LTE系統核心技術(shù)剖析及eNodeB測試方案探討
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UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 系統的廣泛應用滿(mǎn)足了用戶(hù)對數據業(yè)務(wù)的需求，有效提高了通話(huà)質(zhì)量和數據速率。然而，寬帶接入技術(shù)的出現及普及，Wi-Fi，WiMAX系統高數據速率的優(yōu)勢，對UMTS系統帶來(lái)很大的沖擊。這使得UMTS系統數據速率不高、時(shí)延較長(cháng)、網(wǎng)絡(luò )結構復雜等不足愈加明顯。因此，3GPP(3rd Generation Partnership Project)提出的UMTS的長(cháng)期演進(jìn)計劃(LTE)，通過(guò)提供一個(gè)以高速率和低時(shí)延為特征的分組優(yōu)化系統來(lái)保證UMTS在未來(lái)10年的競爭力和領(lǐng)先性。
為實(shí)現此目標，LTE系統相對于UMTS系統引進(jìn)了多項關(guān)鍵新技術(shù)，這使得LTE系統在物理層技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )結構及協(xié)議架構等方面都發(fā)生了相應的改進(jìn)，并且核心網(wǎng)也需要相應的升級來(lái)支持LTE系統。因此，LTE系統不僅是對UMTS系統的演進(jìn)。LTE系統中eNodeB設備的測試工作也具有更高的挑戰。測試作為移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)，位于產(chǎn)業(yè)鏈的上游，是整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信系統正常工作與維護的根本保證。因此，對eNodeB設備的測試方法及測試用例的研究勢在必行。
2 LTE系統的核心新技術(shù)
LTE是3GPP為適應時(shí)代需求而提出的新的移動(dòng)寬帶接入標準，為此3GPP規定了LTE系統的各項技術(shù)指標并引入了多項核心新技術(shù)。
LTE系統的主要技術(shù)指標與HSPA系統的對比參見(jiàn)表1。
表1 LTE系統的主要技術(shù)指標
為了達到高數據速率和高頻譜利用率，LTE系統在上下行分別利用了SC-FDMA和OFDM調制技術(shù)。它們將整個(gè)系統帶寬分裂為大量子載波，并支持多種調制方式如QPSK，16QAM及64QAM。LTE系統同時(shí)指定了MIMO技術(shù)的不同模式，適應于不同的信噪比條件。LTE工作頻率從700MHz到3GHz，信道帶寬從1.5MHz到20MHz，為網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商提供了靈活的頻帶配置方式。LTE系統引入的核心新技術(shù)總結如下：
2.1 OFDM/OFDMA
LTE中傳輸技術(shù)采用OFDM調制技術(shù)，其原理是將高速數據流通過(guò)串并變換，分配到傳輸速率較低的若干個(gè)相互正交的子信道中進(jìn)行并行傳輸。由于每個(gè)子信道中的符號周期會(huì )相對增加，因此可以減輕由無(wú)線(xiàn)信道的多徑時(shí)延擴展產(chǎn)生的時(shí)間彌散性對系統造成的影響。在OFDM符號之間插入保護間隔，使保護間隔大于無(wú)線(xiàn)信道的最大時(shí)延擴展，從而最大限度地消除由多徑引起的符號間干擾(ISI)。在LTE系統中采用循環(huán)前綴CP (Cyclic Prefix)作為保護間隔，CP的長(cháng)度決定了OFDM系統的抗多徑能力和覆蓋能力。長(cháng)CP利于克服多徑干擾，支持大范圍覆蓋，但系統開(kāi)銷(xiāo)會(huì )相應增加，導致數據傳輸能力下降。3GPP定義了長(cháng)短兩套循環(huán)前綴方案，根據具體的使用場(chǎng)景進(jìn)行選擇；短CP方案為基本項，長(cháng)CP方案用于支持LTE系統中大范圍覆蓋和多小區廣播業(yè)務(wù)。
LTE規定了下行采用OFDMA，上行采用SC-FDMA的多址方案，這保證了使用不同頻譜資源用戶(hù)間的正交性。OFDMA中一個(gè)傳輸符號包括并行傳輸的M個(gè)正交的子載波，而在SC-FDMA機制中M個(gè)正交子載波以串行方式進(jìn)行傳輸，降低了信號較大的幅度波動(dòng)，降低了峰功比。 此外，為了保證上行多用戶(hù)之間的正交性，要求各用戶(hù)的上行信號在CP長(cháng)度的誤差范圍之內同時(shí)到達eNodeB，因此eNodeB需要根據用戶(hù)遠近位置來(lái)調整各用戶(hù)的發(fā)射時(shí)間。
LTE系統對OFDM子載波的調度方式也更加靈活，具有集中式和分布式兩種，并靈活地在這兩種方式間相互轉化。上行除了采用這種調度機制之外，還可以采用競爭(Contention)機制。
2.2 MIMO
MIMO技術(shù)是提高系統速率的主要手段，LTE系統分別支持適應于宏小區、微小區、熱點(diǎn)等各種環(huán)境的MIMO技術(shù)。 基本的MIMO模型是下行2×2，上行1×2天線(xiàn)陣列，LTE發(fā)展后期會(huì )支持4×4的天線(xiàn)配置。目前，下行MIMO模式包括波束成行，發(fā)射分集和空間復用，這3種模式適用于不同的信噪比條件并可以相互轉化。波束成型和發(fā)射分集適用于信噪比條件不高的場(chǎng)景中，用于小區邊緣用戶(hù)有利于提高小區的覆蓋范圍；空間復用模式適用于信噪比較高的場(chǎng)景中，用于提高用戶(hù)的峰值速率。在空間復用模式中同時(shí)發(fā)射的碼流數量最大可達4；空間復用模式還包括SU-MIMO(單用戶(hù))和MU-MIMO(多用戶(hù))，兩種模式之間的切換由eNodeB決定。上行MIMO模式中根據是否需要eNodeB的反饋信息，分別設置開(kāi)環(huán)或閉環(huán)的傳輸模式。
2.3 E-MBMS
3GPP提出的廣播組播業(yè)務(wù)不僅實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )資源的共享，還提高了空中接口資源的利用率。LTE系統的增強型廣播組播業(yè)務(wù)E-MBMS(Enhanced Multimedia Broadcast/Multicast Service)不僅實(shí)現了純文本低速率的消息類(lèi)組播和廣播，更重要的是實(shí)現了高速多媒體業(yè)務(wù)的組播和廣播。為此，對UTRA做出了相應的改動(dòng)：增加了廣播組播業(yè)務(wù)中心網(wǎng)元(BM-SC)，主要負責建立、控制核心網(wǎng)中的MBMS的傳輸承載，MBMS傳輸的調度和傳送，向終端設備提供業(yè)務(wù)通知；定義了相關(guān)邏輯信道用于支持E-MBMS。
從業(yè)務(wù)模式上，MBMS定義了兩種模式，即廣播模式和組播模式。這兩種模式在業(yè)務(wù)需求上不同，導致其業(yè)務(wù)建立的流程也不同。
從操作方式上，單頻網(wǎng)(SFN，Same Frequency Network)和非單頻網(wǎng)操作共存于同一小區，其中單頻網(wǎng)操作將支持多小區傳送；非單頻網(wǎng)操作只支持單小區傳送。
在網(wǎng)絡(luò )規劃上，3GPP定義了兩種網(wǎng)絡(luò )部署：一種是LTE E-MBMS與LTE 單播系統共用載波；另一種部署方式是LTE E-MBMS 采用專(zhuān)用下行載波。專(zhuān)用載波方式將以5MHz帶寬為基本項，也將支持其他帶寬的專(zhuān)用載波的能力，但不能支持多種帶寬共存的模式。在廣播模式下，5MHz的帶寬至少支持16個(gè)頻道，每頻道達300kbit/s的速率，小區邊緣的頻譜效率為1bit/s/Hz。
2.4 網(wǎng)絡(luò )結構及協(xié)議
LTE系統的網(wǎng)絡(luò )結構與UTRAN相比，去掉了RNC，而只由若干個(gè)eNodeB組成，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )并減少時(shí)延。多個(gè)eNodeB通過(guò)X2接口相互連接，eNodeB通過(guò)S1接口連接到演進(jìn)型分組核心EPC(Evolved Pocket Core)。具體來(lái)講， S1-MME接口連接到移動(dòng)性管理實(shí)體MME(Mobile Management Entity)，S1-U接口連接到SAE網(wǎng)關(guān)，其中S1接口支持eNodeB和MME/SAE網(wǎng)關(guān)之間多對多鏈接（見(jiàn)圖1）。eNodeB的功能在原有NodeB功能的基礎上，增加了RNC物理層，MAC層，RRC，調度，接入控制，承載控制，移動(dòng)性管理和inter-cell RRM等功能。
圖1 LTE系統的網(wǎng)絡(luò )結構
LTE系統的協(xié)議棧結構與URTAN同樣分為用戶(hù)面(PDCP/RLC/MAC/ PHY)和控制面(RRC)協(xié)議。層2包括媒體接入控制協(xié)議(MAC)、無(wú)線(xiàn)鏈路控制協(xié)議(RLC)，以及分組數據匯聚協(xié)議(PDCP)；層3包括無(wú)線(xiàn)資源控制協(xié)議 (RRC)?？罩薪涌诘膶?和層2協(xié)議在用戶(hù)設備和eNodeB中終止；控制平面中的層3協(xié)議也在用戶(hù)設備和eNodeB中終止；控制平面的非接入層(NAS)協(xié)議在用戶(hù)設備和核心網(wǎng)的移動(dòng)管理實(shí)體(MME)中終止（見(jiàn)圖2）。
圖2 LTE系統協(xié)議棧結構
LTE系統中的無(wú)線(xiàn)資源控制(RRC)狀態(tài)相比于UTRA系統也簡(jiǎn)化了許多，只包含RRC_IDLE，RRC_ACTIVE和RRC_DETACHED 3種。在aGW網(wǎng)元中，UE的上下文必須區分這3種狀態(tài)，而在E-Node B中合并了原先的多種狀態(tài)只保留RRC_ACTIVE狀態(tài)的UE上下文。
2.5 其他
為了提高小區容量及邊緣的傳輸速率，LTE系統提出了小區間干擾協(xié)調機制，并設計了靜態(tài)干擾協(xié)調以及動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調技術(shù)。在功率控制機制上，設定小區邊緣用戶(hù)的目標SINR(信噪比)低于小區中心的目標SINR，進(jìn)一步減少對相鄰小區邊緣用戶(hù)干擾，從而獲得更大的系統容量。
為了實(shí)現低時(shí)延的目標，LTE系統大的小區搜索過(guò)程和隨機接入過(guò)程做了相應的簡(jiǎn)化，并提供了更加靈活的形式。
為了實(shí)現與現有3GPP和非3GPP的兼容，LTE系統采用快速小區選擇(即快速硬切換)方法實(shí)現不同頻段之間各系統間的切換，實(shí)現更好的地域覆蓋和無(wú)縫切換；此外，核心網(wǎng)的設計也發(fā)生了相應的改變，增加了SAE和3GPP模塊，實(shí)現了LTE系統與3GPP和非3GPP系統的兼容。
LTE系統提出了上下行多種不同的參考信號RS (Reference signal)，不同的參考信號在子幀中有不同的位置和配置，實(shí)現不同的導頻功能，以及不同模式下的信道質(zhì)量測量。
綜上所述，LTE系統相比于UTRA系統引進(jìn)了多項核心新技術(shù)，發(fā)生了根本性的變革，因此對LTE系統中eNodeB設備的測試也將面臨著(zhù)很多新的挑戰。在測試用例方面，將增加很多新的用例用于覆蓋并驗證LTE系統中新的技術(shù)及配置；相應地，測試方法也將發(fā)生新的變化。
3 LTE系統中eNodeB測試關(guān)注點(diǎn)
LTE系統獨特的特點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)勢實(shí)現了LTE系統的高速率、低時(shí)延和最優(yōu)分組的需求。然而為了保證LTE系統中eNodeB設備真正具有這些新功能及技術(shù)指標，并實(shí)現測試有效性的提高，我們對eNodeB關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的測試勢在必行。我們對eNodeB測試的關(guān)注點(diǎn)主要在于：
（1）LTE系統中子載波之間的正交性是高速率性能得以實(shí)現的前提，也是接收端正確接收的根本保證。因此，LTE系統中必須要保證OFDM子載波之間的正交性以及上行各用戶(hù)所占用子載波之間的正交性，這也將是eNodeB的測試重點(diǎn)之一。
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