4G LTE設備測試的考慮因素

本文旨在對4G LTE和LTE-Advanced設備在制造和測試過程中會遇到的一些挑戰(zhàn)進行分析。這些挑戰(zhàn)既有技術(shù)方面的，也有經(jīng)濟方面的。了解哪些缺陷需要檢測有助于我們在實際的生產(chǎn)環(huán)境中采用更好的測試方法。4G設備制造商們可以通過現(xiàn)有測試技術(shù)和未來新型測試理念的結(jié)合，來確保為他們的客戶提供高質(zhì)量的用戶體驗。

LTE和LTE-Advanced技術(shù)：速度和數(shù)據(jù)容量

4G蜂窩移動通信技術(shù)的部署同時為消費者和網(wǎng)絡運營商帶來了益處。

個人消費者會發(fā)現(xiàn)4G技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率遠遠超過目前2G和3G移動技術(shù)所能提供的速率。

3G技術(shù)讓移動設備訪問互聯(lián)網(wǎng)，而4G時代則為我們帶來了充滿活力的多媒體用戶體驗，我們將能隨時隨地創(chuàng)建、使用和共享信息。此外，在某些有線寬帶設施不太成熟的區(qū)域，4G技術(shù)能讓用戶以無線方式訪問互聯(lián)網(wǎng)，且連接速度可以超過某些有線網(wǎng)絡。

對于網(wǎng)絡運營商而言，4G技術(shù)除了為消費者提供質(zhì)量更高的用戶體驗之外，其主要優(yōu)點還在于它能顯著提高網(wǎng)絡吞吐量（即發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)量）。實際上，這滿足了各種移動應用對數(shù)據(jù)量的幾乎永無止境的需求——當然，為滿足流量的增加，我們需要相應地提高回程網(wǎng)絡（接入網(wǎng)到交換中心，交換中心到骨干網(wǎng)）的容量和連接到互聯(lián)網(wǎng)的能力。LTE和LTE-Advanced技術(shù)的物理層能確保對寶貴的無線頻譜資源（bits/Hz）的更有效利用，從而使運營商能在相同的空間和時間里傳輸更多的數(shù)據(jù)。此外，由于LTE是一種基于數(shù)據(jù)包的技術(shù)，所以它允許運營商對現(xiàn)有網(wǎng)絡進行調(diào)整。因為語音和數(shù)據(jù)都被簡單地作為“數(shù)據(jù)”進行處理，所以這能幫助簡化核心網(wǎng)絡的部署和管理。通過對現(xiàn)有網(wǎng)絡的調(diào)整，就可以升級現(xiàn)有的回程線路以滿足對數(shù)據(jù)的額外需求量，同時，核心網(wǎng)絡的路由已可以通過標準（高速）IP交換機實現(xiàn)，從而也擴大了運營商網(wǎng)絡連接到Internet的“通道”的容量。

長遠地看，隨著4G網(wǎng)絡的構(gòu)建達到一定程度（即網(wǎng)絡運營商能提供一個與現(xiàn)有網(wǎng)絡可比的覆蓋率）時，語音將可以通過VoLTE（LTE語音傳輸）技術(shù)轉(zhuǎn)換到4G網(wǎng)絡，屆時，運營商將可以縮減2G和3G網(wǎng)絡的規(guī)模。這意味著運營商可以更簡單地實施網(wǎng)絡的維護，還可以對目前專用于語音呼叫的頻譜進行“重整”。通過這種更有效的技術(shù)，運營商將實現(xiàn)對頻譜——這種有限的自然資源——的節(jié)約利用。

LTE的測試挑戰(zhàn)

你可能會說4G蜂窩通信技術(shù)并沒有帶來真正新的東西（至少在物理層上）。LTE和LTE-Advanced中采用的這些新技術(shù)只是通信行業(yè)無線網(wǎng)絡（Wi-Fi）部門一直以來所倡導的技術(shù)，它包括正交頻分復用（OFDM）、多入多出（MIMO）和載波聚合。

但這并不等于說，在開發(fā)和測試4G網(wǎng)絡通信設備的過程中就沒有挑戰(zhàn)了。與2G和3G移動設備相比，4G通信設備需要額外考慮對一些新的傳輸技術(shù)進行測試。讓我們來看一下其中一些新技術(shù)，并了解一下它們是如何影響制造過程的不同階段的。

LTE采用新的傳輸技術(shù)

LTE-Advanced采用的新技術(shù)主要是MIMO和載波聚合。如前文所述，這些技術(shù)早已被用在最新的Wi-Fi設備中，用于測試MIMO技術(shù)的框架也已開發(fā)完成。我們現(xiàn)在感興趣的是，如何對圖1所示過程（從研發(fā)到印刷電路板組件（PCBA）的校準和綜測，再到最終產(chǎn)品的測試）中的每個階段進行MIMO和載波聚合的測試，以及測試哪些項目。

圖1 智能手機生產(chǎn)測試流程

蜂窩移動設備載波聚合技術(shù)遇到的其中一個挑戰(zhàn)就是，世界各地分配的頻譜非常零散，且由于有限的頻譜資源以及對頻譜分配的監(jiān)管限制，可以聚合的連續(xù)LTE頻帶幾乎沒有。例如：對于大多數(shù)常用的全球性LTE FDD頻帶，連續(xù)的頻譜40MHz都不到，這使得部署“帶內(nèi)”（在同一頻帶內(nèi)）LTE載波聚合變得很困難。正因為如此，多數(shù)載波聚合的部署逐漸走向“帶間”（兩個或多個頻帶間）載波聚合。這意味著設備將同時在完全分散的頻帶上進行發(fā)送和接收，且這些頻帶之間有時會相差1GHz之多。下面圖2對不同類型的載波聚合部署方式進行了說明。

圖2 3GPP規(guī)范中對LTE載波聚合類型的定義

帶間載波聚合會對4G設備帶來一些有趣的挑戰(zhàn)，我們發(fā)現(xiàn)初始部署僅局限于下行鏈路（基站到手機）。僅部署在下行鏈路上的載波聚合有兩個優(yōu)點。首先，由于用戶傳回網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通常會比消費的數(shù)據(jù)量更少，這種部署就避免了上下行鏈路都部署載波聚合帶來的資源浪費。其次，增加上行鏈路（手機到基站）的帶間載波聚合需要在手機中增加一個能同時運行的功率放大器（這會影響前端天線的結(jié)構(gòu)和電池壽命）。

從測試設備的角度來看，由于大部分現(xiàn)有的生產(chǎn)測試設備只能生成或測量40MHz至160MHz范圍內(nèi)的信號——這離帶間載波聚合的大于1GHz的要求還差得多。這就需要找到一種新的低成本高效益的生產(chǎn)測試解決方案，而不是簡單地增加測試設備的硬件數(shù)量。

此外，生產(chǎn)環(huán)境中的一些實際的限制因素也會影響我們在測試方面的決定。例如，“非信令”測試將成為移動設備生產(chǎn)過程的測試趨勢（特別是在印刷電路板裝配階段）。這種測試技術(shù)基于芯片廠商開放的一種測試模式，在這種測試模式下允許對手機進行直接控制來配置頻帶、信道和功率控制等。因為“非信令”測試是對待測物的調(diào)制解調(diào)器和收發(fā)器進行直接控制，其速度通常是采用無線接口的控制方法（稱為“信令”模式）的兩倍，測試時間的降低直接降低了手機的生產(chǎn)成本，所以非信令測試技術(shù)的開發(fā)可以說是出于經(jīng)濟方面的考慮。

在本文發(fā)表之時，現(xiàn)有的非信令測試模式對載波聚合的測試能力是有限的。通常情況下，載波是被依次序列測試的，這樣雖能提供每個載波被同步和接收的信息，但它不一定能提供用戶層面的性能信息，如數(shù)據(jù)吞吐速率。對于PCBA層面，載波的序列測試不會產(chǎn)生質(zhì)量問題，只要在后續(xù)最終產(chǎn)品層面進行某種“用戶體驗”測試（一種能確保設備實際運行情況滿足最終用戶期望的測試）。這使制造商能夠繼續(xù)對LTE設備和LTE-advanced設備使用相同的測試設備，而不需要昂貴的設備升級。但是，這種方法卻帶來了一個問題：對LTE載波進行串行測試將增加測試時間，從而直接增加測試成本。為了解決這個問題，設備制造商需依賴測試設備制造商和芯片供應商對測試方法進行不斷創(chuàng)新，以減少測試時間。

多頻段智能手機

4G LTE設備測試和設計的最大挑戰(zhàn)之一是3GPP規(guī)范定義的40多個全球頻段。想在一個智能手機一樣的物體內(nèi)放入許多天線，以覆蓋更多的頻帶，這是極其困難的做法。這一挑戰(zhàn)要求我們在天線和天線組件的開發(fā)上進行設計創(chuàng)新。雖然一根天線可以做成在一個較寬的頻率范圍內(nèi)工作，但它最有效的工作范圍一般只是其中很窄的一段。當應對很弱的信號和外形尺寸較小的移動電話時，盡可能降低信號損失以減少“掉線”以及延長電池使用壽命是至關重要的。迎接4G技術(shù)中這個天線設計的挑戰(zhàn)需要我們采用各種新技術(shù)，這其中包括不同頻段的動態(tài)優(yōu)化技術(shù)——一種可確保只用幾根天線就能覆蓋整個LTE頻譜的技術(shù)。

當對這種技術(shù)進行測試時，它更有點像實驗室外面進行的非正規(guī)試驗。設計工程師們通常需要在某種“遠場”測試室里為某個特定的天線幾何形狀和智能手機的外形尺寸進行天線性能的特性分析。雖然這仍是對4G手機開發(fā)的一個要求，但這種技術(shù)對此類設備的生產(chǎn)過程而言卻不是很實用的。最終產(chǎn)品的測試將需要進一步的技術(shù)創(chuàng)新，以便在設備功能測試之外還能提供更精確的參數(shù)化的測試數(shù)據(jù)。

與載波聚合的情況相同，智能手機需覆蓋的越來越多的頻段也會帶來經(jīng)濟方面的影響，這種影響和測試時間有直接的關系。即使智能手機和測試設備的價格在過去幾年里已有所下降，測試時間卻還是成本最高的要素。設備測試所花費的時間直接影響工廠的運營支出（OPEX），而且其影響程度比資本支出（CAPEX）更大。LTE技術(shù)的靈活性造成了測試項目數(shù)量的大大增加。因此測試的許多方面都需要創(chuàng)新的測試方法，這包括非信令設備控制等技術(shù)（它能幫助建立新的測試配置方法，從而用盡可能少的測試項目來找出盡可能多的潛在制造缺陷），以及多設備并行測試的技術(shù)。

LTE的生產(chǎn)挑戰(zhàn)

除了上面章節(jié)討論過的一些挑戰(zhàn)外，4G設備還面臨一些生產(chǎn)方面的新挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)也為我們提出了新的測試要求。前面已討論過的測試類型中大多數(shù)是功能性的測試，目的是要找出生產(chǎn)裝配過程中的誤差。由于4G智能手機的復雜性，即使是生產(chǎn)裝配過程中很小的誤差都可能在設備用戶層面的性能上產(chǎn)生很大的影響。

檢測天線裝配質(zhì)量

當前的生產(chǎn)過程通常會對天線采用一種“無線式”用戶層面的功能檢查，但由于所用測試室物理尺寸的限制，很難保證所有頻段上天線的“真實”性能。這種測試通常只是一種粗略的功能檢查，目的是確保電話的線路板已正確插入智能手機機殼并連接到天線。由于目前使用的試驗室的局限性，應用于待測物的上下限通常是相當“寬松”的，這限制了測試結(jié)果所能揭示的定性信息。

在過去幾年里，媒體曾討論過一些影響較大的、直接與天線組件有關的質(zhì)量問題。為此，制造商已采取了相應的對策，確保檢測天線組件質(zhì)量問題的測試項目得到落實，但由于LTE-Advanced技術(shù)為消費者帶來了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此，天線組件引起的哪怕幾個分貝的靈敏度損失都會影響消費者的實際體驗。

為確保向用戶提供良好的用戶體驗，測試服務提供商需要尋找性價比較高的創(chuàng)新手段。任何生產(chǎn)過程中遺漏的、會影響手機天線性能的問題都將直接導致掉線或最大數(shù)據(jù)傳輸速率的降低。

檢測設備的“脫敏性”

設備脫敏性（設備接收器的靈敏度由于內(nèi)部噪聲或干擾的影響而退化）通常在工程研發(fā)階段進行考慮。畢竟，隨著當前多核處理器處理能力的提高，LTE頻帶的日益增加，以及最終產(chǎn)品外形尺寸的減小，每個組件的位置或內(nèi)部屏蔽技術(shù)都可以影響整個系統(tǒng)的性能。為發(fā)現(xiàn)和避免這類問題，人們已在設計環(huán)境中給予了極大的重視和努力。然而，這里還存在生產(chǎn)方面的考慮因素。

就以天線組件的問題而言，小小的制造缺陷，如螺釘扭矩的不當，屏蔽蓋或墊圈的焊接不完整，都會導致4G設備靈敏度的降低。但是，目前采用的無線測試技術(shù)還不夠精確，還不能檢測這類缺陷。

在PCBA層面上，測試一般通過電纜（有效地繞過天線）進行，也稱為“傳導”測試，而不是通過無線方式進行。PCBA層面中的手機校準環(huán)節(jié)，要求極高的精度，目前的無線式生產(chǎn)測試系統(tǒng)還無法達到。更深入的驗證一般在校準完成后進行，也使用電纜，驗證可以提供有重要參考價值的測試指標數(shù)據(jù)，并且可直接與最終的用戶體驗聯(lián)系起來。然而，連接電纜的測試環(huán)境只是一個理想的情景，不能反映“真實世界”的性能。

設備的脫敏性可以通過比較電纜連接環(huán)境獲得的測量值和遠場實驗室獲得的工程數(shù)據(jù)來揭示。如果測量結(jié)果相同，那么電纜連接環(huán)境測得的數(shù)據(jù)可以反映實際的系統(tǒng)性能。但是，如果測量結(jié)果不一致，那就表明設備內(nèi)部存在一定程度的脫敏；這里，遠場測試結(jié)果可以反映用戶的實際體驗，而電纜連接環(huán)境卻不能。脫敏會以多種方式在用戶使用過程中反映出來，如掉線、最大數(shù)據(jù)傳輸速率下降、或電池壽命縮短。

脫敏現(xiàn)象甚至可以在設備的一個LTE頻帶內(nèi)存在，而另一個頻帶卻不存在，如圖3中兩個曲線圖所示（測試使用一個市場上出售的智能手機）。第一個曲線圖反映的是LTE頻帶4的情況，我們發(fā)現(xiàn)無線和電纜連接兩種環(huán)境下接收器靈敏度曲線相互重合，表示不存在脫敏現(xiàn)象。但是，在第二個曲線圖中（LTE頻帶17），靈敏度的無線測試結(jié)果相對電纜連接環(huán)境下的測量值下降了5dB。這表明設備在該頻段上存在5dB左右的脫敏現(xiàn)象。

圖3 接收器靈敏度上捕獲的脫敏現(xiàn)象

在現(xiàn)今生產(chǎn)環(huán)境下對電纜連接方式的測試與遠場測試的比較是不切實際的，因為電纜連接方式適合工廠產(chǎn)線測試，而遠場測試則不適合；電纜連接方式的測試不能測設備脫敏性，而遠場測試可以。于是，如果存在某種技術(shù)能兼容兩者的優(yōu)點，從而確保最終成品的質(zhì)量，無疑是非常有好處的。

確保智能手機性能并保證高質(zhì)量的用戶體驗的能力可以對4G設備供應商的財務業(yè)績起到積極的作用，原因如下：第一，它能幫助提升4G設備供應商的品牌價值；第二，網(wǎng)絡運營商將更有可能接受和采用該供應商的4G設備。今天，少數(shù)幾個設備供應商分享著整個智能設備市場上大部分的利潤。這是因為這些供應商通過他們的產(chǎn)品在市場上培育了一種質(zhì)量第一的信譽。消費者因為知道這些供應商通過設計和測試來保證智能設備的質(zhì)量，所以也愿意花更多的錢來放心購買他們的產(chǎn)品。從運營商的角度來看，他們需要確保在基礎設施上升級并投資數(shù)十億美元之后，這些新的設備能幫助他們的新網(wǎng)絡發(fā)揮最大的潛力，這對他們是至關重要的。因此，運營商跟消費者一樣將青睞那些以測試手段保證產(chǎn)品質(zhì)量的設備供應商。

技術(shù)互通性挑戰(zhàn)

正如前文所述，4G技術(shù)能為網(wǎng)絡運營商帶來的好處之一就是它是一種完全基于數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡架構(gòu)。此外，Wi-Fi等其他基于數(shù)據(jù)包的技術(shù)現(xiàn)在已是每部智能手機的標準功能。隨著運營商向VoLTE（LTE語音傳輸）技術(shù)的轉(zhuǎn)變，各種新型的、能使我們在LTE和Wi-Fi之間進行語音切換的使用模式將會出現(xiàn)。這將使運營商能在用戶進入Wi-Fi覆蓋區(qū)域后降低網(wǎng)絡的流量。目前，生產(chǎn)環(huán)境下幾乎沒有技術(shù)互通性的測試。目前理想的做法是在PCBA層面，分別對蜂窩網(wǎng)絡與Wi-Fi進行測試，蜂窩移動測試的時間是Wi-Fi和BlueTooth兩者之和的兩倍以上。不過，更理想的做法可能是在產(chǎn)品測試過程中加入一個驗證步驟，以便執(zhí)行各種能反映真實環(huán)境下設備性能的、更類似于“用戶體驗測試”的測試項目來保證技術(shù)之間的互通性。

從目前的趨勢看，近場通信（NFC）、無線充電和毫米波無線視頻傳輸?shù)刃录夹g(shù)也在力爭成為智能手機的主流技術(shù)。隨著更多的無線技術(shù)被運用到消費產(chǎn)品中，產(chǎn)品最終用戶的良好體驗將成為一個必然的要求，這就要求設備供應商為產(chǎn)品找到經(jīng)濟的、與特定市場條件相適應的測試方案。

隨著4G設備的普及，各種新應用的使用模式將不斷涌現(xiàn)和發(fā)展。與之相適應，測試技術(shù)也需要不斷演進。目前的測試原理通常分為兩個類型：參數(shù)化的指標測試和功能性測試。也許，4G設備已開始推動第三種測試類型的誕生：“用戶體驗”測試。