LTE系統測試的挑戰及應對方案

隨著(zhù)全球大多數的電信運營(yíng)商計劃采用3GPP LTE作為下一代的無(wú)線(xiàn)寬帶技術(shù)，LTE技術(shù)已經(jīng)逐步顯露出全球化的趨勢。激進(jìn)的LTE技術(shù)演示和部署計劃，以及對可靠測試系統的迫切需求，成了電信運營(yíng)商們現在首要關(guān)注的焦點(diǎn)。這是特別現實(shí)的問(wèn)題，因為L(cháng)TE代表了無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)的一個(gè)重大變化，其實(shí)現和部署都是一個(gè)巨大的挑戰。從器件到基站到終端用戶(hù)服務(wù)，整個(gè)LTE設備供應鏈對測試的需求非常大。從GSM/UMTS自然演進(jìn)到LTE的FDD版本，從TD-SCDMA演變到LTE的時(shí)分雙工模式(TD-LTE)，都需要測試儀表。隨著(zhù)CDMA的網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商同樣宣布未來(lái)將演進(jìn)至LTE，LTE與現有的多種無(wú)線(xiàn)技術(shù)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )互連的問(wèn)題變得十分有趣。

那么，為什么LTE對測試而言是一個(gè)挑戰呢?更高的性能、更寬的帶寬、更高的數據速率、更快速的響應時(shí)間(低時(shí)延)、更復雜的天線(xiàn)配置，所有這些都意味著(zhù)開(kāi)發(fā)下一代基站和終端將面臨更大的挑戰。為支持與其他無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)的漫游服務(wù)，例如 TD-SCDMA、CDMA2000和GSM/UMTS，多種無(wú)線(xiàn)標準需要被兼容，特別是早期缺少語(yǔ)音服務(wù)支持的LTE網(wǎng)絡(luò )。另一個(gè)挑戰是在信噪比很差的基站小區邊緣和擁擠的小區內，保持正常的數據吞吐率。LTE將提供下行最快300Mbps和上行75Mbps 的峰值數據速率，因此，優(yōu)化發(fā)射端和接收端的性能，在高噪聲環(huán)境中最好地利用有用信號是必須的。

對世界上大多數地區來(lái)說(shuō)，LTE需要與GSM/GPRS、WCDMA/HSPA 或CDMA2000/1xEVDO共存，而它們所用支持的頻段范圍是746MHz到2.69GHz(Ref: 3GPP TS 36.101)。LTE設備最初的認證頻段預計是FDD 模式Band 1(2,100MHz)、Band 7(2.6GHz)和Band 13(760MHz)，以及TDD模式Band 38(2.6GHz)和Band 40(2.4GHz)。WRC-07會(huì )議已經(jīng)分配了更多的頻段范圍供移動(dòng)業(yè)務(wù)使用，這意味著(zhù)更低頻段(到450MHz) 和更高頻段(到3.6GHz)很有可能在未來(lái)五年里也被LTE使用。

LTE基站測試

從網(wǎng)絡(luò )設備的角度看，LTE E-UTRAN規范包括了被稱(chēng)為系統架構演進(jìn)(SAE)的基礎核心網(wǎng)演變。LTE/SAE定義了一個(gè)新的無(wú)線(xiàn)接口和一個(gè)簡(jiǎn)單的、優(yōu)化的、全IP的核心網(wǎng)。它們提供了更高的頻譜效率和靈活性、每小區更多的用戶(hù)，以及每兆字節更低的成本。LTE/SAE網(wǎng)絡(luò )架構同時(shí)還能與包括GERAN/UTRAN甚至 WiMAX在內的其他無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)共存且互連互通。

LTE SAE可以對核心網(wǎng)中部分原來(lái)的架構進(jìn)行重新使用。然而， 3G LTE E-UTRAN 空中接口定義了一系列新的特性和概念，這就需要一個(gè)龐大的開(kāi)發(fā)方案。因此，通過(guò)測試盡早驗證這些關(guān)鍵功能也變得非常重要。這些功能包括 MIMO、快速低時(shí)延的HARQ 規程反應、最高至64 QAM的高階調制方案，以及通過(guò)一系列射頻頻段與信道帶寬組合/配置的頻譜靈活性?；竟δ軌K的盡早建立將為L(cháng)TE的測試和驗證盡快過(guò)渡到系統階段奠定堅實(shí)的基礎。

LTE SAE通過(guò)基于IP的網(wǎng)絡(luò )和降低包延時(shí)的方法，使LTE SAE比UMTS無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )的整個(gè)架構變的更為簡(jiǎn)單。這是非常重大的變化。 UTRAN采用相對“沉默”的物理層無(wú)線(xiàn)基站，稱(chēng)之為NodeB。這些NodeB通過(guò)星形拓撲結構連接到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器(RNC)，RNC會(huì )管理無(wú)線(xiàn)資源并輪流接入到核心網(wǎng)。對比之下，在簡(jiǎn)化的LTE系統架構中，RNC被完全去掉，而無(wú)線(xiàn)資源管理的工作交給了基站(稱(chēng)之為eNodeB或eNB)。這些 eNBs通過(guò)新定義的“S1”接口直接連接到核心網(wǎng)的網(wǎng)關(guān) 。eNB也能通過(guò)“X2 接口”與鄰近的eNB以網(wǎng)狀形式互連。

除了新的層1和層2功能， eNB還會(huì )處理無(wú)線(xiàn)資源控制，包括準入控制、負載平衡和無(wú)線(xiàn)移動(dòng)性控制 (UE切換判斷)。eNB的多功能和高性能要求，使它在LTE構架中成為一個(gè)復雜和關(guān)鍵的環(huán)節。

基站設備供應商面臨著(zhù)盡快進(jìn)入市場(chǎng)的壓力。階段性、增值和靈活的測試方案，對于LTE基礎設備的開(kāi)發(fā)集成、驗證和優(yōu)化都變得極為重要。 但是，蜂窩網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)的現實(shí)一直是，基站設備總比終端設備(如手機)的開(kāi)發(fā)進(jìn)度更快一些。那么，沒(méi)有終端怎么測試基站呢?答案是運用測試終端技術(shù)，比如 Aeroflex公司的TM500 LTE(圖1)。

TM500 LTE提供UE底層控制和靈活的配置，結合詳細的測量數據使開(kāi)發(fā)工程師能夠迅速診斷問(wèn)題。更重要的是，測試終端除了可以在實(shí)驗室使用外，還可以通過(guò)空中接口演示LTE在真實(shí)環(huán)境中的運行情況。然而，單個(gè)終端測試只是整個(gè)測試的一部分?；竞秃诵木W(wǎng)的設計需要通過(guò)大量UE工作下的強度及優(yōu)化測試來(lái)進(jìn)行驗證。 Aeroflex的TM500 LTE 多UE方案提供了多UE在復雜的調度、負載和容量下的測試驗證方法，以確保給交付給網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商強大、靈活和高性能的解決方案。

LTE終端測試

關(guān)于LTE的終端測試，有許多重要的性能方面的測試需要做。其中有一些是大家熟悉的、和以前的技術(shù)類(lèi)似的，比如最大輸出功率、功率控制和接收靈敏度等。但是，由于LTE采用了與上一代標準完全不同的下行OFDMA和上行SC-FDMA技術(shù)，所以就必須引入很多全新的測試。

為應對LTE終端測試的挑戰，數字無(wú)線(xiàn)測試設備最好能在一臺臺式儀表中，綜合所有主要的測試功能，支持全面的測試來(lái)滿(mǎn)足研發(fā)階段的要求。比如，Aeroflex 7100就可以模擬LTE無(wú)線(xiàn)和核心網(wǎng)，并提供包括無(wú)線(xiàn)接口和相關(guān)協(xié)議棧(包括PDCP和IMS層)在內的所有主要測試功能，以全面描述LTE終端的性能。除了空閑模式和連接模式的表現，端到端的性能也可以準確的評估。

舉例來(lái)說(shuō)，對于OFDMA，每個(gè)子載波的EVM測試就是為衡量調制性能而必須進(jìn)行的測試。隨著(zhù)調制帶寬對中心頻率的占比越來(lái)越高，這對一些調制單元的設計提出了更大挑戰，其結果是EVM指標在頻帶邊緣的惡化。LTE有6種信道帶寬分配方案(1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz)，占用帶寬的測試則非常必要，以保證對所有信道分配來(lái)說(shuō)，發(fā)射輸出保持在信道帶寬之內(圖2)。同樣需要進(jìn)行ACLR測試，以保證使用相鄰頻率的終端間的干擾在規范要求的范圍之內。

由于一些測試的動(dòng)態(tài)特性，類(lèi)似功率控制的測試就需要建立在有信令協(xié)議支持的條件上，這就要求測試設備必須包括協(xié)議棧和模擬eNB基站。為使工程師集中精力做好射頻測試，測試設備應盡量集成可以自動(dòng)操作的信令協(xié)議，而且其中的一些參數可以通過(guò)用戶(hù)靈活定義，如信道號等。

雖然LTE物理層采用循環(huán)前綴來(lái)減少多徑效應的影響，但仍然需要通過(guò)測試來(lái)保證它的正確運行。一個(gè)基帶的多徑衰落選件可以給測試帶來(lái)便利，它可以評估多徑效應對端到端吞吐量的影響。這樣，在外場(chǎng)試驗前就可以首先在實(shí)驗室中看到終端在外場(chǎng)真實(shí)環(huán)境中的表現。綜合3GPP Rel-8協(xié)議棧和物理層使我們可以仿真一個(gè)eNB和演進(jìn)的包交換核心網(wǎng)(EPC) 。一個(gè)集成的IMS服務(wù)器可以對可控環(huán)境中端到端的吞吐量和延時(shí)，進(jìn)行全面的功能測試。

對協(xié)議棧來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)者面臨的最主要挑戰是如何確保滿(mǎn)足對狀態(tài)變化反應的要求。雖然LTE規范已經(jīng)減少了狀態(tài)的數量，但是在數據需要發(fā)送時(shí)，RRC_IDLE和RRC_CONNECTED兩種狀態(tài)間轉換的時(shí)間，仍然是預計延時(shí)的主要部分(圖3)。在RRC_IDLE 模式下，盡可能多的終端會(huì )處于低功耗狀態(tài)以保持電池壽命，這時(shí)只有接收機會(huì )被定期激活來(lái)搜索尋呼消息。而當數據計劃發(fā)送時(shí)，終端必須被激活并快速同步上行鏈路。

本文小節

隨著(zhù)LTE標準化進(jìn)程的加快，它也帶來(lái)了急需解決的新的技術(shù)問(wèn)題。雖然最初的LTE標準目前已被凍結，但如何實(shí)現規范的要求，并盡快推出功能強大的LTE產(chǎn)品，在當前仍然是一個(gè)重大的挑戰。如今，LTE接近100Mbps的用戶(hù)數據速率已經(jīng)可以在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò )中得到實(shí)現，150Mbps的速率也可以通過(guò)測試終端得以實(shí)現。因此，任何測試設備都必須基于面向未來(lái)的平臺，可以通過(guò)簡(jiǎn)單升級支持更高的速率，并同步于LTE終端和基站測試的不斷發(fā)展。