型(Besides Phantom Head & Hand and Hand only)作通話時的測試模式(BHH for DARPS)或是正常上網使用時(Hand only for MARSS & DARPS)的測試需求。
確保完整驗證以符合設計要求
良好的終端需要透過完整的符合性驗證才能確保終端的設計滿足系統要求，本文介紹了CTIA目前在客戶端對LTE CA/MIMO OTA方面的驗證方法與要求，期望國內業者在了解目前電信商關注的項目與目的後，可以內化運用，讓國內的產品更能滿足消費者期望，達到理想的使用者體驗。
(本文作者為耕興股份有限公司資深經理)