一種手持式NB-IoT終端綜合測試儀的設計與實(shí)現*

摘要：隨著(zhù)5G技術(shù)的成熟與快速發(fā)展，推動(dòng)了窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)的長(cháng)期演進(jìn)。由于具有廣覆蓋、高密度、低功耗、低成本等特點(diǎn)，NB-IoT終端獲得了大量應用，NB-IoT終端信號分析也就成為了終端一致性測試的關(guān)鍵。本文在分析NB-IoT終端測試協(xié)議基礎上，提出了一種手持式NB-IoT終端綜合測試儀設計方法，集成了終端的多種測試功能，提高了NB-IoT終端在生產(chǎn)測試中的測試效率。測量結果驗證了所提方法的有效性。

*基金項目：中國電科集團發(fā)展資金項目，5G專(zhuān)網(wǎng)多通道基站綜測儀

0   引言

隨著(zhù)5G 技術(shù)的成熟與快速發(fā)展，推進(jìn)了窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT 技術(shù)的長(cháng)期演進(jìn)。在3GPP R14、R15 和R16b 版本中，作為低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IoT 技術(shù)的演進(jìn)和升級[1-2]，使之進(jìn)入了5G 候選技術(shù)集合[3]。作為物聯(lián)網(wǎng)通信標準之一，NB-IoT 技術(shù)支持廣泛的新物聯(lián)網(wǎng)設備連接和服務(wù)，有利于實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)設備的大規模部署和低成本、低功耗、長(cháng)電池使用壽命方案的實(shí)施。它具有廣覆蓋、高密度、低功耗、低成本等特點(diǎn)，又能基于現有蜂窩基站基礎設施實(shí)現大量物聯(lián)網(wǎng)設備的互聯(lián)互通，在智慧城市建設、工業(yè)自動(dòng)化、智能交通、智能家居和數字醫療等領(lǐng)域得到了大量應用[4-6]。由于基于NB-IOT 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設備的大規模部署、種類(lèi)繁多的物聯(lián)設備和低成本要求，對這些設備的各種測試提出了很高的要求，測試的復雜性也隨之增加。

對于NB-IOT 終端設備的測試主要分為NB-IOT 協(xié)議一致性測試、NS-IOT 測試、RRM 一致性測試、射頻RF 指標測試、功耗測試、互操作性測試、OTA 測試和產(chǎn)線(xiàn)測試等。文獻[7-8] 基于TTCN-3 技術(shù)提出了NB-IoT 終端射頻一致性測試平臺，僅能滿(mǎn)足協(xié)議棧的一致性測試和實(shí)驗室驗證。如何滿(mǎn)足不同種類(lèi)NB-IoT終端設備的低成本高效測試已成為一個(gè)亟待解決的難題。目前國外主流儀表生產(chǎn)廠(chǎng)商都是基于現有儀表硬件架構，通過(guò)NB-IoT 軟件升級包的形式支持測試，因此其低成本的優(yōu)勢也就不再顯現；國內儀表廠(chǎng)商對于NBIoT測試的儀表功能單一。綜上所述，本文針對NBIOT終端設備提出了一種低成本、手持式、支持多功能測試的終端綜測儀軟硬件設計方法和實(shí)現技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介：王先鵬（1986—），男，通信作者，碩士，工程師，主要研究方向：5G NR/LTE移動(dòng)通信測試系統開(kāi)發(fā)，e-mail:wangxianpeng86@163.com。

1   NB-IoT終端綜測軟硬件設計

1.1 硬件平臺設計

由于NB-IoT 終端具有低功耗、低成本等特點(diǎn)，所以NB-IoT 終端綜測硬件平臺需要一個(gè)高指標，低成本的射頻前端模塊、高效的數據處理模塊和協(xié)議棧模塊以及低功耗分析檢測模塊。綜合考慮多方面因素，本文提出了一種硬件總體設計方案，結構如圖1 所示。

圖1 NB-IoT終端綜測議硬件結構框圖

射頻模塊由射頻發(fā)射通道、射頻接收通道、收發(fā)本振、射頻開(kāi)關(guān)矩陣和時(shí)基參考板構成，實(shí)現射頻信號與中頻信號的相互轉化。射頻開(kāi)關(guān)矩陣使用NB-IoT終端產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化快速測試方法，而一般單臺儀表的標配為一個(gè)收發(fā)合路的天線(xiàn)模塊。射頻頻率范圍為（70~6 000）MHz。中頻處理模塊由FPGA+ARM 結構組成，FPGA 實(shí)現下行信號的發(fā)送和上行信號的采集分析，ARM 實(shí)現線(xiàn)程調度、數據分析、與人機接口通信以及整機狀態(tài)維測管理等；協(xié)議棧模塊負責NB-IoT 信令流程交互控制；功耗分析模塊實(shí)現對終端的電流分析。

NB-IoT 下行采用OFDMA 技術(shù)，占用帶寬200 kHz，實(shí)際占用180 kHz，兩邊各有10 kHz 的保護帶寬，在LTE Inband 部署時(shí)相當于1 個(gè)RB。下行子載波帶寬15 kHz。NB-IoT 上行則采用SC-FDMA 技術(shù)，有3.75 kHz和15 kHz 兩種帶寬。鑒于射頻硬件和FPGA+ARM 構成的數據處理模塊的通用性（例如支持LTE 測試），中頻處理單元采樣率設為30.72 Mbit/s，分析帶寬為30.72 MHz。中頻信號處理單元將中頻信號通過(guò)A/D 模數轉換器變成數字信號，且FPGA 可以采用中頻功率或者幀同步實(shí)現終端上行信號的同步。

1.2 軟件架構設計

根據硬件架構以及支持的功能劃分，NB-IoT 終端綜測儀軟件架構如圖2 所示。

圖2 NB-IoT終端綜測儀軟件架構圖

從圖中可以看出，軟件部分主要包含中頻和射頻邏輯處理模塊、驅動(dòng)模塊、ARM 中的業(yè)務(wù)調度模塊、數據處理模塊、統計分析模塊、TCP 通信模塊、協(xié)議棧和人機/ 自動(dòng)化接口等。NB-IoT 物理層的數據分析由FPGA 完成實(shí)時(shí)IQ 數據的采集、解調和計算，ARM 進(jìn)行業(yè)務(wù)調度，同步實(shí)現數據處理和統計分析。協(xié)議棧模塊僅在進(jìn)行NB-IoT 協(xié)議測試（信令模式）時(shí)才被激活，與FPGA 中物理層實(shí)時(shí)處理單元構建一個(gè)完整的上下行通信鏈路。

2   測試結果

本文選擇NB-IoT 終端進(jìn)行非信令模式下射頻指標測試。中心頻率1 GHz 作為測試例，模式設置為DL FDD Stand-alone，觸發(fā)模式為中頻功率觸發(fā)，相關(guān)參數配置按照3GPP TS 36.101、3GPP TS 36.521 協(xié)議中規定進(jìn)行設置[9-10]，具體測試結果如圖3 所示。

圖3 NB-IoT射頻指標非信令測試結果

圖3 中顯示與NB-IoT 終端上行信號同步成功，并從時(shí)域、頻域和解調域3 個(gè)方面對終端上行信號進(jìn)行了分析，包括：EVM、星座圖、頻譜、時(shí)域功率和資源分配表等。

3   結束語(yǔ)

本文針對NB-IoT 的特點(diǎn)和測試需求，提出的硬件平臺設計方法可以實(shí)現NB-IoT 的信令與非信令測試，通過(guò)8T8R 功分模塊實(shí)現產(chǎn)線(xiàn)多終端自動(dòng)化并行快速測試。本文所提出的設計方案實(shí)現了單臺NB-IoT 終端綜測儀集協(xié)議測試、射頻指標測試、RRM 測試的一體化，在生產(chǎn)測試和內外場(chǎng)測試中顯著(zhù)提高測試效率，降低了成本。

參考文獻：

[1] 解運洲.NB-IoT標準體系演進(jìn)與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展[J].物聯(lián)網(wǎng)學(xué)報,2018,2(1):76-87.

[2] 黃宗偉.3GPP窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)在R14版本中的增強[J].廣東通信技術(shù),2019(1):14-17.

[3] 黃海峰.NB-IoT確定為5G候選技術(shù) 未來(lái)發(fā)展將加速[J].通信世界,2019(0): 5-6.

[4] 高宏宇,王鴻磊,凌啟東.基于NB-IoT的云平臺無(wú)線(xiàn)數據監控系統設計[J].河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報術(shù),2019,21(1):10-13.

[5] 邵澤華.NB-IoT通信技術(shù)在智能燃氣表的應用[J].煤氣與熱力,2019(5):后插24-27.

[6] 李建飛,李建鑫.基于NB-IoT技術(shù)的水質(zhì)監測系統設計[J].價(jià)值工程,2019(29):230-232.

[7] 王晰,李致遠.NB-IoT終端一致性測試模型設計[J].移動(dòng)通信,2018,42(5):6-13.

[8] 陳發(fā)堂,周述淇,鄭輝.NB-IoT隨機接入過(guò)程的分析與實(shí)現[J].電子技術(shù)應用,2018,44(2):75-79,87.

[9] 3GPP TS 36.101 V16.8.0(2020-12);Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);User Equipment(UE) radio transmission and reception(Release 16)[S],2020.

[10] 3GPP TS 36.521 V16.7.0(2020-12);Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);User Equipment(UE) conformance specification; Radio transmission and reception (Release 16)[S],2020.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）