如何使用現(xiàn)有測試技術(shù)測試TD-LTE

由于最初的無線殺手級應(yīng)用——語音，要求形同容量的上行鏈路和下行鏈路，許多無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)最初是為提供對稱數(shù)據(jù)容量而設(shè)計的。許可和拍賣的頻譜塊也是成對的，因為這非常適合頻分復(fù)用(FDD)協(xié)議，當(dāng)語音是主要應(yīng)用時這種方案能夠很好地滿足運營商和用戶要求。

然而，隨著寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)的快速發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)的要求已經(jīng)變成了不對稱。換句話說，網(wǎng)絡(luò)上的下行鏈路和上行鏈路負(fù)載不再平衡，因為用戶的下載內(nèi)容量通常要比上載的量多得多。當(dāng)使用對稱配置的數(shù)據(jù)服務(wù)時，這種不對稱的數(shù)據(jù)要求將很快導(dǎo)致下行鏈路達(dá)到滿負(fù)荷，而上行鏈路利用率嚴(yán)重不足。

在這種情況下時分復(fù)用(TD)協(xié)議就有很大的優(yōu)勢，因為它可以通過調(diào)整上行鏈路和下行鏈路傳輸?shù)臅r隙安排調(diào)整上行鏈路和下行鏈路之間的相對帶寬分配。通過高效的時隙調(diào)度，運營商能以比對稱模型更高的利用率運作他們的網(wǎng)絡(luò)。TD-LTE允許根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特定需求動態(tài)修改帶寬分配，更新單個通道內(nèi)的上行鏈路和下行鏈路傳輸時隙安排，從而幫助運營商以更高的利用率運營LTE網(wǎng)絡(luò)。

一種極具魯棒性和可靠性的TD-LTE測試方法的關(guān)鍵是要確保測試設(shè)備支持多個關(guān)鍵要求。在現(xiàn)實世界中，上行鏈路和下行鏈路共存于相同的頻譜中，因此設(shè)計支持成功部署TD-LTE的有效測試設(shè)備也必須提供這些同樣的特性。特別是測試設(shè)備必須支持雙向測試工作，并具有相位和幅度平衡的上行鏈路和下行信道。

諸如信道模擬器等先進(jìn)的無線測試設(shè)備可以提供TD-LTE測試所必需的現(xiàn)實世界環(huán)境。在支持設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施測試的測試解決方案中集成信道模擬器后產(chǎn)生的測試結(jié)果能夠更好地反映現(xiàn)實世界所發(fā)生的事實。隨著對MIMO協(xié)議的帶寬和發(fā)展要求的不斷提高，能夠同時支持TD-LTE測試所需的各種射頻要求以及實現(xiàn)現(xiàn)實世界中典型活動的相關(guān)模型的信道模擬器將成為高效測試的關(guān)鍵。

對TD-LTE系統(tǒng)和設(shè)備的實際測試要求

像LTE等MIMO協(xié)議如今受現(xiàn)實世界中不斷變化的無線電環(huán)境的影響程度比以往任何時候都高，并且測試過程中使用的信道模型所呈現(xiàn)的相關(guān)度對它們也有很大的影響。雖然一些基礎(chǔ)測試項目使用標(biāo)準(zhǔn)信道模型，但更先進(jìn)的測試解決方案可以同時支持空中和在實驗室中重復(fù)的無線電場條件下的TD-LTE解決方案測試。

使用有線連接完成的標(biāo)準(zhǔn)實驗室測試雖然可以產(chǎn)生可重復(fù)的結(jié)果，但缺少現(xiàn)實世界和通過整個天線的空中測試。雖然空中測試(比如行車測試)可以代表現(xiàn)實世界，但諸如行駛測試之類的測試缺少可重復(fù)性。這是因為在現(xiàn)實世界測試中存在許多影響性能的變量，例如信道條件會因季節(jié)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載發(fā)生變化;像行車測試等實際測試的成本也是很高的。

為了彌補(bǔ)實驗室和實際空中測試之間的這種差距，可以在實驗室的測試平臺中使用信道模擬器。信道模擬器通過使用復(fù)雜的信道模型和眾多可編程的參數(shù)以可受控可重復(fù)的方式重復(fù)現(xiàn)實世界中的信道傳播條件(圖1)。綜合性的信道模擬器通過兩個方向上獨立的可編程信道特征提供雙向操作(下行鏈路和上行鏈路方向同時工作)。通過使用信道模擬器，我們可以驗證無線電設(shè)計和性能，提高測試覆蓋率，縮短測試周期，從而在更短的時間內(nèi)向市場推出更高質(zhì)量的產(chǎn)品。

圖1：具有信道模擬功能的點到多點測試案例的原理圖，其中到每個用戶設(shè)備(UE)都有一個完全雙向的MIMO信道，它們可真實地再次創(chuàng)建空中條件。

像TD-LTE中采用的數(shù)據(jù)通信技術(shù)要求很高的系統(tǒng)動態(tài)范圍和優(yōu)秀的射頻保真度。這些無線電系統(tǒng)經(jīng)常采用先進(jìn)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)來提高容量。64QAM(正交幅度調(diào)制)就是一個很好的例子，這種技術(shù)在每個OFDM副載頻每個符號上承載6個比特。另外，像OFDMA等技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)了系統(tǒng)的操作，支持可擴(kuò)展的容量。這些技術(shù)加上多天線技術(shù)MIMO最終能使系統(tǒng)向移動站提供可擴(kuò)展、可靠的容量，匯聚后的下行數(shù)據(jù)速率超過100Mbps，上行數(shù)據(jù)速率超過50Mbps.

但這些性能的提高是有代價的。更高階的調(diào)制技術(shù)要求更高的動態(tài)范圍和線性度。64QAM信號可能需要超過20dB的信噪比(SNR)才能取得比目標(biāo)最大誤塊率更好的性能。OFDM系統(tǒng)發(fā)送許多小的副載頻，這將導(dǎo)致瞬時功率電平發(fā)生很寬范圍的變化;大于10dB的峰值平均功率比(PAPR)并不少見。在移動通信中的典型頻選衰落環(huán)境中，某些OFDM副載頻可能會大幅衰落，有些又不會，因此進(jìn)一步增加了對動態(tài)范圍的要求。TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)目前用SC-FDMA實現(xiàn)上行鏈路，為了減輕深度衰落的影響而進(jìn)行了專門的設(shè)計，因此降低了用戶設(shè)備的功耗。

信道模擬器的輸入動態(tài)范圍

在選擇與3GPP TD-LTE設(shè)備一起使用的信道模擬器時需要考慮與輸入功率有關(guān)的幾個因素。這些考慮因素包括輸入功率范圍、峰值功率和信噪比余量。

3GPP LTE設(shè)備的發(fā)送信號可能有非常寬的動態(tài)功率范圍。雖然平均功率可能有某個最大值，但當(dāng)使用OFDM技術(shù)時的PAPR可能超過10dB，因此系統(tǒng)必須適應(yīng)這個最大值。即使是像3GPP TD-LTE用戶設(shè)備的發(fā)射器中使用的SC-FDMA，PAPR也仍然存在，并且可能超過8dB.移動設(shè)備也有實現(xiàn)發(fā)射功率控制來改變它們的輸出功率，通常它們的輸出功率是與eNodeB距離的函數(shù)。TD-LTE發(fā)射功率控制可能導(dǎo)致實際功率變化達(dá)63dB甚至更高。另外，當(dāng)設(shè)備發(fā)送部分采用更高階的調(diào)制，如64QAM時，必須保持足夠高的信噪比(SNR)。當(dāng)與3GPP TD-LTEb用戶設(shè)備連接時，允許直接連接發(fā)射功率從+23dBm至-40dBm的設(shè)備、同時還具有足夠PAPR和SNR余量的信道模擬器將能提供魯棒性和高效的測試配置。

雙向性和相位平衡

時分復(fù)用信號給測試設(shè)備的設(shè)計提出了獨特的挑戰(zhàn)。在執(zhí)行雙向測試時不需要經(jīng)過測試設(shè)備且用于FDD協(xié)議的信號路徑來支持相位平衡，因為上行鏈路和下行鏈路都工作在不同的頻譜，并跟隨它們自己的導(dǎo)頻。

然而TD協(xié)議要求上行鏈路和下行鏈路路徑是平衡的，這樣才能正確地模擬雙向連接。當(dāng)基站能夠使用來自上行鏈路的信息控制下行鏈路傳輸時這點尤其重要。

衰落和本底噪聲

衰落信道模擬器用于提供真實的快速衰落條件;理想情況下，模擬的衰落條件將匹配使用服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備的用戶所觀察到的情況。

對于諸如3GPP TD-LTE中使用的OFDM信號來說，某些副載頻的幅度由于頻選衰落的原因可能衰落或瞬時下降20dB甚至更多。由于每個副載頻都是一個調(diào)制過的信號，當(dāng)采用高達(dá)64QAM的調(diào)制時，信號幅度的這種瞬時跌落必須與信道模擬器設(shè)備的本底噪聲一起加以考慮。

舉例來說，如果一個平均輸出功率為-40dBm的信號由于衰落原因瞬時降低了20dB，那么幅度將變?yōu)?60dBm.為了在64QAM機(jī)制下保持25dB這個足夠的信噪比，測試設(shè)備的本底噪聲不應(yīng)超過-85dBm.測試設(shè)備供應(yīng)商經(jīng)常用噪聲功率譜密度來表示本底噪聲。假設(shè)有一個25C、10MHz寬的信號(這是3GPP LTE中的典型信號)，那么測試設(shè)備的噪聲功率譜密度需要低于-155dBm/Hz，這樣即使在衰落條件下也能保證信號的保真度。如果本底噪聲超過這個值，那么有可能當(dāng)模擬器提供衰落信道時，模擬器也會引入可能導(dǎo)致接收器解調(diào)錯誤的噪聲電平，而這種錯誤不是因待測設(shè)備的噪聲而是因信道模擬器的本底噪聲直接引起的。

波束成形技術(shù)的含義

在TD-LTE環(huán)境中，許多服務(wù)提供商和設(shè)備供應(yīng)商都在考慮部署波束成形技術(shù)。通過將傳輸能量集中在波束中：

可以到達(dá)更遠(yuǎn)的距離;

使用較少的能量就能到達(dá)相同的距離;

可以減輕干擾;

可以增加網(wǎng)絡(luò)容量;

系統(tǒng)性能將有整體改善。

波束成形算法以用于選擇波束器的算法基礎(chǔ)而聞名。具體到TD-LTE，我們必須考慮到無線空間存在互換的自然特性;也就是說，下行鏈路的無線路徑與上行鏈路的無線路徑看起來是完全一樣的。當(dāng)信號在無線環(huán)境中傳輸時，還存在多徑反射、無線信道變化、相位改變等情況。一般來說，波束成形算法利用了空中接口的一些特性，如信道變化和互換性。

信道模擬提供了一種在實驗室再生空中傳播條件的方法，可用于測試和按標(biāo)準(zhǔn)檢測不同的設(shè)備。信道模擬可以用來驗證由于波束成形算法帶來的改進(jìn)和性能增益。然而，在實驗室中完成魯棒性的波束成形設(shè)備測試要求使用雙向的信道模擬器，并且在有線實驗室環(huán)境中需要具備可互換和平衡的路徑。

圖2：波束成形。

這是因為波束成形算法依賴于上行鏈路的相位和幅度信息來調(diào)整下行鏈路的天線場圖案。信道估計和其它信令信息的交換在基站和移動站之間連續(xù)進(jìn)行，因此在實驗室環(huán)境中需要提供雙向的連接。互換性意味著MIMO系統(tǒng)中每條路徑的傳輸函數(shù)在兩個方向上看起來完全相同，兩個方向上的脈沖響應(yīng)hij(t)也必須相同(圖3)。

圖3：波束成形MIMO系統(tǒng)的傳輸函數(shù)。值得注意的是，信道必須具備端到端的互換性，而不只是內(nèi)部到模擬器。

實際上，用于波束成形的測試設(shè)備必須確保下行鏈路的信道相位通過校準(zhǔn)等同于上行鏈路信道的相位，也就是說DL需要等于UL，平衡也應(yīng)該是端到端的，即從eNodeB的天線端口的連接點到移動站的天線端口的連接點，而對UL和DL路徑來說還要求類似的幅度平衡(圖4)。

圖4：網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對蜂窩邊緣性能的影響。

位于蜂窩邊緣的終端設(shè)備一般都會將發(fā)射功率提高到最大允許值，目的是確保連續(xù)的魯棒性通信。然而，這將很快導(dǎo)致發(fā)生這種情況：終端設(shè)備只能在任意的給定時間周期內(nèi)發(fā)送一個資源塊。任何發(fā)送一個以上資源塊的企圖都會將所有可用的發(fā)射功率擴(kuò)展到更多資源塊上，從而縮小最大范圍。

然而事實上TD-LTE可以提供相當(dāng)于FDD性能的蜂窩邊緣性能，因為幾乎所有蜂窩通常都有一個以上的用戶，這樣每個設(shè)備在單位時間內(nèi)都將受限于單個資源塊，與TD-LTE或FDD LTE的最大容量是多少無關(guān)。

這種性能的驗證可以使用可變AWGN噪聲源完成。AWGN噪聲能很好地近似某個設(shè)備看到的由于相鄰終端設(shè)備中的其它小區(qū)/蜂窩引起的噪聲。

本文小結(jié)

對無線寬帶數(shù)據(jù)不斷上升的需求推動著TD-LTE在全球的普及。在使用TD-LTE的情況下，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特定需求調(diào)整單個信道上的上行鏈路和下行鏈路傳輸時隙來修改帶寬分配。這樣可以幫助運營商提高LTE網(wǎng)絡(luò)的利用率，但所用的協(xié)議對設(shè)備設(shè)計提出了獨特的挑戰(zhàn)，因為它要求上行鏈路和下行鏈路的路徑是平衡的，以便正確模擬雙向連接。

TD-LTE測試必須考慮測試設(shè)備的動態(tài)范圍、相位和幅度平衡以及雙向特性，以便建模包括波束成形在內(nèi)的TD-LTE部署場景。為了確保對TD-LTE設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行完善的現(xiàn)實世界測試，可以精心挑選合適的信道模擬器。這些模擬器除了滿足上述要求外，還要提供適當(dāng)?shù)淖詣踊δ芎托诺滥Ｐ?，以便幫助橋接現(xiàn)場與實驗室環(huán)境，在實驗室中高效地再現(xiàn)現(xiàn)實世界條件。