LTE系統(tǒng)RF特性的測(cè)量

對(duì)任何LTE設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)，確保產(chǎn)品符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的要求非常重要，例如TS36.141基站一致性測(cè)試和TS36.521 UE一致性規(guī)范射頻傳輸與接收。然而，基于這些標(biāo)準(zhǔn)高效準(zhǔn)確地呈現(xiàn)諸如OFDM、MIMO和Layer1/2/3等通用射頻發(fā)射特性極具挑戰(zhàn)性。使用特定測(cè)試儀器并實(shí)現(xiàn)一定的測(cè)量過(guò)程可以控制測(cè)試成本，并有助于加速產(chǎn)品上市。

　　OFDM射頻測(cè)試

　　正交頻分復(fù)用(OFDM)以及使用高階64QAM調(diào)制要求收發(fā)模塊同時(shí)具有高線性、精準(zhǔn)相位和足夠幅值，以防止碼間干擾，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的IQ解調(diào)。為了測(cè)量這些特性，測(cè)試方案需要具備快速、自適應(yīng)的誤差矢量幅值(EVM)測(cè)量功能，以便在自適應(yīng)頻率通道使用期間跟蹤和測(cè)量信號(hào)?？梢韵葴y(cè)試每個(gè)副載波的“單個(gè)副載波”性能，然后再測(cè)試副載波組合點(diǎn)處的“復(fù)合”信號(hào)，這樣就得到了總體性能。

　　副載波必須具有強(qiáng)大的相位噪聲性能以防范載波之間的信號(hào)泄漏。OFDM的頻率映射和正交屬性要求一個(gè)載波的“零點(diǎn)”準(zhǔn)確地位于相鄰載波的峰值點(diǎn)。因此，為正確設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，精確地測(cè)量每個(gè)副載波的相位線性度和幅值線性度就非常重要。

　　此外，還必須“逐個(gè)資源塊”地測(cè)量OFDM傳輸，以確定每個(gè)脈沖簇群的功率水平是否得以正確保持。每個(gè)單獨(dú)的“資源單元”都有特定的發(fā)射功率水平，且必須在整個(gè)資源塊準(zhǔn)確地測(cè)量這些功率水平。

　　由于具有兩個(gè)特點(diǎn)，EVM測(cè)量需仔細(xì)考慮。一個(gè)是循環(huán)前綴(CP)，即在每個(gè)符號(hào)開(kāi)始處發(fā)射的一個(gè)短脈沖序列。它實(shí)際上是符號(hào)尾端的一個(gè)重復(fù)，并產(chǎn)生一個(gè)允許因多徑效應(yīng)導(dǎo)致的時(shí)延在傳輸路徑中延展的穩(wěn)定時(shí)間。如果在符號(hào)周期的開(kāi)始立即就進(jìn)行測(cè)試，則前一個(gè)符號(hào)的信號(hào)(碼間干擾或ISI)將破壞此次測(cè)量。

　　第二個(gè)是符號(hào)傳輸在起點(diǎn)和終點(diǎn)各有一個(gè)“斜坡”，以確保此處沒(méi)有大功率的脈沖串。必須對(duì)測(cè)量的符號(hào)周期進(jìn)行限制，以確保測(cè)量沒(méi)在“斜坡”時(shí)間段進(jìn)行。使用“滑動(dòng)FFT”技術(shù)可同時(shí)解決上述這兩個(gè)問(wèn)題，它可及時(shí)調(diào)整被測(cè)符號(hào)周期，從而提供最佳EVM值。

　　下面的測(cè)量可體現(xiàn)出斜坡效應(yīng)。左邊的波形沒(méi)有斜坡，因此每個(gè)符號(hào)間的開(kāi)/關(guān)很尖銳。這將導(dǎo)致較大的“由于開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的頻譜”發(fā)散，即圖1中所示超出期望系統(tǒng)帶寬的輸出頻譜的展寬，在本例中是5MHz。右邊是使能了斜坡的波形，所以符號(hào)間的開(kāi)/關(guān)就遠(yuǎn)非那么陡突。這樣可以明顯減少頻譜發(fā)散。為確保發(fā)射器輸出保持在分配的頻段范圍且不會(huì)干擾任何相鄰頻率，就需要這類(lèi)斜坡(也稱(chēng)為頻譜整形)。

圖1：斜坡效應(yīng)。

　　在MIMO系統(tǒng)中，必須徹底地理解天線到空中的耦合特征。MIMO鏈路的數(shù)據(jù)速率和性能取決于多副射頻天線相互間的耦合程度。為實(shí)現(xiàn)一個(gè)成功的MIMO系統(tǒng)，需要精確的天線路徑校準(zhǔn)、工廠校準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝校準(zhǔn)。

　　基站發(fā)射天線陣列可以使用專(zhuān)門(mén)的相控陣列技術(shù)(如巴特勒矩陣)，以便精確控制每個(gè)天線路徑的相位/時(shí)序。這要求在電氣路徑長(zhǎng)度、耦合和來(lái)自?xún)啥说姆瓷涞确矫鎸?duì)射頻路徑進(jìn)行精確表征。表征數(shù)據(jù)再饋入MIMO自適應(yīng)算法來(lái)激活波束控制等功能。通?？梢允褂檬噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行天線路徑的完整表征。

　　在MIMO測(cè)試中，應(yīng)測(cè)量基帶處理部分和射頻的產(chǎn)生/規(guī)整，并且應(yīng)對(duì)兩者做功能和性能測(cè)試。另外，通過(guò)有意使用錯(cuò)誤信號(hào)執(zhí)行“負(fù)面測(cè)試”也很有用，這樣可確保這些錯(cuò)誤信號(hào)得到了正確處理或被拒絕。

　　在MIMO系統(tǒng)中，計(jì)算從每副發(fā)射天線到每副接收天線的射頻路徑特性是有必要的。為此，系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)地精確測(cè)量射頻路徑特性。這些算法被嵌入在具體MIMO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，但它們都要求對(duì)已知信號(hào)的前導(dǎo)或?qū)ьl音進(jìn)行精確的相位和幅值測(cè)量。對(duì)測(cè)試環(huán)境來(lái)說(shuō)，它提出了兩個(gè)挑戰(zhàn)：

　　接收信號(hào)的測(cè)量精度測(cè)試系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)以將測(cè)量本身系統(tǒng)的不確定性與被測(cè)MIMO系統(tǒng)的精度和不確定性分隔開(kāi)來(lái)。這樣受測(cè)試系統(tǒng)的影響最小，可以測(cè)到MIMO系統(tǒng)的真實(shí)特性。為此，測(cè)試環(huán)境必須產(chǎn)生參考信號(hào)，并以參考信號(hào)為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試方法需要通過(guò)調(diào)整參考信號(hào)質(zhì)量、檢查測(cè)量結(jié)果與產(chǎn)生的變化是否匹配來(lái)加以確認(rèn)。

　　射頻耦合對(duì)于在性能測(cè)量、算法調(diào)整、集成與驗(yàn)證(I&V)和生產(chǎn)質(zhì)量測(cè)試中使用的測(cè)試環(huán)境來(lái)說(shuō)，如果要得到絕對(duì)的性能指標(biāo)，那么天線間的射頻耦合就必須是被定義的、可重復(fù)的、已表征的。這要求使用具有完善信號(hào)發(fā)生功能的合適的衰減與多徑測(cè)試儀器以創(chuàng)建天線間的不同耦合。為此需要使用靜態(tài)信號(hào)(如基于信號(hào)發(fā)生器的參考信號(hào))進(jìn)行初始測(cè)試；使用基帶衰減仿真器進(jìn)行算法級(jí)操作正確性測(cè)試；使用射頻衰減仿真器進(jìn)行端到端的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。

　　數(shù)據(jù)模塊的MIMO編碼基于的是空間－時(shí)間塊編碼，其中實(shí)際數(shù)據(jù)編碼是同時(shí)基于空間(即哪副天線)和時(shí)間(何時(shí)發(fā)射)的。MIMO的分集增益基于所發(fā)送數(shù)據(jù)的每個(gè)塊的空間與時(shí)間多樣性。因此，每副天線的時(shí)間規(guī)整性和天線間路徑的空間規(guī)整性是必須測(cè)量的。

　　MIMO分析要求對(duì)所用的信號(hào)處理和MIMO編碼算法進(jìn)行充分的測(cè)試和評(píng)估。這里采用了分步方法，其中MIMO算法的每個(gè)處理和反饋步驟都可以被隔離和測(cè)量。這些測(cè)試需要在受控環(huán)境中開(kāi)展，其中MIMO算法內(nèi)各部分的驗(yàn)證可以通過(guò)將其與參考狀態(tài)比較來(lái)完成。驗(yàn)證要求利用從發(fā)射器到接收器的射頻耦合以及在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間得到的測(cè)量和反饋報(bào)告創(chuàng)建出已知狀態(tài)。

　　算法檢驗(yàn)不僅需要測(cè)試射頻空中接口，也需要純基帶級(jí)的測(cè)試。另外，要求精確控制基帶處理和射頻耦合。這通常是通過(guò)使用衰減仿真器和系統(tǒng)仿真器實(shí)現(xiàn)的。衰減仿真器提供一個(gè)受控的空中接口耦合，而系統(tǒng)仿真器提供一個(gè)受控的基帶環(huán)境(如用受控的UE測(cè)試基站，或用受控的基站測(cè)試UE)。

　　當(dāng)MIMO測(cè)試中包含衰減功能時(shí)，每條路徑的衰減必須被完整描述，然后再描述每個(gè)射頻路徑之間的相關(guān)性。在2x2 MIMO場(chǎng)合，共有4條路徑，分別以h11、h12、h21和h22表述。對(duì)MIMO來(lái)說(shuō)，在理想環(huán)境，不同射頻路徑是不相關(guān)的，因此處理算法可以將信號(hào)與每條路徑徹底分開(kāi)以充分提升數(shù)據(jù)速率。

　　在現(xiàn)實(shí)世界中，不同路徑間存在某種相關(guān)性，因?yàn)樵诎l(fā)射機(jī)到接收機(jī)間，不同路徑具有某些相似的共享路徑。針對(duì)每種這樣的場(chǎng)景，相關(guān)性矩陣可對(duì)不同射頻路徑是如何關(guān)聯(lián)的進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。這樣，就必須對(duì)算法進(jìn)行測(cè)試、驗(yàn)證和優(yōu)化，以便在可能經(jīng)歷的各種不同類(lèi)型的射頻環(huán)境中獲得盡可能好的數(shù)據(jù)速率吞吐量。

　　層1(L1)包含與報(bào)告和測(cè)量有關(guān)的算法與程式，這些算法與程式主要用于驅(qū)動(dòng)功率控制、自適應(yīng)調(diào)制、編碼以及MIMO處理能力。從測(cè)試角度看，測(cè)量在接收器側(cè)進(jìn)行，并傳回到使用測(cè)量結(jié)果的相應(yīng)單元。這個(gè)過(guò)程也用來(lái)驗(yàn)證發(fā)射器是否對(duì)測(cè)量報(bào)告做出了正確響應(yīng)并相應(yīng)調(diào)整了參數(shù)。

　　下面(圖2)顯示了兩個(gè)典型的L1測(cè)試(功率與資源模塊的關(guān)系)。第一張圖顯示了每個(gè)資源模塊在單一時(shí)間周期(子幀)內(nèi)的獨(dú)立發(fā)射功率。該圖可用來(lái)評(píng)估功率在所有可用的資源模塊間是如何分配的；基于報(bào)告和L1功率控制算法，可用資源是否為接收機(jī)設(shè)置了正確的功率水平。第二張圖顯示了每個(gè)資源塊的時(shí)間變化。每個(gè)資源塊的測(cè)量時(shí)間是一個(gè)時(shí)間周期(子幀)，而功率水平用資源塊的顏色表示。

圖2：典型的L1測(cè)試。

　　層2和層3(L2和L3)測(cè)試集中在對(duì)系統(tǒng)內(nèi)不同網(wǎng)絡(luò)單元間(如UE和基站)所接收到的信令與消息流的測(cè)試。測(cè)試這些層的目的是確保正確的系統(tǒng)信令和更高層數(shù)據(jù)得到了正確發(fā)送。

　　通常使用系統(tǒng)仿真器產(chǎn)生發(fā)送到被測(cè)實(shí)體的消息及接收來(lái)自被測(cè)實(shí)體的消息來(lái)完成這種測(cè)試。另外，仿真器通常帶有L1實(shí)現(xiàn)以經(jīng)由合適的物理層與目標(biāo)實(shí)體通信。另一種選擇是去掉L1，采用“虛擬L1”將仿真器的L2和L3單元鏈接到協(xié)議棧。

　　取決于被測(cè)對(duì)象，系統(tǒng)仿真器通常是下面兩種之一：

　　1.網(wǎng)絡(luò)仿真器，用于UE測(cè)試

　　2.UE仿真器，用于eNodeB測(cè)試

　　這些仿真器具有相似的架構(gòu)，使用L1硬件進(jìn)行物理層連接，然后為L(zhǎng)2、L3以及記錄/分析提供一個(gè)控制環(huán)境(通常是PC主機(jī))。

　　UE環(huán)回測(cè)試模式

　　此類(lèi)測(cè)試經(jīng)常要求配置專(zhuān)門(mén)的環(huán)回測(cè)試模式。在這種模式下，設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)將被設(shè)備自動(dòng)發(fā)回仿真器。這樣可以完成對(duì)數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)完整性和連接性的驗(yàn)證。

　　大量MAC和RLC以及幾乎所有的數(shù)據(jù)無(wú)線承載(ORB)LTE測(cè)試都要求UE處于環(huán)回測(cè)試模式。如果沒(méi)有這種模式，ORB測(cè)試只有有限的測(cè)試覆蓋范圍，而L2測(cè)試的測(cè)試覆蓋范圍將不足于完成完整的設(shè)備測(cè)試。因?yàn)檫@不是設(shè)備的正常工作模式，測(cè)試環(huán)回模式只在特定測(cè)試時(shí)被激活。

　　結(jié)論

　　在LTE環(huán)境中，交接、衰減和移動(dòng)性都會(huì)導(dǎo)致顯著的延時(shí)和數(shù)據(jù)速率變化，并造成許多數(shù)據(jù)收發(fā)問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)仿真器和業(yè)務(wù)損傷仿真器可以用來(lái)創(chuàng)建一個(gè)受控且可重復(fù)的測(cè)試環(huán)境，幫助設(shè)計(jì)人員測(cè)量被測(cè)特性以隔離這些效應(yīng)，并評(píng)估這些效應(yīng)對(duì)用戶(hù)體驗(yàn)的影響。最終得以向市場(chǎng)及時(shí)推出更高品質(zhì)的產(chǎn)品。