4G LTE設(shè)備測試的考慮因素

本文旨在對(duì)4G LTE和LTE-Advanced設(shè)備在制造和測試過程中會(huì)遇到的一些挑戰(zhàn)進(jìn)行分析。這些挑戰(zhàn)既有技術(shù)方面的，也有經(jīng)濟(jì)方面的。了解哪些缺陷需要檢測有助于我們?cè)趯?shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中采用更好的測試方法。4G設(shè)備制造商們可以通過現(xiàn)有測試技術(shù)和未來新型測試?yán)砟畹慕Y(jié)合，來確保為他們的客戶提供高質(zhì)量的用戶體驗(yàn)。

LTE和LTE-Advanced技術(shù)：速度和數(shù)據(jù)容量

4G蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的部署同時(shí)為消費(fèi)者和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商帶來了益處。

個(gè)人消費(fèi)者會(huì)發(fā)現(xiàn)4G技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前2G和3G移動(dòng)技術(shù)所能提供的速率。

3G技術(shù)讓移動(dòng)設(shè)備訪問互聯(lián)網(wǎng)，而4G時(shí)代則為我們帶來了充滿活力的多媒體用戶體驗(yàn)，我們將能隨時(shí)隨地創(chuàng)建、使用和共享信息。此外，在某些有線寬帶設(shè)施不太成熟的區(qū)域，4G技術(shù)能讓用戶以無線方式訪問互聯(lián)網(wǎng)，且連接速度可以超過某些有線網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商而言，4G技術(shù)除了為消費(fèi)者提供質(zhì)量更高的用戶體驗(yàn)之外，其主要優(yōu)點(diǎn)還在于它能顯著提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量（即發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)量）。實(shí)際上，這滿足了各種移動(dòng)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)量的幾乎永無止境的需求——當(dāng)然，為滿足流量的增加，我們需要相應(yīng)地提高回程網(wǎng)絡(luò)（接入網(wǎng)到交換中心，交換中心到骨干網(wǎng)）的容量和連接到互聯(lián)網(wǎng)的能力。LTE和LTE-Advanced技術(shù)的物理層能確保對(duì)寶貴的無線頻譜資源（bits/Hz）的更有效利用，從而使運(yùn)營商能在相同的空間和時(shí)間里傳輸更多的數(shù)據(jù)。此外，由于LTE是一種基于數(shù)據(jù)包的技術(shù)，所以它允許運(yùn)營商對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整。因?yàn)檎Z音和數(shù)據(jù)都被簡單地作為“數(shù)據(jù)”進(jìn)行處理，所以這能幫助簡化核心網(wǎng)絡(luò)的部署和管理。通過對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整，就可以升級(jí)現(xiàn)有的回程線路以滿足對(duì)數(shù)據(jù)的額外需求量，同時(shí)，核心網(wǎng)絡(luò)的路由已可以通過標(biāo)準(zhǔn)（高速）IP交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而也擴(kuò)大了運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)連接到Internet的“通道”的容量。 

長遠(yuǎn)地看，隨著4G網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建達(dá)到一定程度（即網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商能提供一個(gè)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)可比的覆蓋率）時(shí)，語音將可以通過VoLTE（LTE語音傳輸）技術(shù)轉(zhuǎn)換到4G網(wǎng)絡(luò)，屆時(shí)，運(yùn)營商將可以縮減2G和3G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。這意味著運(yùn)營商可以更簡單地實(shí)施網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)，還可以對(duì)目前專用于語音呼叫的頻譜進(jìn)行“重整”。通過這種更有效的技術(shù)，運(yùn)營商將實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜——這種有限的自然資源——的節(jié)約利用。

LTE的測試挑戰(zhàn)

你可能會(huì)說4G蜂窩通信技術(shù)并沒有帶來真正新的東西（至少在物理層上）。LTE和LTE-
Advanced中采用的這些新技術(shù)只是通信行業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）部門一直以來所倡導(dǎo)的技術(shù)，它包括正交頻分復(fù)用（OFDM）、多入多出（MIMO）和載波聚合。

但這并不等于說，在開發(fā)和測試4G網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的過程中就沒有挑戰(zhàn)了。與2G和3G移動(dòng)設(shè)備相比，4G通信設(shè)備需要額外考慮對(duì)一些新的傳輸技術(shù)進(jìn)行測試。讓我們來看一下其中一些新技術(shù)，并了解一下它們是如何影響制造過程的不同階段的。

LTE采用新的傳輸技術(shù)

LTE-Advanced采用的新技術(shù)主要是MIMO和載波聚合。如前文所述，這些技術(shù)早已被用在最新的Wi-Fi設(shè)備中，用于測試MIMO技術(shù)的框架也已開發(fā)完成。我們現(xiàn)在感興趣的是，如何對(duì)圖1所示過程（從研發(fā)到印刷電路板組件（PCBA）的校準(zhǔn)和綜測，再到最終產(chǎn)品的測試）中的每個(gè)階段進(jìn)行MIMO和載波聚合的測試，以及測試哪些項(xiàng)目。

圖1 智能手機(jī)生產(chǎn)測試流程

蜂窩移動(dòng)設(shè)備載波聚合技術(shù)遇到的其中一個(gè)挑戰(zhàn)就是，世界各地分配的頻譜非常零散，且由于有限的頻譜資源以及對(duì)頻譜分配的監(jiān)管限制，可以聚合的連續(xù)LTE頻帶幾乎沒有。例如：對(duì)于大多數(shù)常用的全球性LTE FDD頻帶，連續(xù)的頻譜40MHz都不到，這使得部署“帶內(nèi)”（在同一頻帶內(nèi)）LTE載波聚合變得很困難。正因?yàn)槿绱?，多?shù)載波聚合的部署逐漸走向“帶間”（兩個(gè)或多個(gè)頻帶間）載波聚合。這意味著設(shè)備將同時(shí)在完全分散的頻帶上進(jìn)行發(fā)送和接收，且這些頻帶之間有時(shí)會(huì)相差1GHz之多。下面圖2對(duì)不同類型的載波聚合部署方式進(jìn)行了說明。

圖2 3GPP規(guī)范中對(duì)LTE載波聚合類型的定義

帶間載波聚合會(huì)對(duì)4G設(shè)備帶來一些有趣的挑戰(zhàn)，我們發(fā)現(xiàn)初始部署僅局限于下行鏈路（基站到手機(jī)）。僅部署在下行鏈路上的載波聚合有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，由于用戶傳回網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通常會(huì)比消費(fèi)的數(shù)據(jù)量更少，這種部署就避免了上下行鏈路都部署載波聚合帶來的資源浪費(fèi)。其次，增加上行鏈路（手機(jī)到基站）的帶間載波聚合需要在手機(jī)中增加一個(gè)能同時(shí)運(yùn)行的功率放大器（這會(huì)影響前端天線的結(jié)構(gòu)和電池壽命）。

從測試設(shè)備的角度來看，由于大部分現(xiàn)有的生產(chǎn)測試設(shè)備只能生成或測量40MHz至160MHz范圍內(nèi)的信號(hào)——這離帶間載波聚合的大于1GHz的要求還差得多。這就需要找到一種新的低成本高效益的生產(chǎn)測試解決方案，而不是簡單地增加測試設(shè)備的硬件數(shù)量。

此外，生產(chǎn)環(huán)境中的一些實(shí)際的限制因素也會(huì)影響我們?cè)跍y試方面的決定。例如，“非信令”測試將成為移動(dòng)設(shè)備生產(chǎn)過程的測試趨勢（特別是在印刷電路板裝配階段）。這種測試技術(shù)基于芯片廠商開放的一種測試模式，在這種測試模式下允許對(duì)手機(jī)進(jìn)行直接控制來配置頻帶、信道和功率控制等。因?yàn)?ldquo;非信令”測試是對(duì)待測物的調(diào)制解調(diào)器和收發(fā)器進(jìn)行直接控制，其速度通常是采用無線接口的控制方法（稱為“信令”模式）的兩倍，測試時(shí)間的降低直接降低了手機(jī)的生產(chǎn)成本，所以非信令測試技術(shù)的開發(fā)可以說是出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮。

在本文發(fā)表之時(shí)，現(xiàn)有的非信令測試模式對(duì)載波聚合的測試能力是有限的。通常情況下，載波是被依次序列測試的，這樣雖能提供每個(gè)載波被同步和接收的信息，但它不一定能提供用戶層面的性能信息，如數(shù)據(jù)吞吐速率。對(duì)于PCBA層面，載波的序列測試不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量問題，只要在后續(xù)最終產(chǎn)品層面進(jìn)行某種“用戶體驗(yàn)”測試（一種能確保設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況滿足最終用戶期望的測試）。這使制造商能夠繼續(xù)對(duì)LTE設(shè)備和LTE-advanced設(shè)備使用相同的測試設(shè)備，而不需要昂貴的設(shè)備升級(jí)。但是，這種方法卻帶來了一個(gè)問題：對(duì)LTE載波進(jìn)行串行測試將增加測試時(shí)間，從而直接增加測試成本。為了解決這個(gè)問題，設(shè)備制造商需依賴測試設(shè)備制造商和芯片供應(yīng)商對(duì)測試方法進(jìn)行不斷創(chuàng)新，以減少測試時(shí)間。

多頻段智能手機(jī)

4G LTE設(shè)備測試和設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)之一是3GPP規(guī)范定義的40多個(gè)全球頻段。想在一個(gè)智能手機(jī)一樣的物體內(nèi)放入許多天線，以覆蓋更多的頻帶，這是極其困難的做法。這一挑戰(zhàn)要求我們?cè)谔炀€和天線組件的開發(fā)上進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新。雖然一根天線可以做成在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi)工作，但它最有效的工作范圍一般只是其中很窄的一段。當(dāng)應(yīng)對(duì)很弱的信號(hào)和外形尺寸較小的移動(dòng)電話時(shí)，盡可能降低信號(hào)損失以減少“掉線”以及延長電池使用壽命是至關(guān)重要的。迎接4G技術(shù)中這個(gè)天線設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)需要我們采用各種新技術(shù)，這其中包括不同頻段的動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)——一種可確保只用幾根天線就能覆蓋整個(gè)LTE頻譜的技術(shù)。

當(dāng)對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行測試時(shí)，它更有點(diǎn)像實(shí)驗(yàn)室外面進(jìn)行的非正規(guī)試驗(yàn)。設(shè)計(jì)工程師們通常需要在某種“遠(yuǎn)場”測試室里為某個(gè)特定的天線幾何形狀和智能手機(jī)的外形尺寸進(jìn)行天線性能的特性分析。雖然這仍是對(duì)4G手機(jī)開發(fā)的一個(gè)要求，但這種技術(shù)對(duì)此類設(shè)備的生產(chǎn)過程而言卻不是很實(shí)用的。最終產(chǎn)品的測試將需要進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新，以便在設(shè)備功能測試之外還能提供更精確的參數(shù)化的測試數(shù)據(jù)。

與載波聚合的情況相同，智能手機(jī)需覆蓋的越來越多的頻段也會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)方面的影響，這種影響和測試時(shí)間有直接的關(guān)系。即使智能手機(jī)和測試設(shè)備的價(jià)格在過去幾年里已有所下降，測試時(shí)間卻還是成本最高的要素。設(shè)備測試所花費(fèi)的時(shí)間直接影響工廠的運(yùn)營支出（OPEX），而且其影響程度比資本支出（CAPEX）更大。LTE技術(shù)的靈活性造成了測試項(xiàng)目數(shù)量的大大增加。因此測試的許多方面都需要?jiǎng)?chuàng)新的測試方法，這包括非信令設(shè)備控制等技術(shù)（它能幫助建立新的測試配置方法，從而用盡可能少的測試項(xiàng)目來找出盡可能多的潛在制造缺陷），以及多設(shè)備并行測試的技術(shù)。 

LTE的生產(chǎn)挑戰(zhàn)

除了上面章節(jié)討論過的一些挑戰(zhàn)外，4G設(shè)備還面臨一些生產(chǎn)方面的新挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)也為我們提出了新的測試要求。前面已討論過的測試類型中大多數(shù)是功能性的測試，目的是要找出生產(chǎn)裝配過程中的誤差。由于4G智能手機(jī)的復(fù)雜性，即使是生產(chǎn)裝配過程中很小的誤差都可能在設(shè)備用戶層面的性能上產(chǎn)生很大的影響。

檢測天線裝配質(zhì)量

當(dāng)前的生產(chǎn)過程通常會(huì)對(duì)天線采用一種“無線式”用戶層面的功能檢查，但由于所用測試室物理尺寸的限制，很難保證所有頻段上天線的“真實(shí)”性能。這種測試通常只是一種粗略的功能檢查，目的是確保電話的線路板已正確插入智能手機(jī)機(jī)殼并連接到天線。由于目前使用的試驗(yàn)室的局限性，應(yīng)用于待測物的上下限通常是相當(dāng)“寬松”的，這限制了測試結(jié)果所能揭示的定性信息。

在過去幾年里，媒體曾討論過一些影響較大的、直接與天線組件有關(guān)的質(zhì)量問題。為此，制造商已采取了相應(yīng)的對(duì)策，確保檢測天線組件質(zhì)量問題的測試項(xiàng)目得到落實(shí)，但由于LTE-Advanced技術(shù)為消費(fèi)者帶來了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此，天線組件引起的哪怕幾個(gè)分貝的靈敏度損失都會(huì)影響消費(fèi)者的實(shí)際體驗(yàn)。

為確保向用戶提供良好的用戶體驗(yàn)，測試服務(wù)提供商需要尋找性價(jià)比較高的創(chuàng)新手段。任何生產(chǎn)過程中遺漏的、會(huì)影響手機(jī)天線性能的問題都將直接導(dǎo)致掉線或最大數(shù)據(jù)傳輸速率的降低。

檢測設(shè)備的“脫敏性”

設(shè)備脫敏性（設(shè)備接收器的靈敏度由于內(nèi)部噪聲或干擾的影響而退化）通常在工程研發(fā)階段進(jìn)行考慮。畢竟，隨著當(dāng)前多核處理器處理能力的提高，LTE頻帶的日益增加，以及最終產(chǎn)品外形尺寸的減小，每個(gè)組件的位置或內(nèi)部屏蔽技術(shù)都可以影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。為發(fā)現(xiàn)和避免這類問題，人們已在設(shè)計(jì)環(huán)境中給予了極大的重視和努力。然而，這里還存在生產(chǎn)方面的考慮因素。

就以天線組件的問題而言，小小的制造缺陷，如螺釘扭矩的不當(dāng)，屏蔽蓋或墊圈的焊接不完整，都會(huì)導(dǎo)致4G設(shè)備靈敏度的降低。但是，目前采用的無線測試技術(shù)還不夠精確，還不能檢測這類缺陷。

在PCBA層面上，測試一般通過電纜（有效地繞過天線）進(jìn)行，也稱為“傳導(dǎo)”測試，而不是通過無線方式進(jìn)行。PCBA層面中的手機(jī)校準(zhǔn)環(huán)節(jié)，要求極高的精度，目前的無線式生產(chǎn)測試系統(tǒng)還無法達(dá)到。更深入的驗(yàn)證一般在校準(zhǔn)完成后進(jìn)行，也使用電纜，驗(yàn)證可以提供有重要參考價(jià)值的測試指標(biāo)數(shù)據(jù)，并且可直接與最終的用戶體驗(yàn)聯(lián)系起來。然而，連接電纜的測試環(huán)境只是一個(gè)理想的情景，不能反映“真實(shí)世界”的性能。

設(shè)備的脫敏性可以通過比較電纜連接環(huán)境獲得的測量值和遠(yuǎn)場實(shí)驗(yàn)室獲得的工程數(shù)據(jù)來揭示。如果測量結(jié)果相同，那么電纜連接環(huán)境測得的數(shù)據(jù)可以反映實(shí)際的系統(tǒng)性能。但是，如果測量結(jié)果不一致，那就表明設(shè)備內(nèi)部存在一定程度的脫敏；這里，遠(yuǎn)場測試結(jié)果可以反映用戶的實(shí)際體驗(yàn)，而電纜連接環(huán)境卻不能。脫敏會(huì)以多種方式在用戶使用過程中反映出來，如掉線、最大數(shù)據(jù)傳輸速率下降、或電池壽命縮短。

脫敏現(xiàn)象甚至可以在設(shè)備的一個(gè)LTE頻帶內(nèi)存在，而另一個(gè)頻帶卻不存在，如圖3中兩個(gè)曲線圖所示（測試使用一個(gè)市場上出售的智能手機(jī)）。第一個(gè)曲線圖反映的是LTE頻帶4的情況，我們發(fā)現(xiàn)無線和電纜連接兩種環(huán)境下接收器靈敏度曲線相互重合，表示不存在脫敏現(xiàn)象。但是，在第二個(gè)曲線圖中（LTE頻帶17），靈敏度的無線測試結(jié)果相對(duì)電纜連接環(huán)境下的測量值下降了5dB。這表明設(shè)備在該頻段上存在5dB左右的脫敏現(xiàn)象。


圖3 接收器靈敏度上捕獲的脫敏現(xiàn)象

在現(xiàn)今生產(chǎn)環(huán)境下對(duì)電纜連接方式的測試與遠(yuǎn)場測試的比較是不切實(shí)際的，因?yàn)殡娎|連接方式適合工廠產(chǎn)線測試，而遠(yuǎn)場測試則不適合；電纜連接方式的測試不能測設(shè)備脫敏性，而遠(yuǎn)場測試可以。于是，如果存在某種技術(shù)能兼容兩者的優(yōu)點(diǎn)，從而確保最終成品的質(zhì)量，無疑是非常有好處的。

確保智能手機(jī)性能并保證高質(zhì)量的用戶體驗(yàn)的能力可以對(duì)4G設(shè)備供應(yīng)商的財(cái)務(wù)業(yè)績起到積極的作用，原因如下：第一，它能幫助提升4G設(shè)備供應(yīng)商的品牌價(jià)值；第二，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商將更有可能接受和采用該供應(yīng)商的4G設(shè)備。今天，少數(shù)幾個(gè)設(shè)備供應(yīng)商分享著整個(gè)智能設(shè)備市場上大部分的利潤。這是因?yàn)檫@些供應(yīng)商通過他們的產(chǎn)品在市場上培育了一種質(zhì)量第一的信譽(yù)。消費(fèi)者因?yàn)橹肋@些供應(yīng)商通過設(shè)計(jì)和測試來保證智能設(shè)備的質(zhì)量，所以也愿意花更多的錢來放心購買他們的產(chǎn)品。從運(yùn)營商的角度來看，他們需要確保在基礎(chǔ)設(shè)施上升級(jí)并投資數(shù)十億美元之后，這些新的設(shè)備能幫助他們的新網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮最大的潛力，這對(duì)他們是至關(guān)重要的。因此，運(yùn)營商跟消費(fèi)者一樣將青睞那些以測試手段保證產(chǎn)品質(zhì)量的設(shè)備供應(yīng)商。

技術(shù)互通性挑戰(zhàn)

正如前文所述，4G技術(shù)能為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商帶來的好處之一就是它是一種完全基于數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。此外，Wi-Fi等其他基于數(shù)據(jù)包的技術(shù)現(xiàn)在已是每部智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)功能。隨著運(yùn)營商向VoLTE（LTE語音傳輸）技術(shù)的轉(zhuǎn)變，各種新型的、能使我們?cè)?strong>LTE和Wi-Fi之間進(jìn)行語音切換的使用模式將會(huì)出現(xiàn)。這將使運(yùn)營商能在用戶進(jìn)入Wi-Fi覆蓋區(qū)域后降低網(wǎng)絡(luò)的流量。目前，生產(chǎn)環(huán)境下幾乎沒有技術(shù)互通性的測試。目前理想的做法是在PCBA層面，分別對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi進(jìn)行測試，蜂窩移動(dòng)測試的時(shí)間是Wi-Fi和BlueTooth兩者之和的兩倍以上。不過，更理想的做法可能是在產(chǎn)品測試過程中加入一個(gè)驗(yàn)證步驟，以便執(zhí)行各種能反映真實(shí)環(huán)境下設(shè)備性能的、更類似于“用戶體驗(yàn)測試”的測試項(xiàng)目來保證技術(shù)之間的互通性。

從目前的趨勢看，近場通信（NFC）、無線充電和毫米波無線視頻傳輸?shù)刃录夹g(shù)也在力爭成為智能手機(jī)的主流技術(shù)。隨著更多的無線技術(shù)被運(yùn)用到消費(fèi)產(chǎn)品中，產(chǎn)品最終用戶的良好體驗(yàn)將成為一個(gè)必然的要求，這就要求設(shè)備供應(yīng)商為產(chǎn)品找到經(jīng)濟(jì)的、與特定市場條件相適應(yīng)的測試方案。

隨著4G設(shè)備的普及，各種新應(yīng)用的使用模式將不斷涌現(xiàn)和發(fā)展。與之相適應(yīng)，測試技術(shù)也需要不斷演進(jìn)。目前的測試原理通常分為兩個(gè)類型：參數(shù)化的指標(biāo)測試和功能性測試。也許，4G設(shè)備已開始推動(dòng)第三種測試類型的誕生：“用戶體驗(yàn)”測試。