根本停不下来的4G/LTE测试
2015-09-17
长期演进技术(LTE)正迅速在全球得到普及，中移动在全国启动超过20万个TD-LTE基站建设，100个重点城市将实现主城区连续覆盖，同时采购 100万TD-LTE终端。中国联通和中国电信也正在积极加大LTE试验网的建设，将从网络、业务以及终端等多方面为即将到来的LTE商用做准备。
LTE网络在实施部署中对测试设备能力的挑战超过自 WLAN技术实施以来的任一次技术升级和迁移。LTE/LTE- Advanced的物理层跟以往的技术不同，LTE和LTE-Advanced对测试设备要求的改变，是自从2000年初起引入802.11无线局域网技术以来所未有的。
测试技术是LTE发展产业链上十分关键的一环，面对LTE产业多模多频的终端发展方向以及移动互联网时代复杂的网络环境，LTE测试还有哪些测试难点待解?
TD-LTE测量要点分析
3G(third-generation)无线系统正在全球展开部署。W-CDMA通过在下行和上行中增加HSPA(highspeedpacketaccess)以保持着中期竞争优势，它使得小区峰值速率可达到 7.2Mbps，并期望单用户数据速率达到1.5Mbps。为了确保未来的竞争力，LTE (long-termevolution)第一次在3GPP(3rd GenerationPartnership Project)UMTS规范的第8版本中指明，为满足下一个十年对新兴的“移动宽带”的需求，系统峰值速率预期将超过300Mbps。
到目前为止LTE的大多数工作集中在FDD(FrequencyDivisionDuplex)。随着中国TD-SCDMA的不断成熟与网络化实施，基于TDD(TimeDivisionDuplex)的LTE的另一种模式，即现在大家所知道的TD-LTE，也进入了3GPP LTE的规范。LTETDD可以更灵活地使用非对称频谱资源。现在，越来越多芯片和设备厂商将TDD的性能包含在设计中。
与先前的GSM/EDGE和W-CDMA标准相比，LTE标准文件从最初的技术建议提交到最终商业版本的时间很短，特别是较晚添加至标准的TD- LTE，这个过程更短。对于手机和数据卡，LTE规范的最大RF带宽20MHz已经使得系统结构设计发生改变，对终端设备要求支持多种制式，其中包括要与传统系统的兼容等问题，这些使得设计者更多地使用软件无线电。新的设计要求更多的模拟/数字域交替测试以及“数字输入，射频输出”，这意味着设计者需要新的测试工具和测量方法。
TD-LTE指定的频率范围是1850到2620MHz，并且使用与FDD相同的MIMO情形和上下行调制制式：下行为 OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess)，上行为SC-FDMA(Single Carrier Frequency DivisionMultipleAccess)。如下图所示，TD-LTE使用两种帧结构，每个帧包含10个子帧，长度为10ms。
以“5ms”为切换周期的帧有两个特殊的同步子帧，而以“10ms”为切换周期的只有一个，这样可以提供更灵活的上/下行配置。根据瞬时数据传输的要求，数据帧可以灵活地使用所示的7种预置配置中的任何一个。
一个1ms下行子帧包含的数据块(resourceblocks)被预先指定给不同的用户，而上行子帧只包含用户到基站(eNB)的数据。对于小型数据包，指定的延迟(从发出请求到收到回复的时间)目标是5ms，或半个帧。所以系统时间，包括用于补偿到eNB距离的时间偏移，非常重要。目前的系统是低速率(固定用户或步行用户)优化系统，能看到系统的最高速率性能，但是最终会延申到支持高达500kph的移动用户。
TD-LTE标准目前包括1.4、3、5、10、15和20MHz(与带宽可变的LTEFDD相同)RF通道的指标和测量方法。大多数测量方法和测量项目针对单个码道的数据定义，使用单独的发射和接收部分。关于多码道和MIMO的配置，仍在讨论中。最新的信息，访问www.3gpp.org并查询 TS23.141文档的最新版本。
最初的测量目的是确保发射和接收不受损伤：包括上行和下行发射模板，最大和最小功率，功率控制。定义邻道泄漏和发射杂散用于确保最小的干扰。下图是发射打开/关断模板的例子。
下一个系列的测量着重于传输质量，最主要的度量方法是EVM(errorvectormagnitude)。对于下行OFDMA，测量基于时域上的一个子帧(1ms)和频域上的12个子载波(180kHz)。上下限取决于调制复杂度，调制阶数越高，上下限越严格。对于来自UE的上行SC-FDMA信号，传输质量取决于已分配和未分配的资源块，需要分别测量通道内UE发射的频谱和其它带宽频谱。EVM和频谱平坦度用来说明已分配资源块的情况，带内泄漏和IQ偏移(载波泄漏)，这些降低网络性能的干扰信号详细说明未分配资源块的情况。
基本的接收机RF性能测试包括基准灵敏度、动态范围、通道内选择性、邻道选择性和发射杂散建立于正规的呼叫协议将UE与业务信道连通后。在一个特定值上，BLER(blockerrorrate)必须不能超过目标值并维持目标吞吐量，通常为95%。特定值取决于所执行的测试、接收机带宽和调制复杂度。随后检测接收机在静态和衰落环境中从专用物理信道里正确解调专用控制信道的能力，以及对所有支持的数据速率和信道带宽的检测。
TD-LTE设备必须兼容传统3GPP系统，一系列的切换情形被详细说明以确保系统一致性，从而确保用户服务的连续性，包括从闲置模式到已建立呼叫后的同频TDD到TDD切换，也包括不同频的TDD到FDD的切换，乃至切换至3GW-CDMA和HPSA系统，最终从TDD切换至GSM。
LTEFDD和TD-LTE指定的RF环境要求使用MIMO，测量和验证方法还未确定。MIMO用于改进覆盖范围和数据传输能力，每个发射机广播它自己独有的数据流信号，接收机执行复矩阵解调以还原原始数据。构成MIMO发射信号的单独的数据流分析较为直接，MIMO接收机的多信号测试则包括实时衰落，因而要求专门的测试信号。正确的MIMO接收机验证仍在3GPP和测试团体的讨论中。第一个LTE的部署将使用2X2MIMO(即2个单独的发射机和接收机)不过规范要求将来使用最高至4X4MIMO。
这些仅仅是系统测试需求的开始。从芯片设计到网络部署，在设计流程的各个阶段更多的工作是验证终端用户的体验。除了保证互用性，全面的测试将包括验证上千用户体验的情形。只有在早期验证了系统的功能性，网络运营商才会达成客户期望和保持客户忠诚度。WAP和W-CDMA先前的经验已经告诉我们对技术开展部署所潜在的用户问题–从覆盖、实时数据速率、电池耗尽时间到同步交互。在设计改动之后和部署之前，设计者和服务提供商必须能够使用可控的和可重复的测试场景验证设计的最高性能和实际网络情况下的设备性能。协议和兼容性测试工具，如安捷伦8960和E6620以及由合作伙伴提供的基于它们的系统 Antie，是一个提供了丰富功能的兼容性验证环境。
LTE测试的难点
向下的兼容性难题
日益增长的LTE部署为无线测试设备供应商带来了重大挑战。这要求确保LTE终端能在现存的网络上无缝工作，此外还需要保证其遵守最新的LTE标准。LTE作为全球部分运营商仍在部署的一种新技术，这些服务提供商们将倾向于采购前后向兼容的测试工具用于未来的使用和LTE测试。
在移动终端，终端需要在共存的2G、3G、LTE间无缝切换，为用户提供完整使用体验;通话、短信、彩信、定位等2G、3G的业务需要被很好整合至LTE终端上;LTE终端还需要许多新的应用以吸引用户。因此，终端应用性的测试更加多元，需要兼容的标准更多。
多标准共存带来的挑战。多模终端及多模基站的出现要求同一设备在多个标准信号同时存在时依然能够保持良好的性能，因此，多模共存要求测试仪器能够产生并同时分析并存的多个标准的信号。
所以，LTE的多种标准并行成为一个复杂待解的技术难题，使得与现存网络的互连性成为一种挑战。LTE测试的复杂性以及来自消费者特有的应用需求，导致LTE测试工具在满足多种测试需求时可用性比较局限。
多天线测试的难题
目前，TD-LTE、FDD-LTE和LTE-Advanced(LTE-A)无线技术使用了几种不同的多种输入多路输出(MIMO)技术。鉴于MIMO系统的复杂性正在日益提高，因此相关的测试方法也将更具挑战性。例如，当前已部署的MIMO技术利用两具天线来改善信道性能。还有一些LTE社区已率先开始采用八天线技术来实现更高的性能。这些先进的技术将使测试方法的选择变得更为至关重要。
为了形成更简单、更扁平化的网络结构，LTE网络中的许多网元都被归并到基站中，基站本身的功能丰富了许多，因此过去并不复杂的基站测试变得非常复杂，要求也很高。在参与国外网络测试的相关厂商人士看来，新测试中最核心的部分就是多天线测试——2天线、4天线甚至TDD的8天线将大大增加空口成本，因此必须保证多天线的效能最好地发挥，以符合成本的投入，由此这一块测试也就必须严格高要求。
八天线系统可以将2x2 MIMO系统所用的信道数量提高至原有水平的四倍。但研究人员已经开始探讨天线组件数量为2x2系统的8倍的技术。如果在实验室中重现互易式高天线数测试场景，将会面临空间和其它资源方面诸多的严重制约。与传统的信道建模相比，新兴的先进天线技术也会带来新的挑战。当测试人员需要完整理解系统的性能时，在动态场景中对系统进行测试是必不可少的。
能够应对这些挑战的有效测试方法必须使用可支持各种先进天线技术的几何信道建模。它还必须能够以实时方式运行动态场景。最后，这种测试方法还必须能够可靠、高效地创建八天线系统中双向MIMO信道的所有细节，而且必须在小巧便携的设备规格内实现所有这些功能。
由于整个行业都在为实现更新的无线应用而追求更高的数据速率，所用的天线数量和先进天线技术的复杂性都必然会与日俱增。这种趋势将对包含先进天线技术的LTE和LTE-A测试构成巨大的挑战。因此，新的方法和新的测试场景思维方式都将是不可或缺的。
测试成本和时间
新的标准也意味着新的挑战，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。
其他难点
LTE和LTE-Advanced给蜂窝通信系统带来巨大变化，在从GSM过渡到W-CDMA系统后的这近10年时间里，没有其它技术改变堪与之比肩。 LTE系统使用OFDM调制规则以更迅捷地将更多数据发送给更多用户。OFDM会对测试带来新的挑战。OFDM信号由多个子载波组成，互相之间排列非常精确而且占用带宽较高，所以更为复杂，测试也更为困难。
LTE发展起来后，核心网流量将成几何级数增长，核心网能否处理解决这一增长问题，交换机、服务器容量是否足够，对于网络质量至关重要，这些也要求测试阶段的反复验证。
另外，如等待时间的减少、更高的用户数据速率、系统容量和覆盖的改善以及运营成本的降低。 核心网无法获取有效的无线数据进行分析，这就增加了网络管理和优化的复杂性，传统的协议分析仪表已经很难满足这些新的挑战，需要特殊的解决方案进行网络性能的监控和优化，在一段时期内，这仍是各大测试厂商需要攻克的难点。只有解决好这些难点，才能够为整个LTE产业发展打好基础。
根本停不下来的4G/LTE测试
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。
