根本停不下來的4G/LTE測試
2015-09-17
長期演進技術(LTE)正迅速在全球得到普及，中移動在全國啟動超過20萬個TD-LTE基站建設，100個重點城市將實現主城區連續覆蓋，同時采購 100萬TD-LTE終端。中國聯通和中國電信也正在積極加大LTE試驗網的建設，將從網絡、業務以及終端等多方面為即將到來的LTE商用做準備。
LTE網絡在實施部署中對測試設備能力的挑戰超過自 WLAN技術實施以來的任一次技術升級和遷移。LTE/LTE- Advanced的物理層跟以往的技術不同，LTE和LTE-Advanced對測試設備要求的改變，是自從2000年初起引入802.11無線局域網技術以來所未有的。
測試技術是LTE發展產業鏈上十分關鍵的一環，面對LTE產業多模多頻的終端發展方向以及移動互聯網時代復雜的網絡環境，LTE測試還有哪些測試難點待解?
TD-LTE測量要點分析
3G(third-generation)無線系統正在全球展開部署。W-CDMA通過在下行和上行中增加HSPA(highspeedpacketaccess)以保持著中期競爭優勢，它使得小區峰值速率可達到 7.2Mbps，并期望單用戶數據速率達到1.5Mbps。為了確保未來的競爭力，LTE (long-termevolution)第一次在3GPP(3rd GenerationPartnership Project)UMTS規范的第8版本中指明，為滿足下一個十年對新興的“移動寬帶”的需求，系統峰值速率預期將超過300Mbps。
到目前為止LTE的大多數工作集中在FDD(FrequencyDivisionDuplex)。隨著中國TD-SCDMA的不斷成熟與網絡化實施，基于TDD(TimeDivisionDuplex)的LTE的另一種模式，即現在大家所知道的TD-LTE，也進入了3GPP LTE的規范。LTETDD可以更靈活地使用非對稱頻譜資源。現在，越來越多芯片和設備廠商將TDD的性能包含在設計中。
與先前的GSM/EDGE和W-CDMA標準相比，LTE標準文件從最初的技術建議提交到最終商業版本的時間很短，特別是較晚添加至標準的TD- LTE，這個過程更短。對于手機和數據卡，LTE規范的最大RF帶寬20MHz已經使得系統結構設計發生改變，對終端設備要求支持多種制式，其中包括要與傳統系統的兼容等問題，這些使得設計者更多地使用軟件無線電。新的設計要求更多的模擬/數字域交替測試以及“數字輸入，射頻輸出”，這意味著設計者需要新的測試工具和測量方法。
TD-LTE指定的頻率范圍是1850到2620MHz，并且使用與FDD相同的MIMO情形和上下行調制制式：下行為 OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess)，上行為SC-FDMA(Single Carrier Frequency DivisionMultipleAccess)。如下圖所示，TD-LTE使用兩種幀結構，每個幀包含10個子幀，長度為10ms。
以“5ms”為切換周期的幀有兩個特殊的同步子幀，而以“10ms”為切換周期的只有一個，這樣可以提供更靈活的上/下行配置。根據瞬時數據傳輸的要求，數據幀可以靈活地使用所示的7種預置配置中的任何一個。
一個1ms下行子幀包含的數據塊(resourceblocks)被預先指定給不同的用戶，而上行子幀只包含用戶到基站(eNB)的數據。對于小型數據包，指定的延遲(從發出請求到收到回復的時間)目標是5ms，或半個幀。所以系統時間，包括用于補償到eNB距離的時間偏移，非常重要。目前的系統是低速率(固定用戶或步行用戶)優化系統，能看到系統的最高速率性能，但是最終會延申到支持高達500kph的移動用戶。
TD-LTE標準目前包括1.4、3、5、10、15和20MHz(與帶寬可變的LTEFDD相同)RF通道的指標和測量方法。大多數測量方法和測量項目針對單個碼道的數據定義，使用單獨的發射和接收部分。關于多碼道和MIMO的配置，仍在討論中。最新的信息，訪問www.3gpp.org并查詢 TS23.141文檔的最新版本。
最初的測量目的是確保發射和接收不受損傷：包括上行和下行發射模板，最大和最小功率，功率控制。定義鄰道泄漏和發射雜散用于確保最小的干擾。下圖是發射打開/關斷模板的例子。
下一個系列的測量著重于傳輸質量，最主要的度量方法是EVM(errorvectormagnitude)。對于下行OFDMA，測量基于時域上的一個子幀(1ms)和頻域上的12個子載波(180kHz)。上下限取決于調制復雜度，調制階數越高，上下限越嚴格。對于來自UE的上行SC-FDMA信號，傳輸質量取決于已分配和未分配的資源塊，需要分別測量通道內UE發射的頻譜和其它帶寬頻譜。EVM和頻譜平坦度用來說明已分配資源塊的情況，帶內泄漏和IQ偏移(載波泄漏)，這些降低網絡性能的干擾信號詳細說明未分配資源塊的情況。
基本的接收機RF性能測試包括基準靈敏度、動態范圍、通道內選擇性、鄰道選擇性和發射雜散建立于正規的呼叫協議將UE與業務信道連通后。在一個特定值上，BLER(blockerrorrate)必須不能超過目標值并維持目標吞吐量，通常為95%。特定值取決于所執行的測試、接收機帶寬和調制復雜度。隨后檢測接收機在靜態和衰落環境中從專用物理信道里正確解調專用控制信道的能力，以及對所有支持的數據速率和信道帶寬的檢測。
TD-LTE設備必須兼容傳統3GPP系統，一系列的切換情形被詳細說明以確保系統一致性，從而確保用戶服務的連續性，包括從閑置模式到已建立呼叫后的同頻TDD到TDD切換，也包括不同頻的TDD到FDD的切換，乃至切換至3GW-CDMA和HPSA系統，最終從TDD切換至GSM。
LTEFDD和TD-LTE指定的RF環境要求使用MIMO，測量和驗證方法還未確定。MIMO用于改進覆蓋范圍和數據傳輸能力，每個發射機廣播它自己獨有的數據流信號，接收機執行復矩陣解調以還原原始數據。構成MIMO發射信號的單獨的數據流分析較為直接，MIMO接收機的多信號測試則包括實時衰落，因而要求專門的測試信號。正確的MIMO接收機驗證仍在3GPP和測試團體的討論中。第一個LTE的部署將使用2X2MIMO(即2個單獨的發射機和接收機)不過規范要求將來使用最高至4X4MIMO。
這些僅僅是系統測試需求的開始。從芯片設計到網絡部署，在設計流程的各個階段更多的工作是驗證終端用戶的體驗。除了保證互用性，全面的測試將包括驗證上千用戶體驗的情形。只有在早期驗證了系統的功能性，網絡運營商才會達成客戶期望和保持客戶忠誠度。WAP和W-CDMA先前的經驗已經告訴我們對技術開展部署所潛在的用戶問題–從覆蓋、實時數據速率、電池耗盡時間到同步交互。在設計改動之后和部署之前，設計者和服務提供商必須能夠使用可控的和可重復的測試場景驗證設計的最高性能和實際網絡情況下的設備性能。協議和兼容性測試工具，如安捷倫8960和E6620以及由合作伙伴提供的基于它們的系統 Antie，是一個提供了豐富功能的兼容性驗證環境。
LTE測試的難點
向下的兼容性難題
日益增長的LTE部署為無線測試設備供應商帶來了重大挑戰。這要求確保LTE終端能在現存的網絡上無縫工作，此外還需要保證其遵守最新的LTE標準。LTE作為全球部分運營商仍在部署的一種新技術，這些服務提供商們將傾向于采購前后向兼容的測試工具用于未來的使用和LTE測試。
在移動終端，終端需要在共存的2G、3G、LTE間無縫切換，為用戶提供完整使用體驗;通話、短信、彩信、定位等2G、3G的業務需要被很好整合至LTE終端上;LTE終端還需要許多新的應用以吸引用戶。因此，終端應用性的測試更加多元，需要兼容的標準更多。
多標準共存帶來的挑戰。多模終端及多模基站的出現要求同一設備在多個標準信號同時存在時依然能夠保持良好的性能，因此，多模共存要求測試儀器能夠產生并同時分析并存的多個標準的信號。
所以，LTE的多種標準并行成為一個復雜待解的技術難題，使得與現存網絡的互連性成為一種挑戰。LTE測試的復雜性以及來自消費者特有的應用需求，導致LTE測試工具在滿足多種測試需求時可用性比較局限。
多天線測試的難題
目前，TD-LTE、FDD-LTE和LTE-Advanced(LTE-A)無線技術使用了幾種不同的多種輸入多路輸出(MIMO)技術。鑒于MIMO系統的復雜性正在日益提高，因此相關的測試方法也將更具挑戰性。例如，當前已部署的MIMO技術利用兩具天線來改善信道性能。還有一些LTE社區已率先開始采用八天線技術來實現更高的性能。這些先進的技術將使測試方法的選擇變得更為至關重要。
為了形成更簡單、更扁平化的網絡結構，LTE網絡中的許多網元都被歸并到基站中，基站本身的功能豐富了許多，因此過去并不復雜的基站測試變得非常復雜，要求也很高。在參與國外網絡測試的相關廠商人士看來，新測試中最核心的部分就是多天線測試——2天線、4天線甚至TDD的8天線將大大增加空口成本，因此必須保證多天線的效能最好地發揮，以符合成本的投入，由此這一塊測試也就必須嚴格高要求。
八天線系統可以將2x2 MIMO系統所用的信道數量提高至原有水平的四倍。但研究人員已經開始探討天線組件數量為2x2系統的8倍的技術。如果在實驗室中重現互易式高天線數測試場景，將會面臨空間和其它資源方面諸多的嚴重制約。與傳統的信道建模相比，新興的先進天線技術也會帶來新的挑戰。當測試人員需要完整理解系統的性能時，在動態場景中對系統進行測試是必不可少的。
能夠應對這些挑戰的有效測試方法必須使用可支持各種先進天線技術的幾何信道建模。它還必須能夠以實時方式運行動態場景。最后，這種測試方法還必須能夠可靠、高效地創建八天線系統中雙向MIMO信道的所有細節，而且必須在小巧便攜的設備規格內實現所有這些功能。
由于整個行業都在為實現更新的無線應用而追求更高的數據速率，所用的天線數量和先進天線技術的復雜性都必然會與日俱增。這種趨勢將對包含先進天線技術的LTE和LTE-A測試構成巨大的挑戰。因此，新的方法和新的測試場景思維方式都將是不可或缺的。
測試成本和時間
新的標準也意味著新的挑戰，相比于3G移動通信標準，4G/LTE終端產品的測試項目要多出近百項。不僅無線制式在增加，終端支持的頻段也在增加。這對生產測試提出了更高的要求，測試項目和測試時間達以前的數倍。測試時間的增加意味著測試成本的提高，如何尋找快速有效的測試方法，則成為針對4G/LTE系統測試的一個重要挑戰。另一方面，隨著數據傳輸量的上升，測量的復雜性也隨之增加，4G/LTE信號的調制解調需要提高一個數量級的信號處理能力，這些都對于測試系統提出了新的要求。
其他難點
LTE和LTE-Advanced給蜂窩通信系統帶來巨大變化，在從GSM過渡到W-CDMA系統后的這近10年時間里，沒有其它技術改變堪與之比肩。 LTE系統使用OFDM調制規則以更迅捷地將更多數據發送給更多用戶。OFDM會對測試帶來新的挑戰。OFDM信號由多個子載波組成，互相之間排列非常精確而且占用帶寬較高，所以更為復雜，測試也更為困難。
LTE發展起來后，核心網流量將成幾何級數增長，核心網能否處理解決這一增長問題，交換機、服務器容量是否足夠，對于網絡質量至關重要，這些也要求測試階段的反復驗證。
另外，如等待時間的減少、更高的用戶數據速率、系統容量和覆蓋的改善以及運營成本的降低。 核心網無法獲取有效的無線數據進行分析，這就增加了網絡管理和優化的復雜性，傳統的協議分析儀表已經很難滿足這些新的挑戰，需要特殊的解決方案進行網絡性能的監控和優化，在一段時期內，這仍是各大測試廠商需要攻克的難點。只有解決好這些難點，才能夠為整個LTE產業發展打好基礎。
根本停不下來的4G/LTE測試
來自LTE的挑戰
相對于3G通信標準 ， 4G/LTE是全新的移動通信標準，那么對測試的需求也是全新的， 要滿足3GPP規范的所有LTE的測試項目的要求。羅德與施瓦茨中國有限公司業務發展經理湯日波介紹，對LTE本身的測試，相比3G來講，是全新的物理層結構，面向全IP網絡，更快的頻段帶寬，傳輸更快的數據速率，同時還要面向未來的LTE-A的要求。測試儀器需要全新的測試平臺。LTE本身含TDD和 FDD模式，全球的LTE頻段非常多。另外，通常LTE終端還要兼容2G和3G的不同頻段和模式，所以在LTE和其它標準共存的時期，為達到更好的地域覆蓋，LTE與現有標準之間的切換就變得至關重要。以中國移動去年發表的TD-LTE終端需求白皮書來看，建議終端5模10頻段-12 頻段，對測試儀器的要求就更加廣泛，通常手機中還要要求測試WiFi、藍牙、GPS、FM、 甚至CMMB等。當然，現在的2G/3G經驗告訴我們，消費者對終端電池待機時間的要求使低功耗也成為一個挑戰。最后eNodeB廠家還必須保證系統的按時交付使用。這些都對3G LTE的系統測試和芯片測試提出了很大挑戰。
相比于3G移動通信標準，4G/LTE終端產品的測試項目要多出近百項。不僅無線制式在增加，終端支持的頻段也在增加。這對生產測試提出了更高的要求，測試項目和測試時間達以前的數倍。測試時間的增加意味著測試成本的提高，如何尋找快速有效的測試方法，則成為針對4G/LTE系統測試的一個重要挑戰。另一方面，隨著數據傳輸量的上升，測量的復雜性也隨之增加，4G/LTE信號的調制解調需要提高一個數量級的信號處理能力，這些都對于測試系統提出了新的要求。
LitePoint公司總部產品營銷高級總監John Lukez詳細列舉了LTE測試相比于3G測試的挑戰之處。
首先，LTE使用的信道帶寬更大，目前使用的是20MHz，而今后在引入LTE-Advanced技術后將可能增加到100MHz，而3G系統基帶帶寬都在5MHz以下。所以測試儀表在設計中就需要能夠支持這樣的寬帶信號處理，而且要能在硬件改動不大的情況下擴展到支持LTE-Advanced 的更大帶寬，即比3G(W-CDMA)系統要求的帶寬大5到20倍的同時要做的可擴展，這將使許多現有3G測試系統被淘汰出局。
其次，LTE使用階數更高的調制技術(64QAM)，因而要求測試設備接收器具有更好的處理信噪和失真方面的性能，從而能夠精確地測量這些數據率更高，且有很高峰/均值比的信號。
第三，LTE-advanced技術將會同時使用連續和非連續信道綁定技術來提供比LTE技術更高的數據率。這種技術能在相同的頻帶內、甚至以跨頻帶的形式使用多個20MHz的信道。如果在相同的頻帶內，這可使儀器的帶寬需求提高到100MHz之大(即5個20MHz)。如果是跨頻帶的情況(即 4–1700MHz ，2100MHz 和17–700MHz幾個頻帶)，那么，儀表配置就需要支持測試儀內的多個同步的信號發生源(VSG)和信號分析儀(VSA)。這是一種更具挑戰性的要求，因而老一代測試設備無法支持。
第四， LTE是特別強調多天線技術的， 從2x2 MIMO， 4x2 MIMO， 到以后的8天線， 多天線的配置是更加的復雜; 對于測試儀表來說， 在基帶處理上要能支持這樣的配置， 特別是在上行和下行的射頻端口的設計上要充分考慮到多天線的要求， 而且要留下可擴展的余地。
最后，LTE在全球有40個或甚至更多已定義的頻帶，因此，智能手機如想覆蓋全球所有的LTE頻帶，就需要支持多達10個頻帶(比3G技術要求的5個多得多)。這意味著需要為智能手機設計更多的天線，并且測試設備應帶有更多的射頻端口，即LTE測試設備需支持更多的射頻端口(每部手機3個)。
基站與終端測試
這些挑戰具體到基站測試系統的搭建方面，就演化出多種測試方案設計的變化。安立公司3G/LTE 項目副經理胡浩總結了相關所用的各種測試儀器。對于終端來說，需要的測試方案相對復雜，在芯片協議棧開發中，需要用到信令分析儀; 在整機硬件研發中，需要用到綜測儀，頻譜儀，信號源;在整機的測試中，需要一致性測試系統，應用測試儀，以及運營商接受測試方案。在整機生產制造中，一般需要基于非信令的綜測儀。對于基站設備來說，在研發和制造中，需要頻譜儀和信號源;在基站安裝和維護中， 需要各種手持儀表。
安捷倫科技電子儀器事業部高級市場工程師黃萍則介紹了基于這些設備，在基站與終端測試不同應用中如何具體應對LTE測試的新挑戰。
(1)由于 LTE 性能目標設立得非常高，工程師們必須精心地進行設計折中，以便在無線發射機鏈路的各個關鍵部分實現最佳平衡。LTE 發射機設計的一個重要方面是最大限度減少無效發射，特別是可能在任何頻率上產生的雜散發射。因此LTE在頻段邊緣發射信號必須符合嚴格的功率泄露要求，設計者面臨著很多挑戰。LTE 支持最大 20 MHz 的信道帶寬，但許多頻段太窄，無法支持太多的信道，因此大部分 LTE 信道都處于頻段的邊緣。控制發射機在頻段邊緣的性能需要設計濾波功能，以便在不影響信道內性能的情況下濾除帶外發射。此外還需要考慮成本、功率效率、物理體積以及在發射機方框圖中的位置等。最后，LTE 發射機必須滿足針對無效發射的所有指定限制，包括對泄露到鄰近信道的功率量 (ACLR) 的限制。然而使用 LTE 應用軟件進行測量時，受多種因素的影響，鄰近信道帶寬的變化、發射濾波器的選擇、不同帶寬和不同干擾靈敏度的信道之間的射頻變量的交互使得這些測量非常復雜。應對這一挑戰的實用解決方案是使用安裝有特定標準測量應用軟件的頻譜分析儀或信號分析儀。此組合能夠減少復雜測量中的錯誤，自動配置限制表和指定的測試裝置，確保測量具有出色的可重復性。使用分析儀優化技術可以進一步改善測量結果。
(2)TD-LTE系統在上行鏈路中采用混合自動重傳請求(HARQ)技術，來保證系統性能。在TD-LTE多天線基站研發測試中，要求測試儀器必須具備信號產生，信道模擬以及實時響應的功能，從而模擬真實環境下系統實時吞吐率。該項測試是LTE基站測試規范中第8章系統性能測試的重要環節，同時也一直是研發設計和測試人員關注的焦點和難點。
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