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电子测量仪器 |
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UMTS长期演进(LTE)：测量技术的新挑战 |
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作者：罗德与施瓦茨公司 Christina Gessner |
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LTE是UMTS移动通信技术发展的下一阶段，并将发展成为宽带无线通信系统。LTE技术使得用户的数据速率有了大幅提升，并可以更有效地支持基于IP的数据应用，从理论上来说可实现的最高下行速率可达300Mbps。其发展的驱动力是进一步发展现在许多终端设备已经能支持的移动互联网。目前，对功能强大的智能手机的需求在不断增长，而且在移动网络中的数据传输量增长的也非常迅速。LTE技术将会促进这个趋势。一方面，LTE允许网络运营商向客户提供更具有吸引力、对数据量要求更多的服务用以吸引客户。另外一方面，LTE显著提高了系统容量，使得更多的用户可以享受高质量的服务。LTE不仅提升了数据速率，而且减少了数据传输过程中的延迟。因此数据在网络和空口传输过程中所需的时间更少，从而避免了移动终端使用者无谓的等待时间。
本文描述了LTE使用的各种技术，包括OFDMA、TDD、FDD、MIMO以及LTE的协议结构；并讨论了其复杂的测试任务，从射频测试到物理层详细的行为分析。除此之外，这篇文章还回顾了LTE空中接口的相关过程，以及LTE和现存的其他技术间的移动性管理(切换)。最后，文章对网络运营商的网络测量验证也进行了一定的讨论。
LTE所使用的各种技术
LTE下行采用OFDMA接入过程 LTE对PS域数据传输做了很多改进，并采用了很多新的技术，如空中接口以及协议结构，它们均都同于现存的UMTS复杂的过程。3GPP标准化组织负责UMTS标准的维护和持续发展，因此也负责LTE的发展。3GPP决定在LTE中采用新的传输过程和结构模型，即不再采用目前UMTS系统使用的基于WCDMA的接入。在LTE中，下行采用OFDMA(正交频分复用接入)的接入过程，OFDMA系统具有稳健的数据传输能力和很好的频谱效率；上行则采用SC-FDMA(单载波频分复用接入)技术，SC-FDMA具有很好的信号特性，与OFDMA信号相比，它显著减小了信号的峰均比从而降低了终端设备功放的设计要求。
FDD和TDD LTE的应用中需要考虑不同的频段。首先应用的频段将是700MHz、2.1GHz和2.6GHz。LTE支持FDD(频分复用)模式和TDD(时分复用)模式。在FDD系统中，下行和上行分别采用不同的频段；而在TDD系统中，下行和上行使用同一频段，靠时间来进行区分。LTE的带宽是分级的：LTE支持的带宽可以是1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz或20MHz。
更多天线实现更高数据速率 MIMO多天线技术的应用是LTE的另外一个重要标志，也因此使得LTE系统可以满足高数据速率和大容量需求。因此，在基站端要求至少有两个或四个发射天线，而终端设备则至少有两个接收天线。当然，将来也可以考虑终端设备采用四个接收天线。不同发射天线的数据流是同时传输，并且完全独立的；每个数据流都可以被一个或多个接收天线接收，从而提高某个终端的速率或整个网络的容量。对于MIMO，LTE提供了数十种的可能配置，定义了七种不同的模型，并且对每种模型都可以灵活配置。
扁平化并基于分组应用的协议结构 对于LTE来说，仅仅是物理层传输过程的演进还是不够的，其现存的复杂协议层结构将使得LTE系统超负荷工作。因此，LTE需要一个扁平化的协议结构，并且要比现存的UMTS协议结构简单。LTE的基站，称之为eNB，集成了无线网络(Radio Network)的主要功能，并通过S1接口直接与核心网相连；它拥有现存网络中无线资源控制器(RNC)的功能。LTE是一个纯的基于分组应用的系统，也就是说，它不支持GSM中最普遍的CS域的语音传输。
LTE取消了专用信道的模式(即用户在持续连接的时候固定地占用相应的资源)，取而代之的是：LTE基站根据用户的需求来分配相应信道的使用权，即共享信道原则。该原则已在HSPA(高速分组接入)中广泛使用，非常适合基于分组应用的数据传输。除此之外，LTE还引入鲁棒的传输技术，即混合自动重发请求(HARQ)。采用HARQ技术，可以非常迅速地通过重发来纠正传输中出现的错误。
LTE系统的一个性能特性是其在空中接口具有非常灵活的配置性。由于采用OFDMA和SC-FDMA技术，LTE基站可以根据用户的实际无线环境，灵活的配置其使用带宽，从而实现系统频谱的最优化应用。这种技术也被成为“基于频点的调度”。
LTE根据需求灵活应用 LTE除了采用上面提到的许多新技术外，在标准化的过程中还特别注意了LTE网络在各种场景中的应用性。因此在LTE标准中有大量的可选择参数，并有很多的配置可能性，从而使生产厂商和网络运营商可以根据自身需求对其LTE网络进行相应优化。当然机遇与风险同在，更多的灵活性增加了LTE终端和基础设施的复杂度。在过去几年里，终端设备的复杂度持续增加，现在的手机支持多个频段和技术。
当然，在LTE商用化的初期阶段，其数据卡只支持LTE技术。从长远看，LTE终端还需要支持/整合现存的移动通信标准。这点对平滑演进的服务非常重要，因为需要考虑到，在LTE网络没有覆盖的地方终端用户仍能使用网络。除此之外，一些网络运营商还要求LTE终端在支持FDD模式的同时支持TDD模式。
满足全部标准的测量技术
基于这些要求，LTE产品生产商和网络运营商需要强有力的测试解决方案，不仅能够满足以上所提到的LTE相关技术的需求，还要符合LTE上不同应用测试的要求，并对其做相应的优化。因此，在开发的早期阶段，需要生产设计厂商与测量方案提供商紧密合作，相互配合，从而优化LTE产品和测量技术的研发进程。通常，新标准的产品研发早于技术规范的发布，所以仪器厂商需要与其客户紧密配合，从而尽快推出合适的测试解决方案。
除此之外，测量解决方案不仅需要覆盖LTE的应用领域，还要支持其他不同的标准。强大的多标准平台是满足这个需求的最佳选择。
高频测试的信号产生和频谱分析 高频组件、发射机和接收机的生产商很早就具备LTE所需要的测试能力，从而推动基站和终端的开发。在这个领域，主要是使用信号源和信号分析仪。使用信号源，可以任意配置符合LTE标准的信号。使用者可以任意设置频率、功率、带宽、资源配置、信号内容等。使用它产生的信号可以测试接收机或者相关组件。为了更接近实际条件，可以外加噪声或其他的无线传输环境等，如衰落模拟。
信号分析仪可以测试LTE信号的各种射频指标，并依次判断LTE发射机或组件的质量好坏。包含的测量如功率，频谱和调制质量。
在研发的早期阶段，人们就已经考虑到3GPP对基站和终端的射频要求，从而使得产品可以通过后来的质检和认证。3GPP的测试规范TS 36.141和TS 36.521包含了对LTE基站和终端的射频测试要求，是一致性测试基础。这些规范的发展变化，为工业生产的测试计划指明了方向。
除了射频信号，也可以使用测试设备检验基带信号。通过这种方法，生产厂商可以在没有集成射频功能的时候，提早进行基带测试。
包括衰落模拟的多天线仿真 LTE中MIMO的测试是非常具有挑战性的，一方面MIMO的配置是多样的，另外一方面其对LTE的性能和速率有着直接的意义。因此，需要多功能的测试仪器，该仪器不仅能够灵活的支持各种标准，同时还要操作简单。我们需要评价MIMO接收机，其中一个重要的要求是需要在实际传播环境(如衰落)下测试。3GPP为MIMO定义了特殊的衰落模型，推荐用于LTE终端的测试。图1所示信号源，一台就能够仿真一个支持MIMO的基站，在其两个天线上产生MIMO的两路信号，并能够在其之上加入衰落和噪声。这种结构的信号源还可以产生更高阶的MIMO系统，如仿真四个发射天线。这样就能够提前验证MIMO终端及其算法。MIMO的发射机，如基站发送的信号，可以由信号分析仪来分析。为了测试MIMO系统上的两个天线端口的信号，需要把两台分析仪结合起来。从而可以计算出传输的数据流及其基本的参数，并分别评估每个数据流的调制质量。
图1: 一台R&S SMU200矢量信号源，就可以模拟LTE基站，产生两个天线端的信号，
并可实时仿真符合2x2-MIMO的衰落
包含信令模块的协议测试测量平台 信号源和信号分析仪组成的测试平台不包含任何信令信息。而当我们需要验证LTE空中接口上的快速调度过程上的纠错功能时，信令功能是必须的。因此就需要一个功能强大的蜂窝测试平台(如无线通信综合测试仪，图2)。它需要模拟LTE基站功能和核心网的部分功能，用以测试终端。这样，仅仅用一台仪器，不仅可以详细验证终端的协议栈，而且还可以测试射频性能并详细分析物理层行为。无线通信测试仪的另外的一个好处是，可以分析空中接口中包含上下行交互的物理层过程，包括MIMO、HARQ重传协议，以及随机接入过程(终端初始化连接)等。作为协议测试仪，无线通信测试仪可以验证LTE空中接口的全部相关的物理层过程，同时还可以检测其与其他现存技术的平滑切换。
图2: R&S CMW500 宽带无线通信综合测试仪，可扩展的平台，
用于LTE芯片、终端的测试
对于终端的生产商，除了功能测试外还关心性能。LTE的协议栈必须能够处理所需的高速率，并保证短的延迟。只有具有这样的协议栈，无线综合测试仪才可以建立实际数据服务(如视频流、VoIP等)所需的无线连接，才能传输实际的有用数据。除此之外，对于综测仪来说，能够仿真实际的传输环境，如外接衰落模拟器进行衰落模拟，也是非常重要的。
3GPP在TS 36.523中定义了许多协议以及信令测试，这些测试不仅涉及到终端在LTE网络自身的行为，也牵涉到一些与现存技术如GSM/EDGE、WCDMA/HSPA、CDMA2000 1xRTT/1xEV-DO的切换。测试规范TS 36.523也是终端协议一致性测试和验证的基础。信令测试基于功能测试，用于测试指定协议层的特殊行为或其相关功能。除此之外，制造商和运营商也需要测试终端典型应用的行为。这些是互操作性测试的重要准备，因为终端需要测试其在不同厂商的基站下工作的情况。所以，生产商需要测试平台能够支持更多的、基于实际可能出现场景的测试用例。对于“端到端”的测试也非常重要，如VoIP或视频流等。如果综合测试仪具有灵活的编程接口的话，就可以快速的对现存的测试用例进行更新，或根据客户需求创造新的测试用例。生产商和运营商的目的都是：尽可能早的(在实验室)发现并纠正错误，从而节约花费、减少时间。如果在现场测试或在实际的运营商处才发现错误的话，将会显著的增加花费，并将影响在运营商处的新产品的引入。
网络运营商端的LTE测试
网络运营商需要特殊的测试方法和测试技术，用以在网络中推广新技术。一方面，他们需要收集LTE第一手的现场测试经验。另外一方面，运营商还需要考虑LTE的网络质量及布网计划。功能强大的网络扫频仪(图3)可以测试LTE网络的重要参数，并可以测出网络覆盖盲点或基站的不当配置。对于接收，它还可以测试噪声功率，并定位出对其他基站的干扰信号。除此之外，还可以把扫频仪集成到完整的覆盖测量解决方案里，从而对测试数据进行详细分析，并可以和其他实际终端做相应对比测试。网络扫频仪的另外一个典型应用是，除了LTE网络外，还可以并行测试其他不同的技术。
图3: R&S TSMW通用网络扫频仪，支持LTE网络的建设并对其进行网络优化
结论
LTE给器件和终端生产商，仪器厂商以及网络运营商许多技术上的挑战，并要求测试技术不断发展，从而满足LTE产品开发和商业化的需求。它的每个应用领域均有不同的要求，因此需要一个功能强大的多标准平台，用于测试测量，从而满足其不同应用领域的需求。接下来的几个月，这个新技术将会发展更快。LTE已经朝着新一代的无线通信技术发展，并将继续发展下去：3GPP使用“LTE – Advanced”继续发展LTE技术，朝着第四代移动通信技术迈进。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(5/7/2010) |
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