如何使用現有測試技術(shù)測試TD-LTE

由于最初的無(wú)線(xiàn)殺手級應用——語(yǔ)音，要求形同容量的上行鏈路和下行鏈路，許多無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )最初是為提供對稱(chēng)數據容量而設計的。許可和拍賣(mài)的頻譜塊也是成對的，因為這非常適合頻分復用(FDD)協(xié)議，當語(yǔ)音是主要應用時(shí)這種方案能夠很好地滿(mǎn)足運營(yíng)商和用戶(hù)要求。

然而，隨著(zhù)寬帶數據服務(wù)的快速發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò )的要求已經(jīng)變成了不對稱(chēng)。換句話(huà)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò )上的下行鏈路和上行鏈路負載不再平衡，因為用戶(hù)的下載內容量通常要比上載的量多得多。當使用對稱(chēng)配置的數據服務(wù)時(shí)，這種不對稱(chēng)的數據要求將很快導致下行鏈路達到滿(mǎn)負荷，而上行鏈路利用率嚴重不足。

在這種情況下時(shí)分復用(TD)協(xié)議就有很大的優(yōu)勢，因為它可以通過(guò)調整上行鏈路和下行鏈路傳輸的時(shí)隙安排調整上行鏈路和下行鏈路之間的相對帶寬分配。通過(guò)高效的時(shí)隙調度，運營(yíng)商能以比對稱(chēng)模型更高的利用率運作他們的網(wǎng)絡(luò )。TD-LTE允許根據網(wǎng)絡(luò )的特定需求動(dòng)態(tài)修改帶寬分配，更新單個(gè)通道內的上行鏈路和下行鏈路傳輸時(shí)隙安排，從而幫助運營(yíng)商以更高的利用率運營(yíng)LTE網(wǎng)絡(luò )。

一種極具魯棒性和可靠性的TD-LTE測試方法的關(guān)鍵是要確保測試設備支持多個(gè)關(guān)鍵要求。在現實(shí)世界中，上行鏈路和下行鏈路共存于相同的頻譜中，因此設計支持成功部署TD-LTE的有效測試設備也必須提供這些同樣的特性。特別是測試設備必須支持雙向測試工作，并具有相位和幅度平衡的上行鏈路和下行信道。

諸如信道模擬器等先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)測試設備可以提供TD-LTE測試所必需的現實(shí)世界環(huán)境。在支持設備和基礎設施測試的測試解決方案中集成信道模擬器后產(chǎn)生的測試結果能夠更好地反映現實(shí)世界所發(fā)生的事實(shí)。隨著(zhù)對MIMO協(xié)議的帶寬和發(fā)展要求的不斷提高，能夠同時(shí)支持TD-LTE測試所需的各種射頻要求以及實(shí)現現實(shí)世界中典型活動(dòng)的相關(guān)模型的信道模擬器將成為高效測試的關(guān)鍵。

對TD-LTE系統和設備的實(shí)際測試要求

像LTE等MIMO協(xié)議如今受現實(shí)世界中不斷變化的無(wú)線(xiàn)電環(huán)境的影響程度比以往任何時(shí)候都高，并且測試過(guò)程中使用的信道模型所呈現的相關(guān)度對它們也有很大的影響。雖然一些基礎測試項目使用標準信道模型，但更先進(jìn)的測試解決方案可以同時(shí)支持空中和在實(shí)驗室中重復的無(wú)線(xiàn)電場(chǎng)條件下的TD-LTE解決方案測試。

使用有線(xiàn)連接完成的標準實(shí)驗室測試雖然可以產(chǎn)生可重復的結果，但缺少現實(shí)世界和通過(guò)整個(gè)天線(xiàn)的空中測試。雖然空中測試(比如行車(chē)測試)可以代表現實(shí)世界，但諸如行駛測試之類(lèi)的測試缺少可重復性。這是因為在現實(shí)世界測試中存在許多影響性能的變量，例如信道條件會(huì )因季節和網(wǎng)絡(luò )負載發(fā)生變化;像行車(chē)測試等實(shí)際測試的成本也是很高的。

為了彌補實(shí)驗室和實(shí)際空中測試之間的這種差距，可以在實(shí)驗室的測試平臺中使用信道模擬器。信道模擬器通過(guò)使用復雜的信道模型和眾多可編程的參數以可受控可重復的方式重復現實(shí)世界中的信道傳播條件(圖1)。綜合性的信道模擬器通過(guò)兩個(gè)方向上獨立的可編程信道特征提供雙向操作(下行鏈路和上行鏈路方向同時(shí)工作)。通過(guò)使用信道模擬器，我們可以驗證無(wú)線(xiàn)電設計和性能，提高測試覆蓋率，縮短測試周期，從而在更短的時(shí)間內向市場(chǎng)推出更高質(zhì)量的產(chǎn)品。

圖1：具有信道模擬功能的點(diǎn)到多點(diǎn)測試案例的原理圖，其中到每個(gè)用戶(hù)設備(UE)都有一個(gè)完全雙向的MIMO信道，它們可真實(shí)地再次創(chuàng )建空中條件。

像TD-LTE中采用的數據通信技術(shù)要求很高的系統動(dòng)態(tài)范圍和優(yōu)秀的射頻保真度。這些無(wú)線(xiàn)電系統經(jīng)常采用先進(jìn)的數字調制技術(shù)來(lái)提高容量。64QAM(正交幅度調制)就是一個(gè)很好的例子，這種技術(shù)在每個(gè)OFDM副載頻每個(gè)符號上承載6個(gè)比特。另外，像OFDMA等技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)了系統的操作，支持可擴展的容量。這些技術(shù)加上多天線(xiàn)技術(shù)MIMO最終能使系統向移動(dòng)站提供可擴展、可靠的容量，匯聚后的下行數據速率超過(guò)100Mbps，上行數據速率超過(guò)50Mbps.

但這些性能的提高是有代價(jià)的。更高階的調制技術(shù)要求更高的動(dòng)態(tài)范圍和線(xiàn)性度。64QAM信號可能需要超過(guò)20dB的信噪比(SNR)才能取得比目標最大誤塊率更好的性能。OFDM系統發(fā)送許多小的副載頻，這將導致瞬時(shí)功率電平發(fā)生很寬范圍的變化;大于10dB的峰值平均功率比(PAPR)并不少見(jiàn)。在移動(dòng)通信中的典型頻選衰落環(huán)境中，某些OFDM副載頻可能會(huì )大幅衰落，有些又不會(huì )，因此進(jìn)一步增加了對動(dòng)態(tài)范圍的要求。TD-LTE標準目前用SC-FDMA實(shí)現上行鏈路，為了減輕深度衰落的影響而進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的設計，因此降低了用戶(hù)設備的功耗。

信道模擬器的輸入動(dòng)態(tài)范圍

在選擇與3GPP TD-LTE設備一起使用的信道模擬器時(shí)需要考慮與輸入功率有關(guān)的幾個(gè)因素。這些考慮因素包括輸入功率范圍、峰值功率和信噪比余量。

3GPP LTE設備的發(fā)送信號可能有非常寬的動(dòng)態(tài)功率范圍。雖然平均功率可能有某個(gè)最大值，但當使用OFDM技術(shù)時(shí)的PAPR可能超過(guò)10dB，因此系統必須適應這個(gè)最大值。即使是像3GPP TD-LTE用戶(hù)設備的發(fā)射器中使用的SC-FDMA，PAPR也仍然存在，并且可能超過(guò)8dB.移動(dòng)設備也有實(shí)現發(fā)射功率控制來(lái)改變它們的輸出功率，通常它們的輸出功率是與eNodeB距離的函數。TD-LTE發(fā)射功率控制可能導致實(shí)際功率變化達63dB甚至更高。另外，當設備發(fā)送部分采用更高階的調制，如64QAM時(shí)，必須保持足夠高的信噪比(SNR)。當與3GPP TD-LTEb用戶(hù)設備連接時(shí)，允許直接連接發(fā)射功率從+23dBm至-40dBm的設備、同時(shí)還具有足夠PAPR和SNR余量的信道模擬器將能提供魯棒性和高效的測試配置。

雙向性和相位平衡

時(shí)分復用信號給測試設備的設計提出了獨特的挑戰。在執行雙向測試時(shí)不需要經(jīng)過(guò)測試設備且用于FDD協(xié)議的信號路徑來(lái)支持相位平衡，因為上行鏈路和下行鏈路都工作在不同的頻譜，并跟隨它們自己的導頻。

然而TD協(xié)議要求上行鏈路和下行鏈路路徑是平衡的，這樣才能正確地模擬雙向連接。當基站能夠使用來(lái)自上行鏈路的信息控制下行鏈路傳輸時(shí)這點(diǎn)尤其重要。

衰落和本底噪聲

衰落信道模擬器用于提供真實(shí)的快速衰落條件;理想情況下，模擬的衰落條件將匹配使用服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò )上的設備的用戶(hù)所觀(guān)察到的情況。

對于諸如3GPP TD-LTE中使用的OFDM信號來(lái)說(shuō)，某些副載頻的幅度由于頻選衰落的原因可能衰落或瞬時(shí)下降20dB甚至更多。由于每個(gè)副載頻都是一個(gè)調制過(guò)的信號，當采用高達64QAM的調制時(shí)，信號幅度的這種瞬時(shí)跌落必須與信道模擬器設備的本底噪聲一起加以考慮。

舉例來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)平均輸出功率為-40dBm的信號由于衰落原因瞬時(shí)降低了20dB，那么幅度將變?yōu)?60dBm.為了在64QAM機制下保持25dB這個(gè)足夠的信噪比，測試設備的本底噪聲不應超過(guò)-85dBm.測試設備供應商經(jīng)常用噪聲功率譜密度來(lái)表示本底噪聲。假設有一個(gè)25C、10MHz寬的信號(這是3GPP LTE中的典型信號)，那么測試設備的噪聲功率譜密度需要低于-155dBm/Hz，這樣即使在衰落條件下也能保證信號的保真度。如果本底噪聲超過(guò)這個(gè)值，那么有可能當模擬器提供衰落信道時(shí)，模擬器也會(huì )引入可能導致接收器解調錯誤的噪聲電平，而這種錯誤不是因待測設備的噪聲而是因信道模擬器的本底噪聲直接引起的。

波束成形技術(shù)的含義

在TD-LTE環(huán)境中，許多服務(wù)提供商和設備供應商都在考慮部署波束成形技術(shù)。通過(guò)將傳輸能量集中在波束中：

可以到達更遠的距離;

使用較少的能量就能到達相同的距離;

可以減輕干擾;

可以增加網(wǎng)絡(luò )容量;

系統性能將有整體改善。

波束成形算法以用于選擇波束器的算法基礎而聞名。具體到TD-LTE，我們必須考慮到無(wú)線(xiàn)空間存在互換的自然特性;也就是說(shuō)，下行鏈路的無(wú)線(xiàn)路徑與上行鏈路的無(wú)線(xiàn)路徑看起來(lái)是完全一樣的。當信號在無(wú)線(xiàn)環(huán)境中傳輸時(shí)，還存在多徑反射、無(wú)線(xiàn)信道變化、相位改變等情況。一般來(lái)說(shuō)，波束成形算法利用了空中接口的一些特性，如信道變化和互換性。

信道模擬提供了一種在實(shí)驗室再生空中傳播條件的方法，可用于測試和按標準檢測不同的設備。信道模擬可以用來(lái)驗證由于波束成形算法帶來(lái)的改進(jìn)和性能增益。然而，在實(shí)驗室中完成魯棒性的波束成形設備測試要求使用雙向的信道模擬器，并且在有線(xiàn)實(shí)驗室環(huán)境中需要具備可互換和平衡的路徑。

圖2：波束成形。

這是因為波束成形算法依賴(lài)于上行鏈路的相位和幅度信息來(lái)調整下行鏈路的天線(xiàn)場(chǎng)圖案。信道估計和其它信令信息的交換在基站和移動(dòng)站之間連續進(jìn)行，因此在實(shí)驗室環(huán)境中需要提供雙向的連接?；Q性意味著(zhù)MIMO系統中每條路徑的傳輸函數在兩個(gè)方向上看起來(lái)完全相同，兩個(gè)方向上的脈沖響應hij(t)也必須相同(圖3)。

圖3：波束成形MIMO系統的傳輸函數。值得注意的是，信道必須具備端到端的互換性，而不只是內部到模擬器。

實(shí)際上，用于波束成形的測試設備必須確保下行鏈路的信道相位通過(guò)校準等同于上行鏈路信道的相位，也就是說(shuō)DL需要等于UL，平衡也應該是端到端的，即從eNodeB的天線(xiàn)端口的連接點(diǎn)到移動(dòng)站的天線(xiàn)端口的連接點(diǎn)，而對UL和DL路徑來(lái)說(shuō)還要求類(lèi)似的幅度平衡(圖4)。

圖4：網(wǎng)絡(luò )負載對蜂窩邊緣性能的影響。

位于蜂窩邊緣的終端設備一般都會(huì )將發(fā)射功率提高到最大允許值，目的是確保連續的魯棒性通信。然而，這將很快導致發(fā)生這種情況：終端設備只能在任意的給定時(shí)間周期內發(fā)送一個(gè)資源塊。任何發(fā)送一個(gè)以上資源塊的企圖都會(huì )將所有可用的發(fā)射功率擴展到更多資源塊上，從而縮小最大范圍。

然而事實(shí)上TD-LTE可以提供相當于FDD性能的蜂窩邊緣性能，因為幾乎所有蜂窩通常都有一個(gè)以上的用戶(hù)，這樣每個(gè)設備在單位時(shí)間內都將受限于單個(gè)資源塊，與TD-LTE或FDD LTE的最大容量是多少無(wú)關(guān)。

這種性能的驗證可以使用可變AWGN噪聲源完成。AWGN噪聲能很好地近似某個(gè)設備看到的由于相鄰終端設備中的其它小區/蜂窩引起的噪聲。

本文小結

對無(wú)線(xiàn)寬帶數據不斷上升的需求推動(dòng)著(zhù)TD-LTE在全球的普及。在使用TD-LTE的情況下，可以根據網(wǎng)絡(luò )的特定需求調整單個(gè)信道上的上行鏈路和下行鏈路傳輸時(shí)隙來(lái)修改帶寬分配。這樣可以幫助運營(yíng)商提高LTE網(wǎng)絡(luò )的利用率，但所用的協(xié)議對設備設計提出了獨特的挑戰，因為它要求上行鏈路和下行鏈路的路徑是平衡的，以便正確模擬雙向連接。

TD-LTE測試必須考慮測試設備的動(dòng)態(tài)范圍、相位和幅度平衡以及雙向特性，以便建模包括波束成形在內的TD-LTE部署場(chǎng)景。為了確保對TD-LTE設備和系統進(jìn)行完善的現實(shí)世界測試，可以精心挑選合適的信道模擬器。這些模擬器除了滿(mǎn)足上述要求外，還要提供適當的自動(dòng)化功能和信道模型，以便幫助橋接現場(chǎng)與實(shí)驗室環(huán)境，在實(shí)驗室中高效地再現現實(shí)世界條件。