LTE系統(tǒng)測試的挑戰(zhàn)及應(yīng)對方案

隨著全球大多數(shù)的電信運(yùn)營商計劃采用3GPP LTE作為下一代的無線寬帶技術(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(tǒng)的迫切需求，成了電信運(yùn)營商們現(xiàn)在首要關(guān)注的焦點(diǎn)。這是特別現(xiàn)實(shí)的問題，因?yàn)長TE代表了無線接入技術(shù)的一個重大變化，其實(shí)現(xiàn)和部署都是一個巨大的挑戰(zhàn)。從器件到基站到終端用戶服務(wù)，整個LTE設(shè)備供應(yīng)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的時分雙工模式(TD-LTE)，都需要測試儀表。隨著CDMA的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商同樣宣布未來將演進(jìn)至LTE，LTE與現(xiàn)有的多種無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連的問題變得十分有趣。

那么，為什么LTE對測試而言是一個挑戰(zhàn)呢?更高的性能、更寬的帶寬、更高的數(shù)據(jù)速率、更快速的響應(yīng)時間(低時延)、更復(fù)雜的天線配置，所有這些都意味著開發(fā)下一代基站和終端將面臨更大的挑戰(zhàn)。為支持與其他無線接入技術(shù)的漫游服務(wù)，例如 TD-SCDMA、CDMA2000和GSM/UMTS，多種無線標(biāo)準(zhǔn)需要被兼容，特別是早期缺少語音服務(wù)支持的LTE網(wǎng)絡(luò)。另一個挑戰(zhàn)是在信噪比很差的基站小區(qū)邊緣和擁擠的小區(qū)內(nèi)，保持正常的數(shù)據(jù)吞吐率。LTE將提供下行最快300Mbps和上行75Mbps 的峰值數(shù)據(jù)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(shù)地區(qū)來說，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(shè)備最初的認(rèn)證頻段預(yù)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會議已經(jīng)分配了更多的頻段范圍供移動業(yè)務(wù)使用，這意味著更低頻段(到450MHz) 和更高頻段(到3.6GHz)很有可能在未來五年里也被LTE使用。

LTE基站測試

從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的角度看，LTE E-UTRAN規(guī)范包括了被稱為系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)(SAE)的基礎(chǔ)核心網(wǎng)演變。LTE/SAE定義了一個新的無線接口和一個簡單的、優(yōu)化的、全I(xiàn)P的核心網(wǎng)。它們提供了更高的頻譜效率和靈活性、每小區(qū)更多的用戶，以及每兆字節(jié)更低的成本。LTE/SAE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)同時還能與包括GERAN/UTRAN甚至 WiMAX在內(nèi)的其他無線接入技術(shù)共存且互連互通。

LTE SAE可以對核心網(wǎng)中部分原來的架構(gòu)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，這就需要一個龐大的開發(fā)方案。因此，通過測試盡早驗(yàn)證這些關(guān)鍵功能也變得非常重要。這些功能包括 MIMO、快速低時延的HARQ 規(guī)程反應(yīng)、最高至64 QAM的高階調(diào)制方案，以及通過一系列射頻頻段與信道帶寬組合/配置的頻譜靈活性。基本功能塊的盡早建立將為LTE的測試和驗(yàn)證盡快過渡到系統(tǒng)階段奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

LTE SAE通過基于IP的網(wǎng)絡(luò)和降低包延時的方法，使LTE SAE比UMTS無線接入網(wǎng)絡(luò)的整個架構(gòu)變的更為簡單。這是非常重大的變化。 UTRAN采用相對“沉默”的物理層無線基站，稱之為NodeB。這些NodeB通過星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接到無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)，RNC會管理無線資源并輪流接入到核心網(wǎng)。對比之下，在簡化的LTE系統(tǒng)架構(gòu)中，RNC被完全去掉，而無線資源管理的工作交給了基站(稱之為eNodeB或eNB)。這些 eNBs通過新定義的“S1”接口直接連接到核心網(wǎng)的網(wǎng)關(guān) 。eNB也能通過“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還會處理無線資源控制，包括準(zhǔn)入控制、負(fù)載平衡和無線移動性控制 (UE切換判斷)。eNB的多功能和高性能要求，使它在LTE構(gòu)架中成為一個復(fù)雜和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

基站設(shè)備供應(yīng)商面臨著盡快進(jìn)入市場的壓力。階段性、增值和靈活的測試方案，對于LTE基礎(chǔ)設(shè)備的開發(fā)集成、驗(yàn)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(xiàn)實(shí)一直是，基站設(shè)備總比終端設(shè)備(如手機(jī))的開發(fā)進(jìn)度更快一些。那么，沒有終端怎么測試基站呢?答案是運(yùn)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(jié)合詳細(xì)的測量數(shù)據(jù)使開發(fā)工程師能夠迅速診斷問題。更重要的是，測試終端除了可以在實(shí)驗(yàn)室使用外，還可以通過空中接口演示LTE在真實(shí)環(huán)境中的運(yùn)行情況。然而，單個終端測試只是整個測試的一部分。基站和核心網(wǎng)的設(shè)計需要通過大量UE工作下的強(qiáng)度及優(yōu)化測試來進(jìn)行驗(yàn)證。 Aeroflex的TM500 LTE 多UE方案提供了多UE在復(fù)雜的調(diào)度、負(fù)載和容量下的測試驗(yàn)證方法，以確保給交付給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)對LTE終端測試的挑戰(zhàn)，數(shù)字無線測試設(shè)備最好能在一臺臺式儀表中，綜合所有主要的測試功能，支持全面的測試來滿足研發(fā)階段的要求。比如，Aeroflex 7100就可以模擬LTE無線和核心網(wǎng)，并提供包括無線接口和相關(guān)協(xié)議棧(包括PDCP和IMS層)在內(nèi)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(xiàn)，端到端的性能也可以準(zhǔn)確的評估。

舉例來說，對于OFDMA，每個子載波的EVM測試就是為衡量調(diào)制性能而必須進(jìn)行的測試。隨著調(diào)制帶寬對中心頻率的占比越來越高，這對一些調(diào)制單元的設(shè)計提出了更大挑戰(zhàn)，其結(jié)果是EVM指標(biāo)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說，發(fā)射輸出保持在信道帶寬之內(nèi)(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(guī)范要求的范圍之內(nèi)。

由于一些測試的動態(tài)特性，類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(shè)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(shè)備應(yīng)盡量集成可以自動操作的信令協(xié)議，而且其中的一些參數(shù)可以通過用戶靈活定義，如信道號等。

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

對協(xié)議棧來說，開發(fā)者面臨的最主要挑戰(zhàn)是如何確保滿足對狀態(tài)變化反應(yīng)的要求。雖然LTE規(guī)范已經(jīng)減少了狀態(tài)的數(shù)量，但是在數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，RRC_IDLE和RRC_CONNECTED兩種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換的時間，仍然是預(yù)計延時的主要部分(圖3)。在RRC_IDLE 模式下，盡可能多的終端會處于低功耗狀態(tài)以保持電池壽命，這時只有接收機(jī)會被定期激活來搜索尋呼消息。而當(dāng)數(shù)據(jù)計劃發(fā)送時，終端必須被激活并快速同步上行鏈路。

本文小節(jié)

隨著LTE標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的加快，它也帶來了急需解決的新的技術(shù)問題。雖然最初的LTE標(biāo)準(zhǔn)目前已被凍結(jié)，但如何實(shí)現(xiàn)規(guī)范的要求，并盡快推出功能強(qiáng)大的LTE產(chǎn)品，在當(dāng)前仍然是一個重大的挑戰(zhàn)。如今，LTE接近100Mbps的用戶數(shù)據(jù)速率已經(jīng)可以在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)中得到實(shí)現(xiàn)，150Mbps的速率也可以通過測試終端得以實(shí)現(xiàn)。因此，任何測試設(shè)備都必須基于面向未來的平臺，可以通過簡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。