4G/LTE测试箭在弦上

电子工程师 2017-12-07 902

RF/无线

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描述

LTE测试

摘要：通过各个厂商的观点，探讨4G/LTE测试的全新需求与应对策略。

　 2013年会不会成为中国的4G元年，这个问题从2012年底就开始沸沸扬扬地热炒着，不管会不会在今年发放4G拍照，2013年4G实验网将在国内更广泛的部署，并且做好商用前的测试准备，这点是毋庸置疑的，而在这个过程中，软硬件和测试是其中最重要的技术支撑，其中，测试又是商用前最关键的保障，这意味着测试企业的巨大商机。

　　来自LTE的挑战

　　相对于3G通信标准， 4G/LTE是全新的移动通信标准，那么对测试的需求也是全新的，要满足3GPP规范的所有LTE的测试项目的要求。罗德与施瓦茨中国有限公司业务发展经理汤日波介绍，对LTE本身的测试，相比3G来讲，是全新的物理层结构，面向全IP网络，更快的频段带宽，传输更快的数据速率，同时还要面向未来的LTE-A的要求。测试仪器需要全新的测试平台。LTE本身含TDD和FDD模式，全球的LTE频段非常多。另外，通常LTE终端还要兼容2G和3G的不同频段和模式，所以在LTE和其它标准共存的时期，为达到更好的地域覆盖，LTE与现有标准之间的切换就变得至关重要。以中国移动去年发表的TD-LTE终端需求白皮书来看，建议终端5模10频段-12 频段，对测试仪器的要求就更加广泛，通常手机中还要要求测试WiFi、蓝牙、GPS、FM、甚至CMMB等。当然，现在的2G/3G经验告诉我们，消费者对终端电池待机时间的要求使低功耗也成为一个挑战。最后eNodeB厂家还必须保证系统的按时交付使用。这些都对3G LTE的系统测试和芯片测试提出了很大挑战。

　　相比于3G移动通信标准，4G/LTE终端产品的测试项目要多出近百项。不仅无线制式在增加，终端支持的频段也在增加。这对生产测试提出了更高的要求，测试项目和测试时间达以前的数倍。测试时间的增加意味着测试成本的提高，如何寻找快速有效的测试方法，则成为针对4G/LTE系统测试的一个重要挑战。另一方面，随着数据传输量的上升，测量的复杂性也随之增加，4G/LTE信号的调制解调需要提高一个数量级的信号处理能力，这些都对于测试系统提出了新的要求。

　　LitePoint公司总部产品营销高级总监John Lukez详细列举了LTE测试相比于3G测试的挑战之处。

　　首先，LTE使用的信道带宽更大，目前使用的是20MHz，而今后在引入LTE-Advanced技术后将可能增加到100MHz，而3G系统基带带宽都在5MHz以下。所以测试仪表在设计中就需要能够支持这样的宽带信号处理，而且要能在硬件改动不大的情况下扩展到支持LTE-Advanced的更大带宽，即比3G(W-CDMA)系统要求的带宽大5到20倍的同时要做的可扩展，这将使许多现有3G测试系统被淘汰出局。　　

　　其次，LTE使用阶数更高的调制技术(64QAM)，因而要求测试设备接收器具有更好的处理信噪和失真方面的性能，从而能够精确地测量这些数据率更高，且有很高峰/均值比的信号。

　　第三，LTE-advanced技术将会同时使用连续和非连续信道绑定技术来提供比LTE技术更高的数据率。这种技术能在相同的频带内、甚至以跨频带的形式使用多个20MHz的信道。如果在相同的频带内，这可使仪器的带宽需求提高到100MHz之大(即5个20MHz)。如果是跨频带的情况(即 4–1700MHz ，2100MHz 和17–700MHz几个频带)，那么，仪表配置就需要支持测试仪内的多个同步的信号发生源(VSG)和信号分析仪(VSA)。这是一种更具挑战性的要求，因而老一代测试设备无法支持。

　　第四， LTE是特别强调多天线技术的, 从2x2 MIMO, 4x2 MIMO, 到以后的8天线, 多天线的配置是更加的复杂; 对于测试仪表来说, 在基带处理上要能支持这样的配置, 特别是在上行和下行的射频端口的设计上要充分考虑到多天线的要求, 而且要留下可扩展的余地。

　　最后，LTE在全球有40个或甚至更多已定义的频带，因此，智能手机如想覆盖全球所有的LTE频带，就需要支持多达10个频带(比3G技术要求的5个多得多)。这意味着需要为智能手机设计更多的天线，并且测试设备应带有更多的射频端口，即LTE测试设备需支持更多的射频端口(每部手机3个)。

　　基站与终端测试

　　这些挑战具体到基站测试系统的搭建方面，就演化出多种测试方案设计的变化。安立公司3G/LTE 项目副经理胡浩总结了相关所用的各种测试仪器。对于终端来说，需要的测试方案相对复杂，在芯片协议栈开发中，需要用到信令分析仪; 在整机硬件研发中，需要用到综测仪，频谱仪，信号源;在整机的测试中，需要一致性测试系统，应用测试仪，以及运营商接受测试方案。在整机生产制造中，一般需要基于非信令的综测仪。对于基站设备来说，在研发和制造中，需要频谱仪和信号源;在基站安装和维护中, 需要各种手持仪表。

　　安捷伦科技电子仪器事业部高级市场工程师黄萍则介绍了基于这些设备，在基站与终端测试不同应用中如何具体应对LTE测试的新挑战。

　　(1)由于 LTE 性能目标设立得非常高，工程师们必须精心地进行设计折中，以便在无线发射机链路的各个关键部分实现最佳平衡。LTE 发射机设计的一个重要方面是最大限度减少无效发射，特别是可能在任何频率上产生的杂散发射。因此LTE在频段边缘发射信号必须符合严格的功率泄露要求，设计者面临着很多挑战。LTE 支持最大 20 MHz 的信道带宽，但许多频段太窄，无法支持太多的信道，因此大部分 LTE 信道都处于频段的边缘。控制发射机在频段边缘的性能需要设计滤波功能，以便在不影响信道内性能的情况下滤除带外发射。此外还需要考虑成本、功率效率、物理体积以及在发射机方框图中的位置等。最后，LTE 发射机必须满足针对无效发射的所有指定限制，包括对泄露到邻近信道的功率量 (ACLR) 的限制。然而使用 LTE 应用软件进行测量时，受多种因素的影响，邻近信道带宽的变化、发射滤波器的选择、不同带宽和不同干扰灵敏度的信道之间的射频变量的交互使得这些测量非常复杂。应对这一挑战的实用解决方案是使用安装有特定标准测量应用软件的频谱分析仪或信号分析仪。此组合能够减少复杂测量中的错误，自动配置限制表和指定的测试装置，确保测量具有出色的可重复性。使用分析仪优化技术可以进一步改善测量结果。

　　(2)TD-LTE系统在上行链路中采用混合自动重传请求(HARQ)技术，来保证系统性能。在TD-LTE多天线基站研发测试中，要求测试仪器必须具备信号产生，信道模拟以及实时响应的功能，从而模拟真实环境下系统实时吞吐率。该项测试是LTE基站测试规范中第8章系统性能测试的重要环节，同时也一直是研发设计和测试人员关注的焦点和难点。　　
(3)在3GPP Release 10中定义了载波聚合技术，使得通信系统可以利用相邻或离散的带宽载波组合成为更宽的频带资源，将高层的数据流分别映射到各个载波进行收发，从而充分利用已经十分拥挤的频谱资源，提高系统容量，将峰值下行链路数据速率提升到1Gbps以上。连续和非连续频段的载波聚合已经被确认为是向LTE-Advanced演进过程中最重要的方法之一，同时也被认识到将给用户设备和eNodeB的设计带来艰巨的挑战。特别是针对非连续的带间载波聚合，给测试带来了巨大挑战。而往往带间载波聚合是在单一频段内缺乏足够宽的连续频谱，无法实现 IMT-Advanced 峰值数据速率时，最切实可行的 LTE-Advanced 部署方案。由于带间聚合中的频段间隔比市场上销售的任何信号分析仪的中频带宽都要宽，所以最主要的测试挑战是同时对多个分量载波进行解调。

　　对终端测试而言，同样面临着新的测试挑战。

　　(1)目前移动设备中的无线功能主要包括2G/3G/LTE、蓝牙、Wi-Fi和GPS。从终端生产测试市场看，为了追求更快的测试速度，芯片厂商不断更新芯片测试模式，同时测试设备厂商与之配合让手机的测试模式和综测仪能协同工作，从而最终在产线上实现产能最大化，这就是区别于传统信令测试的非信令测试方法。在芯片支持的前提下，非信令测试能够有效提高测试速率，已经成为许多生产制造厂商的必要选择。为了更进一步的降低成本，提高生产测试效率，越来越多的终端生产产线希望能够采用多部终端并行测量的模式。以安捷伦E6607C EXT-C为例，它内置了矢量信号分析、矢量信号发生、高速序列分析功能和 8个用于无线蜂窝制式的双向输入/输出端口以及 4 个用于GNSS(全球导航卫星系统)测试的输出端口，由于多端口并行测试装置已经紧凑的集成在仪器内部，因此大大省去了繁杂的连接附件和复杂的连接工作，有效提高测试速率，同时又能节省生产线的空间和电力需求。为了在多部终端并行测量时也获得高质量的非信令测试，仪器内部的校准模块保证了各端口间的平衡度，动态路损补偿功能自动消除了全信号通路和外部测试线缆及夹具给测量带来的影响，从而保证了测试的准确性和一致性。

　　(2)对于移动终端的芯片开发和终端研发设计人员而言， LTE终端一致性测试由于加入了MIMO和CQI等要求，测试变得更为复杂。一致性测试必须符合3GPP的测试标准，其中包括射频一致性、无线资源管理一致性和协议一致性，完成这些测量一般在一致性认证测试系统平台上进行。通常这样的系统平台价格不菲，对于终端厂商而言这是一笔不小的投资。

　　更多的挑战

　　相比于3G的多种标准，LTE的标准分为了两大派系，FDD和TDD，4G/LTE的FDD和TDD两种技术标准，仅在物理层有些不同，使用的频段不同，其他方面基本相同或类似。在设计测试方案时，为了确保成本效益和测试需求，测试设备厂商需要考虑实现两个制式同时兼容或者互通测试的问题。随着中国的电信运营商开始对TD-LTE技术的开发及布局，LTE-TDD将成为2013年的关键技术。LTE-TDD与LTE-FDD技术有些技术差异，这也会影响到这两种技术的测试方法。安立公司3G/LTE 项目副经理胡浩介绍FDD和TDD的区别主要在于空口物理层上, FDD是上下行频率分隔, TDD是上下行时间分隔, 对于物理层以上基本上FDD和TDD差别非常小。安立公司所有的测试方案都是同时针对FDD和TDD开发的, 全部都可以支持FDD和TDD这两种标准，针对FDD和TDD在空口上的区别, 去兼容这两种制式, 在物理层以上的实现中FDD和TDD可以复用，用一套方案实现两种标准同时测试。而John Lukez介绍LitePoint已经开发了IQxstream测试系统，该系统可对这两种技术中的任意一种技术进行处理并最大程度保证客户的灵活性。汤日波则强调，为了更好的提供服务，R&S的所有测试方案都兼容TD-LTE和LTE-FDD技术标准以及未来的演进。R&S的LTE测试方案不仅能同时测量TD-LTE和LTE-FDD还能测量TD-LTE和LTE-FDD之间的切换性能。汤日波还特别提到，4G/LTE采用了很多新的技术来提高数据传输的速率，系统容量，和频谱利用效率等。例如，其中的MIMO技术的采用就要求测试设备能够提供多端口的测试能力，来仿真MIMO传输的各种测试场景。

　　安捷伦科技黄萍重点介绍了基站端的智能天线测试，在时分双工的TD-LTE系统中，由于下行链路和上行链路在相同的频段，TDD系统中智能天线的波束赋形性能更加出色。TD-LTE系统中多达8根的天线可以提供更高的频谱利用率。TD-LTE波束赋形的主要测试挑战是需要验证和显示物理射频天线阵列的波束赋形信号性能，以便对eNB射频天线校准精度、基带编码波束赋形加权算法正确性、射频天线MIMO信号和多层EVM等指标进行验证。配合MIMO和多天线的测量，灵活紧凑的测试硬件设备配合精确全面的信号分析软件将非常适合这类型的测试。LitePoint John Lukez补充，由于LTE有太多的潜在频带(40多个)，所以世界上有许多公司目前正在研究能覆盖所有这些频段的产品。智能天线技术可以指可调谐射频功率放大器和滤波器，也可以指更简单的应用，即靠发射天线在两个天线间的切换以实现对用户持机方式的补偿。这两种方案中任意一种都会驱使测试设备上采用多个射频端口的需求，以实现设备的多天线连接。

　　软件，在测试中的价值越来越明显，对于需求更为灵活的LTE测试，基于软件的测试方案看到了更多施展空间。NI资深技术市场工程师姚远介绍，软件在无线测试中的作用已经得越来越显著和得到认可，从2G到3G，到今天谈到4G，随着数据传输量的上升，可以看到信号带宽固然不断增大，但受限于频谱资源，特别是优质频谱资源的稀缺，数据传输带宽能够增大的余地有限。另一方面，我们却可以从软件角度来下功夫，保证高速、高吞吐量、高质量的数据通信需求。比如，智能频谱利用技术，诸如宽带频谱块缺乏时的多小区软频率配置复用、网络编码与分组符号编码技术等，都是可以通过软件和算法来协调优化信号带宽的使用。

　　灵活而兼具成本效益的测试系统解决方案的确是测试技术发展的重要趋势，特别是针对终端生产厂商而言，提高固定资产投资回报率，降低测试成本是他们在整个行业中保持竞争力的不二法门。NI提出的基于PXI平台的无线测试平台提供了一种“打破常规”的解决思路。一方面，在PXI平台上，我们可以更快享受到商业现成可用技术所带来的成本优势。另一方面，这种软件定义的模块化的解决方案具有极强的灵活性和可扩展性，可以很好的支持最新的通信标准。NI针对LTE相关工具包的研发和投入就是一个很好的例子，早在2009年，NI就已经开始利用PXI平台针对LTE-FDD进行相关实验，在2010年12月5日LTE-FDD正式商用之前已经推出相关测试方案。这充分体现了PXI平台作为一个开放的自定制平台的优势。

　　针对灵活而具成本效益的测试方案， LitePoint的John Lukez介绍，其IQxstream测试系统致力于提供简单易行的测试解决方案，并最大程度地将测试成本降到最低。IQxstream是首台集合LTE测试技术，并提供多待测设备并行测试能力(最多能达4台)的测试系统。采用多待测设备并行测试技术的IQxstream测试系统在绝大部分情况下都能极大地提高测试单元的测试吞吐量(3倍以上)。除了测试效率，制造商还需要迅速地提高生产能力以快速应对市场对在较短的需求周期内对新产品的需求。 LitePoint的IQvector 整体软件解决方案就是为客户提供了一种完整、易行的测试解决方案，且该方案涵盖了对最常用的手机芯片组的校验和验证。这种方案能使LitePoint的客户以最短的时间进行LTE设备的大量生产。

　　4G/LTE在中国未来几年的市场前景会非常值得看好。中国已开始部署 TD-LTE 技术，为千元以下的智能手机提供经济的测试解决方案的工作也正变得越来越紧迫。为了向几亿的用户提供更高速率的通讯服务， TD-LTE 手机的应用将很快得到普及，手机制造商之间的竞争也将变得日益激烈，降低测试成本将成为终端制造商们确保盈利的关键。作为全球的手机制造基地，中国的手机厂商非常关注快速、高质量、高性价比的测试方案，满足大规模的手机终端生产需要。“非信令模式” (Non-signaling)由于无需建立信令呼叫，可以省去由于信令所需要的大量时间，因此大大提高了测试速度，使得测试时间可以加快50%以上，非常适用于快速、高效率的生产测试。

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