基于信道仿真器全面測試LTE系統

短短幾年間，移動(dòng)數據業(yè)務(wù)就已從開(kāi)始時(shí)的緩慢不堪以致沒(méi)法實(shí)用，發(fā)展到現今如像Wi–Fi一樣好用。隨著(zhù)消費者和商業(yè)應用開(kāi)發(fā)者急于找到能利用改進(jìn)的移動(dòng)數據服務(wù)所需的方法，技術(shù)專(zhuān)家也在努力提供更新、更快、更強大的寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )以支持這種需求。

隨著(zhù)用戶(hù)、手機制造商、應用開(kāi)發(fā)商和服務(wù)提供商都把注意力專(zhuān)注于將拉動(dòng)市場(chǎng)增長(cháng)的下一個(gè)大應用，目前的手機行業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)已從“最少掉線(xiàn)”轉移到“最快網(wǎng)絡(luò )”上。這種需求的增長(cháng)主要來(lái)自數據傳輸。

現有的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )容量受到限制，因此為維持這種增長(cháng)，就需要網(wǎng)絡(luò )具有如下特性：平順、全IP(因特網(wǎng)協(xié)議)架構、更大的容量、每比特更低的成本、更快的連接、更短的延遲、提高的視頻能力。隨著(zhù)數據服務(wù)持續爆炸性增長(cháng)，制造商和服務(wù)供應商將如何才能確保新設備和新應用能提供用戶(hù)期望的質(zhì)量、吞吐量和性能呢？

幾家領(lǐng)先的行業(yè)組織正在制定旨在推動(dòng)4G寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)展、使這些日益復雜的設備能正常工作、使這些要求很高的應用得以實(shí)施的技術(shù)標準，包括稱(chēng)為長(cháng)期演進(jìn)(LTE)和802.16e-2005或移動(dòng)WiMAX。LTE和移動(dòng)WiMAX有一個(gè)主要的共同特性，它們都采用正交頻分多址(OFDMA)和多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)。本質(zhì)上，OFDMA和MIMO能以更小帶寬提供更高水平的數據傳輸能力。

對空中接口(在發(fā)射器和接收器之間射頻信號的物理路徑)的影響而言，OFDMA和MIMO系統可提升射頻發(fā)射器和接收器的整體性能。無(wú)線(xiàn)電信道會(huì )受到多方面的影響，比如信號延遲、衰減和障礙物等。這些因素既可能結合起來(lái)改善信號傳輸條件、也可能損壞所傳輸的信號，即它們可對整體信道吞吐量/數據速率產(chǎn)生正反兩方面影響。

OFDMA是一種魯棒的數字調制機制，能提高整體頻譜效率。為減少多徑干擾，它采用更少的每載波符號率，但它也使用多個(gè)載波來(lái)增加數據速率。OFDMA是在若干載波上同時(shí)傳輸多個(gè)符號，而不是在一個(gè)時(shí)間內傳送一個(gè)符號。副載波分布于多個(gè)頻率，且是“正交”的，從而避免相鄰副載波造成的任何干擾。

MIMO系統利用多個(gè)發(fā)送和接收數據路徑以顯著(zhù)增加吞吐量、擴大鏈接覆蓋范圍而無(wú)需額外帶寬或增加發(fā)射功率?？梢圆捎脦追N不同技術(shù)實(shí)現MIMO，包括空間復用、自適應天線(xiàn)系統(AAS)、空時(shí)編碼(STC)和最大比合并(MRC)。

空間復用一般通過(guò)增加系統的容量來(lái)改善性能。AAS通過(guò)把信號功率指向用戶(hù)或使干擾源的影響為零來(lái)擴大網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍。STC(分集發(fā)射)和MRC(分集接收)分別發(fā)送和接收相同用戶(hù)數據的多個(gè)副本，以避免衰減等損害。

傳統測試方法及限制

隨著(zhù)復雜和專(zhuān)門(mén)的新硬件和新軟件的推出，測試的挑戰在增加。測試工具是已發(fā)生根本改變的一個(gè)領(lǐng)域，特別是用于驗證新一代射頻發(fā)射和接收器測試的工具發(fā)生了翻天覆地的變化。有三種方法可用以測試發(fā)射器和接收器的性能：直接電纜連接、空中測試、借助信道仿真器的連接，如圖1所示。

圖1：用以測試發(fā)射器和接收器的性能的三種方法。

射頻測試傳統上一直是先在實(shí)驗室進(jìn)行，然后再進(jìn)行空間定點(diǎn)測試以及現場(chǎng)測試。通常，測試射頻電路的第一步是用射頻電纜和連接器將射頻發(fā)射器與接收器直接連接起來(lái)。雖然這種測試配置形態(tài)允許以一種受控和可重復的方法測試發(fā)射器和接收器的性能，但它是一種理想化、非真實(shí)的場(chǎng)景。

以電纜為基礎的測試無(wú)法滿(mǎn)足模擬當信號在空間傳輸以及無(wú)線(xiàn)設備在運動(dòng)中所處的真實(shí)世界動(dòng)態(tài)條件下所需的更復雜的測試要求。由于MIMO技術(shù)依賴(lài)真實(shí)世界行為以提高操作性能，所以在一些測試情況下，實(shí)驗室/以電纜為基礎的測試是無(wú)效，在許多其它測試中也是不適當的。

空中(OTA)測試是指對將射頻信號通過(guò)空間傳播到一個(gè)物理上的遠程接收器這一過(guò)程進(jìn)行的測試，它能提供一定程度的性能測量，但無(wú)法提供一致的準確性和可重復性。OTA試驗一般是在大房間或野外進(jìn)行，其條件并不完全可控或可重復，從而導致不同的測試有不同的結果。力圖在多種噪聲和不同干擾的現場(chǎng)條件下搭建數百個(gè)復雜的測試環(huán)境的努力是一項既耗時(shí)又費錢(qián)的工作。
先進(jìn)的4G測試：信道仿真

LTE和移動(dòng)WiMAX技術(shù)的推出，尤其是其OFDMA和MIMO特征，需要先進(jìn)的測試能力和工具以確保產(chǎn)品設計滿(mǎn)足或超過(guò)3GPP/802.16e的性能預期?；贛IMO 和OFDMA的4G技術(shù)的復雜物理層和開(kāi)放接入要求，也對無(wú)線(xiàn)性能/接口質(zhì)量提出了更高要求，從而使4G測試比以往更復雜。

為彌補實(shí)驗室和OTA測試之間的差異，通常采用信道仿真器以精確地表征在實(shí)驗室環(huán)境下、基于MIMO和OFDMA的系統的多信道射頻交互對一致性、性能和互操作性方面的影響。

利用復雜信道模型和多個(gè)可編程參數，信道仿真器以可控和可重復的方式復制再現了真實(shí)世界的信道傳播條件，從而支持廠(chǎng)商和服務(wù)提供商能在真實(shí)世界條件下測試設備，進(jìn)而把在“真實(shí)”世界中進(jìn)行測試所花的時(shí)間和費用降至最低。

通過(guò)在實(shí)驗室中重現真實(shí)世界的信道條件，基站和移動(dòng)設備的信道仿真測試過(guò)程可得以大大簡(jiǎn)化、效率可得以顯著(zhù)提升。信道仿真是有效測試LTE、移動(dòng)WiMAX或任何基于MIMO系統的關(guān)鍵。從最初的研究和設計、到系統集成、質(zhì)量保證甚至認證和競爭性基準測試等環(huán)節，都需要信道仿真。使用信道仿真器，射頻設計和性能可被驗證、測試覆蓋范圍可被擴充、測試次數可被減少、還可在相對短的時(shí)間內將更高質(zhì)量的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

合適的信道仿真器

為滿(mǎn)足最新和新興的移動(dòng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的測試需求，評估為這些工作所選的信道仿真器是否滿(mǎn)足對一致性、功能、性能和互操作性等測試的多樣化需求就是至關(guān)重要的。如上所述，最新的無(wú)線(xiàn)寬帶技術(shù)采用了OFDMA，它在最高可達64態(tài)正交調幅(64QAM)的高階調制上進(jìn)行傳輸，此外還采用了利用多天線(xiàn)的MIMO技術(shù)。

因此，信道仿真器需要具有射頻保真和可擴展能力以處理和測試這些功能。下面所列的若干項，是工程師在為測試設備和網(wǎng)絡(luò )選擇信道仿真器時(shí)應著(zhù)力考察的一些關(guān)鍵技術(shù)指標和能力。圖2展示了采用信道仿真器進(jìn)行測試的例子。借助全雙向MIMO信道，eNodeB可以連接到多臺用戶(hù)設備(UE)。該信道仿真環(huán)境可為每個(gè)用戶(hù)都提供一個(gè)不同路徑，且同時(shí)提供了在下行和上行都帶衰減的現實(shí)世界場(chǎng)景。下面給出了該信道仿真環(huán)境具有的特性。

圖2：采用信道仿真器進(jìn)行測試的例子。

可擴展性/多信道：最多4×4結構以支持空間復用、空時(shí)編碼/最大比合并及波束成形。靈活的配置：包括配置用于吞吐量和切換型測試的點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)、單向和雙向的能力。雙向：時(shí)分雙工(TDD)、頻分雙工(FDD)、波束成形等，都需要現實(shí)世界的上行和下行兩個(gè)方向。高的射頻保真能力：不會(huì )妨礙測試的足夠寬的誤差向量幅度(EVM)、本底噪聲和動(dòng)態(tài)功率范圍。信道模型：為測試各種場(chǎng)景，需要標準和用戶(hù)自定義信道模型。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信道建模：長(cháng)的模型重復和回放時(shí)間?？刂坪妥詣?dòng)化：基于圖形用戶(hù)界面(GUI)和腳本的仿真控制，以構建測試自動(dòng)化。易于使用：簡(jiǎn)單的設置、配置和測試執行以及測試結果的收集，以支持獨立或集成測試。

本文小結

諸如采用了MIMO和OFDMA技術(shù)的LTE和移動(dòng)WiMAX等復雜的寬帶無(wú)線(xiàn)技術(shù)加之用戶(hù)對新推出的移動(dòng)寬帶服務(wù)的高度期待，推動(dòng)了為確保網(wǎng)絡(luò )互操作性和性能進(jìn)行更深入廣泛測試的需求。采用信道仿真器利用重構的現實(shí)世界信道條件來(lái)測試設備極大簡(jiǎn)化了更全面測試的實(shí)施。

通過(guò)提供一種廣泛且具成本效益的解決方案以測試射頻和MIMO算法是否工作正常，并預測在現實(shí)世界環(huán)境下基于MIMO技術(shù)的產(chǎn)品的性能，實(shí)驗室控制的信道仿真可以準確地表征設備和網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)交互對一致性、性能、以及互操作性的影響。只有通過(guò)這樣全面的測試，制造商才能確保新的、數據密集型應用和設備能成功在4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中發(fā)揮作用。