基于HARQ的TD-LTE基站性能測(cè)試方案

0引言
LTE（Long Term Evolution長(zhǎng)期演進(jìn)）技術(shù)是第三代移動(dòng)通信演進(jìn)的主要方向。作為一種先進(jìn)的技術(shù)，LTE系統(tǒng)在提高峰值數(shù)據(jù)速率、小區(qū)邊緣速率、頻譜利用率、控制面和用戶(hù)面時(shí)延以及降低運(yùn)營(yíng)和建網(wǎng)成本等方面擁有巨大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，LTE系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)（2G/2.5G/3G）能夠共存，并且實(shí)現(xiàn)平滑演進(jìn)。
LTE系統(tǒng)按照雙工方式分為頻分雙工（FDD）和時(shí)分雙工（TDD）兩種。其中LTE-TDD制式相對(duì)于FDD制式具有頻譜利用靈活、支持非對(duì)稱(chēng)業(yè)務(wù)等諸多優(yōu)勢(shì)，是中國(guó)通信業(yè)界力推的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
系統(tǒng)吞吐率是衡量TD-LTE基站綜合性能的重要指標(biāo)。吞吐率的測(cè)試需要基站（eNB）與測(cè)試儀器（模擬UE）之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋并動(dòng)態(tài)調(diào)整。測(cè)試儀器不僅需要能夠生成符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的TD-LTE 上行信號(hào)，同時(shí)還需要模擬相應(yīng)的信道衰落模型，并且根據(jù)基站下發(fā)的ACK/NACK指令實(shí)時(shí)地調(diào)整發(fā)射信號(hào)的編碼冗余因子，以模擬真實(shí)的通信環(huán)境。本方案采用安捷倫基帶信號(hào)發(fā)生器與信道仿真儀N5106A PXB或安捷倫最新信號(hào)發(fā)生器N5182B/N5172B作為測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)Real-time版本的Signal Studio N7625 for LTE TDD生成TD-LTE測(cè)試信號(hào)并經(jīng)過(guò)信道衰落后送給基站進(jìn)行解碼從而可以統(tǒng)計(jì)出基站的吞吐率。

1 HARQ測(cè)試原理
1.1上行HARQ方式
LTE系統(tǒng)將在上行鏈路采用同步非自適應(yīng)HARQ技術(shù)。雖然異步自適應(yīng)HARQ技術(shù)與同步非自適應(yīng)技術(shù)比較，在調(diào)度方面的靈活性更高，但是后者所需的信令開(kāi)銷(xiāo)更少。由于上行鏈路的復(fù)雜性，來(lái)自其他小區(qū)用戶(hù)的干擾是不確定的，因此基站無(wú)法精確估測(cè)出各個(gè)用戶(hù)實(shí)際的信干比(SINR)值。由于SINR值的不準(zhǔn)確性導(dǎo)致上行鏈路對(duì)于調(diào)制編碼模式(MCS)的選擇不夠精確，所以更多地依賴(lài)HARQ技術(shù)來(lái)保證系統(tǒng)的性能。因此，上行鏈路的平均傳輸次數(shù)會(huì)高于下行鏈路。所以，考慮到控制信令的開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題，在上行鏈路使用同步非自適應(yīng)HARQ技術(shù)。
1.2上行HARQ時(shí)序
LTE TDD制式的上下行信號(hào)在時(shí)域上交錯(cuò)分布，因此其HARQ時(shí)序映射關(guān)系較FDD更為復(fù)雜。根據(jù)3GPP TS 36.213規(guī)定，TDD制式不同UL/DL Configuration下，下行子幀只在規(guī)定位置發(fā)送ACK/NACK指令，每個(gè)位置發(fā)送的ACK/NACK指令對(duì)應(yīng)特定的上行子幀信號(hào)，如表1所示。

3GPP TS 36.141規(guī)定性能測(cè)試只需在配置1下進(jìn)行，因此可以根據(jù)表1的描述得到配置1時(shí)的時(shí)序圖：

圖1 配置1時(shí)HARQ時(shí)序圖
在配置1時(shí)，上行只在子幀2、3、7和8四個(gè)位置發(fā)送上行信號(hào)；下行由基站在子幀1、4、6和9發(fā)送ACK/NACK指令，指令的指示對(duì)象及重傳位置關(guān)系如圖1所示。

2測(cè)試平臺(tái)
2.1硬件平臺(tái)
性能測(cè)試目的在于模擬實(shí)際環(huán)境下的系統(tǒng)吞吐率，因此需要基站與測(cè)試儀器進(jìn)行聯(lián)調(diào)。硬件測(cè)試平臺(tái)包括：支持2天線(xiàn)接收的TD-LTE eNB基站、安捷倫基帶信號(hào)發(fā)生器與信道仿真儀PXB、安捷倫矢量信號(hào)發(fā)生器MXG（主要用于上變頻）以及一臺(tái)四通道示波器（用于系統(tǒng)調(diào)試）。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

圖2 N5106 PXB測(cè)試系統(tǒng)
PXB實(shí)時(shí)產(chǎn)生TD-LTE上行信號(hào)并經(jīng)過(guò)特定信道模型下的衰落后，輸出的基帶I/Q信號(hào)經(jīng)過(guò)MXG上變頻分別送入基站的兩根接收天線(xiàn)?；径藢?duì)接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)解碼，并以RS232C的串行通信方式將反饋結(jié)果（ACK/NACK指令）傳回至PXB，PXB根據(jù)ACK/NACK指令實(shí)時(shí)調(diào)整RV因子重新發(fā)送數(shù)據(jù)包或選擇放棄當(dāng)前數(shù)據(jù)包（當(dāng)eNB發(fā)送ACK信號(hào)或是已達(dá)到最大重傳次數(shù)）。最后基站端統(tǒng)計(jì)得到系統(tǒng)的吞吐率。
如果測(cè)試環(huán)境確實(shí)希望使用外置信道仿真器，則只需使用安捷倫N5182B/N5172B射頻信號(hào)發(fā)生器即可完成上述系統(tǒng)的測(cè)試。典型的測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 N5182B/72B MXG-B測(cè)試系統(tǒng)
2.2軟件平臺(tái)
PXB或N5182B/72B通過(guò)Signal Studio N7625B-WFP for LTE TDD 軟件產(chǎn)生特定的參考測(cè)試信號(hào)，并實(shí)時(shí)地調(diào)整編碼冗余因子。

圖4 上行信號(hào)配置

圖5 HARQ設(shè)置
2.3 反饋信號(hào)格式
基站下發(fā)給PXB或N5182B/72B的ACK/NACK信號(hào)以RS232C串行通信的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行編碼，PXB或N5182B/72B根據(jù)相同的編碼速率和格式進(jìn)行解碼得到ACK/NACK值。反饋信號(hào)由8個(gè)比特組成，1個(gè)起始位，1個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。具體的數(shù)據(jù)格式如表2所示。

3測(cè)試結(jié)果
按照測(cè)試結(jié)構(gòu)圖搭建好測(cè)試系統(tǒng)并配置軟件平臺(tái)，啟動(dòng)基站及PXB或N5182B/72B，同時(shí)在示波器和基站控制端觀(guān)察測(cè)試結(jié)果。

圖6 PXB或N5182B/72B實(shí)時(shí)響應(yīng)
圖6為示波器上觀(guān)察到的PXB或N5182B/72B實(shí)時(shí)響應(yīng)。通道1、2、3和4分別為上行信號(hào)幀頭、ACK/NACK指令序列、上行信號(hào)I/Q數(shù)據(jù)以及PXB或N5182B/72B的ACK/NACK響應(yīng)（高電平為ACK，低電平為NACK）。如圖所示，HARQ時(shí)序響應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議完全相符。
基站端對(duì)上行射頻信號(hào)進(jìn)行分集接收并解調(diào)，然后通過(guò)CRC校驗(yàn)對(duì)接收結(jié)果作出判斷，最后得到在特定衰落模型下的系統(tǒng)吞吐率。
根據(jù)3GPP TS 36.141規(guī)定，選取PUSCH，20MHz帶寬信號(hào)作為測(cè)試案例。在2根接收天線(xiàn)，Normal CP下，按照列出的前10個(gè)Case依次測(cè)試，結(jié)果如下：

4結(jié)論
結(jié)果表明，系統(tǒng)完全滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求。測(cè)試過(guò)程透明可見(jiàn)，結(jié)果顯示直觀(guān)可信。同時(shí)，該測(cè)試系統(tǒng)在不添加任何硬件配置的情況下，僅僅通過(guò)軟件配置即可實(shí)現(xiàn)1×2，2×2，2×4及4×2的MIMO配置，從而實(shí)現(xiàn)基站HARQ，Timing Adjustment以及PUCCH性能測(cè)試，是TD-LTE基站性能測(cè)試的理想平臺(tái)。[!--empirenews.page--]
推薦方案：安捷倫基帶信號(hào)發(fā)生器與信道仿真儀 N5106A PXB配合信號(hào)發(fā)生器MXG和signal studio N7625B可以提供一站式的整體解決方案；如果測(cè)試系統(tǒng)已有專(zhuān)用信道仿真器，則可使用安捷倫信號(hào)發(fā)生器N5182B/72B及signal studio N7625B完成最終測(cè)試。