箭在弦上的4G/LTE測試

　　相對于3G通信標(biāo)準(zhǔn) ， 4G/LTE是全新的移動通信標(biāo)準(zhǔn)，那么對測試的需求也是全新的， 要滿足3GPP規(guī)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(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)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(jié)構(gòu)，面向全IP網(wǎng)絡(luò)，更快的頻段帶寬，傳輸更快的數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)共存的時期，為達到更好的地域覆蓋，LTE與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)之間的切換就變得至關(guān)重要。以中國移動去年發(fā)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(dāng)然，現(xiàn)在的2G/3G經(jīng)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(zhàn)。最后eNodeB廠家還必須保證系統(tǒng)的按時交付使用。這些都對3G LTE的系統(tǒng)測試和芯片測試提出了很大挑戰(zhàn)。

　　相比于3G移動通信標(biāo)準(zhǔn)，4G/LTE終端產(chǎn)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(chǎn)測試提出了更高的要求，測試項目和測試時間達以前的數(shù)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(tǒng)測試的一個重要挑戰(zhàn)。另一方面，隨著數(shù)據(jù)傳輸量的上升，測量的復(fù)雜性也隨之增加，4G/LTE信號的調(diào)制解調(diào)需要提高一個數(shù)量級的信號處理能力，這些都對于測試系統(tǒng)提出了新的要求。

　　LitePoint公司總部產(chǎn)品營銷高級總監(jiān)John Lukez詳細列舉了LTE測試相比于3G測試的挑戰(zhàn)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(shù)后將可能增加到100MHz，而3G系統(tǒng)基帶帶寬都在5MHz以下。所以測試儀表在設(shè)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(tǒng)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(xiàn)有3G測試系統(tǒng)被淘汰出局。

　　其次，LTE使用階數(shù)更高的調(diào)制技術(shù)（64QAM），因而要求測試設(shè)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(shù)據(jù)率更高，且有很高峰/均值比的信號。

　　第三，LTE-advanced技術(shù)將會同時使用連續(xù)和非連續(xù)信道綁定技術(shù)來提供比LTE技術(shù)更高的數(shù)據(jù)率。這種技術(shù)能在相同的頻帶內(nèi)、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(nèi)，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(nèi)的多個同步的信號發(fā)生源（VSG）和信號分析儀（VSA）。這是一種更具挑戰(zhàn)性的要求，因而老一代測試設(shè)備無法支持。

　　第四， LTE是特別強調(diào)多天線技術(shù)的， 從2x2 MIMO， 4x2 MIMO， 到以后的8天線， 多天線的配置是更加的復(fù)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(shè)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(shù)要求的5個多得多）。這意味著需要為智能手機設(shè)計更多的天線，并且測試設(shè)備應(yīng)帶有更多的射頻端口，即LTE測試設(shè)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(zhàn)具體到基站測試系統(tǒng)的搭建方面，就演化出多種測試方案設(shè)計的變化。安立公司3G/LTE 項目副經(jīng)理胡浩總結(jié)了相關(guān)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(fù)雜，在芯片協(xié)議棧開發(fā)中，需要用到信令分析儀; 在整機硬件研發(fā)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(tǒng)，應(yīng)用測試儀，以及運營商接受測試方案。在整機生產(chǎn)制造中，一般需要基于非信令的綜測儀。對于基站設(shè)備來說，在研發(fā)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(yè)部高級市場工程師黃萍則介紹了基于這些設(shè)備，在基站與終端測試不同應(yīng)用中如何具體應(yīng)對LTE測試的新挑戰(zhàn)。

　?。?）由于 LTE 性能目標(biāo)設(shè)立得非常高，工程師們必須精心地進行設(shè)計折中，以便在無線發(fā)射機鏈路的各個關(guān)鍵部分實現(xiàn)最佳平衡。LTE 發(fā)射機設(shè)計的一個重要方面是最大限度減少無效發(fā)射，特別是可能在任何頻率上產(chǎn)生的雜散發(fā)射。因此LTE在頻段邊緣發(fā)射信號必須符合嚴格的功率泄露要求，設(shè)計者面臨著很多挑戰(zhàn)。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?？刂瓢l(fā)射機在頻段邊緣的性能需要設(shè)計濾波功能，以便在不影響信道內(nèi)性能的情況下濾除帶外發(fā)射。此外還需要考慮成本、功率效率、物理體積以及在發(fā)射機方框圖中的位置等。最后，LTE 發(fā)射機必須滿足針對無效發(fā)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(yīng)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(fā)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(fù)雜。應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的實用解決方案是使用安裝有特定標(biāo)準(zhǔn)測量應(yīng)用軟件的頻譜分析儀或信號分析儀。此組合能夠減少復(fù)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(fù)性。使用分析儀優(yōu)化技術(shù)可以進一步改善測量結(jié)果。

　　（2）TD-LTE系統(tǒng)在上行鏈路中采用混合自動重傳請求（HARQ）技術(shù)，來保證系統(tǒng)性能。在TD-LTE多天線基站研發(fā)測試中，要求測試儀器必須具備信號產(chǎn)生，信道模擬以及實時響應(yīng)的功能，從而模擬真實環(huán)境下系統(tǒng)實時吞吐率。該項測試是LTE基站測試規(guī)范中第8章系統(tǒng)性能測試的重要環(huán)節(jié)，同時也一直是研發(fā)設(shè)計和測試人員關(guān)注的焦點和難點。

　?。?）在3GPP Release 10中定義了載波聚合技術(shù)，使得通信系統(tǒng)可以利用相鄰或離散的帶寬載波組合成為更寬的頻帶資源，將高層的數(shù)據(jù)流分別映射到各個載波進行收發(fā)，從而充分利用已經(jīng)十分擁擠的頻譜資源，提高系統(tǒng)容量，將峰值下行鏈路數(shù)據(jù)速率提升到1Gbps以上。連續(xù)和非連續(xù)頻段的載波聚合已經(jīng)被確認為是向LTE-Advanced 演進過程中最重要的方法之一，同時也被認識到將給用戶設(shè)備和eNodeB的設(shè)計帶來艱巨的挑戰(zhàn)。特別是針對非連續(xù)的帶間載波聚合，給測試帶來了巨大挑戰(zhàn)。而往往帶間載波聚合是在單一頻段內(nèi)缺乏足夠?qū)挼倪B續(xù)頻譜，無法實現(xiàn) IMT-Advanced 峰值數(shù)據(jù)速率時，最切實可行的 LTE-Advanced 部署方案。 由于帶間聚合中的頻段間隔比市場上銷售的任何信號分析儀的中頻帶寬都要寬，所以最主要的測試挑戰(zhàn)是同時對多個分量載波進行解調(diào)。

　　對終端測試而言，同樣面臨著新的測試挑戰(zhàn)。

　　（1）目前移動設(shè)備中的無線功能主要包括2G/3G/LTE、藍牙、Wi-Fi和GPS。從終端生產(chǎn)測試市場看，為了追求更快的測試速度，芯片廠商不斷更新芯片測試模式，同時測試設(shè)備廠商與之配合讓手機的測試模式和綜測儀能協(xié)同工作，從而最終在產(chǎn)線上實現(xiàn)產(chǎn)能最大化，這就是區(qū)別于傳統(tǒng)信令測試的非信令測試方法。在芯片支持的前提下，非信令測試能夠有效提高測試速率，已經(jīng)成為許多生產(chǎn)制造廠商的必要選擇。為了更進一步的降低成本，提高生產(chǎn)測試效率，越來越多的終端生產(chǎn)產(chǎn)線希望能夠采用多部終端并行測量的模式。以安捷倫 E6607C EXT-C為例，它內(nèi)置了矢量信號分析、矢量信號發(fā)生、高速序列分析功能和 8個用于無線蜂窩制式的雙向輸入/輸出端口以及 4 個用于GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）測試的輸出端口，由于多端口并行測試裝置已經(jīng)緊湊的集成在儀器內(nèi)部，因此大大省去了繁雜的連接附件和復(fù)雜的連接工作，有效提高測試速率，同時又能節(jié)省生產(chǎn)線的空間和電力需求。為了在多部終端并行測量時也獲得高質(zhì)量的非信令測試，儀器內(nèi)部的校準(zhǔn)模塊保證了各端口間的平衡度，動態(tài)路損補償功能自動消除了全信號通路和外部測試線纜及夾具給測量帶來的影響，從而保證了測試的準(zhǔn)確性和一致性。

　?。?）對于移動終端的芯片開發(fā)和終端研發(fā)設(shè)計人員而言， LTE終端一致性測試由于加入了MIMO和CQI等要求，測試變得更為復(fù)雜。一致性測試必須符合3GPP的測試標(biāo)準(zhǔn)，其中包括射頻一致性、無線資源管理一致性和協(xié)議一致性，完成這些測量一般在一致性認證測試系統(tǒng)平臺上進行。通常這樣的系統(tǒng)平臺價格不菲，對于終端廠商而言這是一筆不小的投資。

　　更多的挑戰(zhàn)

　　相比于3G的多種標(biāo)準(zhǔn)，LTE的標(biāo)準(zhǔn)分為了兩大派系，F(xiàn)DD和TDD，4G/LTE 的FDD和TDD兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，僅在物理層有些不同，使用的頻段不同，其他方面基本相同或類似。在設(shè)計測試方案時，為了確保成本效益和測試需求，測試設(shè)備廠商需要考慮實現(xiàn)兩個制式同時兼容或者互通測試的問題。隨著中國的電信運營商開始對TD-LTE技術(shù)的開發(fā)及布局，LTE-TDD將成為2013年的關(guān)鍵技術(shù)。LTE-TDD與LTE-FDD技術(shù)有些技術(shù)差異，這也會影響到這兩種技術(shù)的測試方法。安立公司3G/LTE 項目副經(jīng)理胡浩 介紹FDD和TDD的區(qū)別主要在于空口物理層上， FDD是上下行頻率分隔， TDD是上下行時間分隔， 對于物理層以上基本上FDD和TDD差別非常小。安立公司所有的測試方案都是同時針對FDD和TDD開發(fā)的， 全部都可以支持FDD和TDD這兩種標(biāo)準(zhǔn)，針對FDD和TDD在空口上的區(qū)別， 去兼容這兩種制式， 在物理層以上的實現(xiàn)中FDD和TDD可以復(fù)用，用一套方案實現(xiàn)兩種標(biāo)準(zhǔn)同時測試。而John Lukez介紹LitePoint已經(jīng)開發(fā)了IQxstream測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對這兩種技術(shù)中的任意一種技術(shù)進行處理并最大程度保證客戶的靈活性。湯日波則強調(diào)，為了更好的提供服務(wù)，R&S的所有測試方案都兼容TD-LTE和LTE-FDD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及未來的演進。R&S的LTE測試方案不僅能同時測量TD-LTE和LTE-FDD還能測量TD-LTE和LTE-FDD之間的切換性能。湯日波還特別提到，4G/LTE采用了很多新的技術(shù)來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，系統(tǒng)容量，和頻譜利用效率等。例如，其中的MIMO技術(shù)的采用就要求測試設(shè)備能夠提供多端口的測試能力，來仿真MIMO傳輸?shù)母鞣N測試場景。

　　安捷倫科技黃萍重點介紹了基站端的智能天線測試，在時分雙工的TD-LTE系統(tǒng)中，由于下行鏈路和上行鏈路在相同的頻段，TDD系統(tǒng)中智能天線的波束賦形性能更加出色。TD-LTE系統(tǒng)中多達8根的天線可以提供更高的頻譜利用率。TD-LTE波束賦形的主要測試挑戰(zhàn)是需要驗證和顯示物理射頻天線陣列的波束賦形信號性能，以便對eNB射頻天線校準(zhǔn)精度、基帶編碼波束賦形加權(quán)算法正確性、射頻天線MIMO信號和多層EVM等指標(biāo)進行驗證。配合 MIMO和多天線的測量，靈活緊湊的測試硬件設(shè)備配合精確全面的信號分析軟件將非常適合這類型的測試。LitePoint John Lukez補充，由于LTE有太多的潛在頻帶（40多個），所以世界上有許多公司目前正在研究能覆蓋所有這些頻段的產(chǎn)品。智能天線技術(shù)可以指可調(diào)諧射頻功率放大器和濾波器，也可以指更簡單的應(yīng)用，即靠發(fā)射天線在兩個天線間的切換以實現(xiàn)對用戶持機方式的補償。這兩種方案中任意一種都會驅(qū)使測試設(shè)備上采用多個射頻端口的需求，以實現(xiàn)設(shè)備的多天線連接。

　　軟件，在測試中的價值越來越明顯，對于需求更為靈活的LTE測試，基于軟件的測試方案看到了更多施展空間。NI資深技術(shù)市場工程師姚遠介紹，軟件在無線測試中的作用已經(jīng)得越來越顯著和得到認可，從2G到3G，到今天談到4G，隨著數(shù)據(jù)傳輸量的上升，可以看到信號帶寬固然不斷增大，但受限于頻譜資源，特別是優(yōu)質(zhì)頻譜資源的稀缺，數(shù)據(jù)傳輸帶寬能夠增大的余地有限。另一方面，我們卻可以從軟件角度來下功夫，保證高速、高吞吐量、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)通信需求。比如，智能頻譜利用技術(shù)，諸如寬帶頻譜塊缺乏時的多小區(qū)軟頻率配置復(fù)用、網(wǎng)絡(luò)編碼與分組符號編碼技術(shù)等，都是可以通過軟件和算法來協(xié)調(diào)優(yōu)化信號帶寬的使用。

　　靈活而兼具成本效益的測試系統(tǒng)解決方案的確是測試技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，特別是針對終端生產(chǎn)廠商而言，提高固定資產(chǎn)投資回報率，降低測試成本是他們在整個行業(yè)中保持競爭力的不二法門。NI提出的基于PXI平臺的無線測試平臺提供了一種“打破常規(guī)”的解決思路。一方面，在PXI平臺上，我們可以更快享受到商業(yè)現(xiàn)成可用技術(shù)所帶來的成本優(yōu)勢。另一方面，這種軟件定義的模塊化的解決方案具有極強的靈活性和可擴展性，可以很好的支持最新的通信標(biāo)準(zhǔn)。NI針對LTE相關(guān)工具包的研發(fā)和投入就是一個很好的例子，早在2009年，NI就已經(jīng)開始利用PXI平臺針對LTE-FDD進行相關(guān)實驗，在2010年12月5日LTE-FDD正式商用之前已經(jīng)推出相關(guān)測試方案。這充分體現(xiàn)了PXI平臺作為一個開放的自定制平臺的優(yōu)勢。

　　針對靈活而具成本效益的測試方案， LitePoint的John Lukez介紹，其IQxstream測試系統(tǒng)致力于提供簡單易行的測試解決方案，并最大程度地將測試成本降到最低。IQxstream是首臺集合LTE 測試技術(shù)，并提供多待測設(shè)備并行測試能力（最多能達4臺）的測試系統(tǒng)。采用多待測設(shè)備并行測試技術(shù)的IQxstream測試系統(tǒng)在絕大部分情況下都能極大地提高測試單元的測試吞吐量（3倍以上）。除了測試效率，制造商還需要迅速地提高生產(chǎn)能力以快速應(yīng)對市場對在較短的需求周期內(nèi)對新產(chǎn)品的需求。 LitePoint的IQvector 整體軟件解決方案就是為客戶提供了一種完整、易行的測試解決方案，且該方案涵蓋了對最常用的手機芯片組的校驗和驗證。這種方案能使LitePoint的客戶以最短的時間進行LTE設(shè)備的大量生產(chǎn)。

　　4G/LTE在中國未來幾年的市場前景會非常值得看好。中國已開始部署 TD-LTE 技術(shù)，為千元以下的智能手機提供經(jīng)濟的測試解決方案的工作也正變得越來越緊迫。為了向幾億的用戶提供更高速率的通訊服務(wù)， TD-LTE 手機的應(yīng)用將很快得到普及，手機制造商之間的競爭也將變得日益激烈，降低測試成本將成為終端制造商們確保盈利的關(guān)鍵。作為全球的手機制造基地，中國的手機廠商非常關(guān)注快速、高質(zhì)量、高性價比的測試方案，滿足大規(guī)模的手機終端生產(chǎn)需要。“非信令模式” （Non-signaling）由于無需建立信令呼叫，可以省去由于信令所需要的大量時間，因此大大提高了測試速度，使得測試時間可以加快50%以上，非常適用于快速、高效率的生產(chǎn)測試。