LTE系統(tǒng)RF特性的測量

對任何LTE設備制造商來說，確保產(chǎn)品符合3GPP標準的要求非常重要，例如TS36.141基站一致性測試和TS36.521 UE一致性規(guī)范射頻傳輸與接收。然而，基于這些標準高效準確地呈現(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。使用特定測試儀器并實現(xiàn)一定的測量過程可以控制測試成本，并有助于加速產(chǎn)品上市。

　　OFDM射頻測試

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

　　副載波必須具有強大的相位噪聲性能以防范載波之間的信號泄漏。OFDM的頻率映射和正交屬性要求一個載波的“零點”準確地位于相鄰載波的峰值點。因此，為正確設計一個系統(tǒng)，精確地測量每個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“逐個資源塊”地測量OFDM傳輸，以確定每個脈沖簇群的功率水平是否得以正確保持。每個單獨的“資源單元”都有特定的發(fā)射功率水平，且必須在整個資源塊準確地測量這些功率水平。

　　由于具有兩個特點，EVM測量需仔細考慮 。一個是循環(huán)前綴(CP)，即在每個符號開始處發(fā)射的一個短脈沖序列。它實際上是符號尾端的一個重復，并產(chǎn)生一個允許因多徑效應導致的時延在傳輸路徑中延展的穩(wěn)定時間。如果在符號周期的開始立即就進行測試，則前一個符號的信號(碼間干擾或ISI)將破壞此次測量。

　　第二個是符號傳輸在起點和終點各有一個“斜坡”，以確保此處沒有大功率的脈沖串。必須對測量的符號周期進行限制，以確保測量沒在“斜坡”時間段進行。使用“滑動FFT”技術可同時解決上述這兩個問題，它可及時調(diào)整被測符號周期，從而提供最佳EVM值。

　　下面的測量可體現(xiàn)出斜坡效應。左邊的波形沒有斜坡，因此每個符號間的開/關很尖銳。這將導致較大的“由于開關動作引起的頻譜”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，所以符號間的開/關就遠非那么陡突。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干擾任何相鄰頻率，就需要這類斜坡(也稱為頻譜整形)。

圖1：斜坡效應。

　　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。為實現(xiàn)一個成功的MIMO系統(tǒng)，需要精確的天線路徑校準、工廠校準和現(xiàn)場安裝校準。

　　基站發(fā)射天線陣列可以使用專門的相控陣列技術(如巴特勒矩陣)，以便精確控制每個天線路徑的相位/時序。這要求在電氣路徑長度、耦合和來自兩端的反射等方面對射頻路徑進行精確表征。表征數(shù)據(jù)再饋入MIMO自適應算法來激活波束控制等功能。通常可以使用矢量網(wǎng)絡分析儀進行天線路徑的完整表征。

　　在MIMO測試中，應測量基帶處理部分和射頻的產(chǎn)生/規(guī)整，并且應對兩者做功能和性能測試。另外，通過有意使用錯誤信號執(zhí)行“負面測試”也很有用，這樣可確保這些錯誤信號得到了正確處理或被拒絕。

　　在MIMO系統(tǒng)中， 計算從每副發(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)必須能夠實時地精確測量射頻路徑特性。這些算法被嵌入在具體MIMO系統(tǒng)的設計中，但它們都要求對已知信號的前導或導頻音進行精確的相位和幅值測量。對測試環(huán)境來說，它提出了兩個挑戰(zhàn)：

　　接收信號的測量精度 測試系統(tǒng)必須經(jīng)過校準以將測量本身系統(tǒng)的不確定性與被測MIMO系統(tǒng)的精度和不確定性分隔開來。這樣受測試系統(tǒng)的影響最小，可以測到MIMO系統(tǒng)的真實特性。為此，測試環(huán)境必須產(chǎn)生參考信號，并以參考信號為基準進行測量。測試方法需要通過調(diào)整參考信號質量、檢查測量結果與產(chǎn)生的變化是否匹配來加以確認。

　　射頻耦合 對于在性能測量、算法調(diào)整、集成與驗證(IV)和生產(chǎn)質量測試中使用的測試環(huán)境來說，如果要得到絕對的性能指標，那么天線間的射頻耦合就必須是被定義的、可重復的、已表征的。這要求使用具有完善信號發(fā)生功能的合適的衰減與多徑測試儀器以創(chuàng)建天線間的不同耦合。為此需要使用靜態(tài)信號(如基于信號發(fā)生器的參考信號)進行初始測試；使用基帶衰減仿真器進行算法級操作正確性測試；使用射頻衰減仿真器進行端到端的系統(tǒng)級測試。

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

　　MIMO分析要求對所用的信號處理和MIMO編碼算法進行充分的測試和評估。這里采用了分步方法，其中MIMO算法的每個處理和反饋步驟都可以被隔離和測量。這些測試需要在受控環(huán)境中開展，其中MIMO算法內(nèi)各部分的驗證可以通過將其與參考狀態(tài)比較來完成。驗證要求利用從發(fā)射器到接收器的射頻耦合以及在發(fā)射機與接收機之間得到的測量和反饋報告創(chuàng)建出已知狀態(tài)。

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

　　當MIMO測試中包含衰減功能時，每條路徑的衰減必須被完整描述，然后再描述每個射頻路徑之間的相關性。在2x2 MIMO場合，共有4條路徑，分別以h11、h12、h21和h22表述。對MIMO來說，在理想環(huán)境，不同射頻路徑是不相關的，因此處理算法可以將信號與每條路徑徹底分開以充分提升數(shù)據(jù)速率。

　　在現(xiàn)實世界中，不同路徑間存在某種相關性，因為在發(fā)射機到接收機間，不同路徑具有某些相似的共享路徑。針對每種這樣的場景，相關性矩陣可對不同射頻路徑是如何關聯(lián)的進行數(shù)學描述。這樣，就必須對算法進行測試、驗證和優(yōu)化，以便在可能經(jīng)歷的各種不同類型的射頻環(huán)境中獲得盡可能好的數(shù)據(jù)速率吞吐量。

　　層1(L1)包含與報告和測量有關的算法與程式，這些算法與程式主要用于驅動功率控制、自適應調(diào)制、編碼以及MIMO處理能力。從測試角度看，測量在接收器側進行，并傳回到使用測量結果的相應單元。這個過程也用來驗證發(fā)射器是否對測量報告做出了正確響應并相應調(diào)整了參數(shù)。

　　下面(圖2)顯示了兩個典型的L1測試(功率與資源模塊的關系)。第一張圖顯示了每個資源模塊在單一時間周期(子幀)內(nèi)的獨立發(fā)射功率。該圖可用來評估功率在所有可用的資源模塊間是如何分配的；基于報告和L1功率控制算法，可用資源是否為接收機設置了正確的功率水平。第二張圖顯示了每個資源塊的時間變化。每個資源塊的測量時間是一個時間周期(子幀)，而功率水平用資源塊的顏色表示。

圖2：典型的L1測試。

　　層2和層3(L2和L3)測試集中在對系統(tǒng)內(nèi)不同網(wǎng)絡單元間(如UE和基站)所接收到的信令與消息流的測試。測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)送到被測實體的消息及接收來自被測實體的消息來完成這種測試。另外，仿真器通常帶有L1實現(xiàn)以經(jīng)由合適的物理層與目標實體通信。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。

　　取決于被測對象，系統(tǒng)仿真器通常是下面兩種之一：

　　1.網(wǎng)絡仿真器，用于UE測試

　　2.UE仿真器，用于eNodeB測試

　　這些仿真器具有相似的架構，使用L1硬件進行物理層連接，然后為L2、L3以及記錄/分析提供一個控制環(huán)境(通常是PC主機)。

　　UE環(huán)回測試模式

　　此類測試經(jīng)常要求配置專門的環(huán)回測試模式。在這種模式下，設備接收到的數(shù)據(jù)將被設備自動發(fā)回仿真器。這樣可以完成對數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)完整性和連接性的驗證。

　　大量MAC和RLC以及幾乎所有的數(shù)據(jù)無線承載(ORB)LTE測試都要求UE處于環(huán)回測試模式。如果沒有這種模式，ORB測試只有有限的測試覆蓋范圍，而L2測試的測試覆蓋范圍將不足于完成完整的設備測試。因為這不是設備的正常工作模式，測試環(huán)回模式只在特定測試時被激活。

　　結論

　　在LTE環(huán)境中，交接、衰減和移動性都會導致顯著的延時和數(shù)據(jù)速率變化，并造成許多數(shù)據(jù)收發(fā)問題。網(wǎng)絡仿真器和業(yè)務損傷仿真器可以用來創(chuàng)建一個受控且可重復的測試環(huán)境，幫助設計人員測量被測特性以隔離這些效應，并評估這些效應對用戶體驗的影響。最終得以向市場及時推出更高品質的產(chǎn)品。