隨著全球大多數的電信運營商計劃采用3GPP LTE作為下一代的無線寬帶技術,LTE技術已經逐步顯露出全球化的趨勢。激進的LTE技術演示和部署計劃,以及對可靠測試系統的迫切需求,成了電信運營商們現在首要關注的焦點。這是特別現實的問題,因為LTE代表了無線接入技術的一個重大變化,其實現和部署都是一個巨大的挑戰。從器件到基站到終端用戶服務,整個LTE設備供應鏈對測試的需求非常大。從GSM/UMTS自然演進到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的網絡運營商同樣宣布未來將演進至LTE,LTE與現有的多種無線技術實現網絡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呢?更高的性能、更寬的帶寬、更高的數據速率、更快速的響應時間(低時延)、更復雜的天線配置,所有這些都意味著開發下一代基站和終端將面臨更大的挑戰。為支持與其他無線接入技術的漫游服務,例如 TD-SCDMA、CDMA2000和GSM/UMTS,多種無線標準需要被兼容,特別是早期缺少語音服務支持的LTE網絡。另一個挑戰是在信噪比很差的基站小區邊緣和擁擠的小區內,保持正常的數據吞吐率。LTE將提供下行最快300Mbps和上行75Mbps 的峰值數據速率,因此,優化發射端和接收端的性能,在高噪聲環境中最好地利用有用信號是必須的。
對世界上大多數地區來說,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設備最初的認證頻段預計是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會議已經分配了更多的頻段范圍供移動業務使用,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
從網絡設備的角度看,LTE E-UTRAN規范包括了被稱為系統架構演進(SAE)的基礎核心網演變。LTE/SAE定義了一個新的無線接口和一個簡單的、優化的、全IP的核心網。它們提供了更高的頻譜效率和靈活性、每小區更多的用戶,以及每兆字節更低的成本。LTE/SAE網絡架構同時還能與包括GERAN/UTRAN甚至 WiMAX在內的其他無線接入技術共存且互連互通。
LTE SAE可以對核心網中部分原來的架構進行重新使用。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方案。因此,通過測試盡早驗證這些關鍵功能也變得非常重要。這些功能包括 MIMO、快速低時延的HARQ 規程反應、最高至64 QAM的高階調制方案,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的測試和驗證盡快過渡到系統階段奠定堅實的基礎。
LTE SAE通過基于IP的網絡和降低包延時的方法,使LTE SAE比UMTS無線接入網絡的整個架構變的更為簡單。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通過星形拓撲結構連接到無線網絡控制器(RNC),RNC會管理無線資源并輪流接入到核心網。對比之下,在簡化的LTE系統架構中,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的網關 。eNB也能通過“X2 接口”與鄰近的eNB以網狀形式互連。
除了新的層1和層2功能, eNB還會處理無線資源控制,包括準入控制、負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構架中成為一個復雜和關鍵的環節。
基站設備供應商面臨著盡快進入市場的壓力。階段性、增值和靈活的測試方案,對于LTE基礎設備的開發集成、驗證和優化都變得極為重要。 但是,蜂窩網絡演進的現實一直是,基站設備總比終端設備(如手機)的開發進度更快一些。那么,沒有終端怎么測試基站呢?答案是運用測試終端技術,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,結合詳細的測量數據使開發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驗室使用外,還可以通過空中接口演示LTE在真實環境中的運行情況。然而,單個終端測試只是整個測試的一部分。基站和核心網的設計需要通過大量UE工作下的強度及優化測試來進行驗證。 Aeroflex的TM500 LTE 多UE方案提供了多UE在復雜的調度、負載和容量下的測試驗證方法,以確保給交付給網絡運營商強大、靈活和高性能的解決方案。
LTE終端測試
關于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采用了與上一代標準完全不同的下行OFDMA和上行SC-FDMA技術,所以就必須引入很多全新的測試。
為應對LTE終端測試的挑戰,數字無線測試設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階段的要求。比如,Aeroflex 7100就可以模擬LTE無線和核心網,并提供包括無線接口和相關協議棧(包括PDCP和IMS層)在內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,端到端的性能也可以準確的評估。
舉例來說,對于OFDMA,每個子載波的EVM測試就是為衡量調制性能而必須進行的測試。隨著調制帶寬對中心頻率的占比越來越高,這對一些調制單元的設計提出了更大挑戰,其結果是EVM指標在頻帶邊緣的惡化。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,發射輸出保持在信道帶寬之內(圖2)。同樣需要進行ACLR測試,以保證使用相鄰頻率的終端間的干擾在規范要求的范圍之內。
由于一些測試的動態特性,類似功率控制的測試就需要建立在有信令協議支持的條件上,這就要求測試設備必須包括協議棧和模擬eNB基站。為使工程師集中精力做好射頻測試,測試設備應盡量集成可以自動操作的信令協議,而且其中的一些參數可以通過用戶靈活定義,如信道號等。
雖然LTE物理層采用循環前綴來減少多徑效應的影響,但仍然需要通過測試來保證它的正確運行。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對端到端吞吐量的影響。這樣,在外場試驗前就可以首先在實驗室中看到終端在外場真實環境中的表現。綜合3GPP Rel-8協議棧和物理層使我們可以仿真一個eNB和演進的包交換核心網(EPC) 。一個集成的IMS服務器可以對可控環境中端到端的吞吐量和延時,進行全面的功能測試。
對協議棧來說,開發者面臨的最主要挑戰是如何確保滿足對狀態變化反應的要求。雖然LTE規范已經減少了狀態的數量,但是在數據需要發送時,RRC_IDLE和RRC_CONNECTED兩種狀態間轉換的時間,仍然是預計延時的主要部分(圖3)。在RRC_IDLE 模式下,盡可能多的終端會處于低功耗狀態以保持電池壽命,這時只有接收機會被定期激活來搜索尋呼消息。而當數據計劃發送時,終端必須被激活并快速同步上行鏈路。
本文小節
隨著LTE標準化進程的加快,它也帶來了急需解決的新的技術問題。雖然最初的LTE標準目前已被凍結,但如何實現規范的要求,并盡快推出功能強大的LTE產品,在當前仍然是一個重大的挑戰。如今,LTE接近100Mbps的用戶數據速率已經可以在真實的網絡中得到實現,150Mbps的速率也可以通過測試終端得以實現。因此,任何測試設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展。