如何使用現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)測(cè)試TD-LTE

由于最初的無線殺手級(jí)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(duì)稱數(shù)據(jù)容量而設(shè)計(jì)的。許可和拍賣的頻譜塊也是成對(duì)的，因?yàn)檫@非常適合頻分復(fù)用(FDD)協(xié)議，當(dāng)語音是主要應(yīng)用時(shí)這種方案能夠很好地滿足運(yùn)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(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求已經(jīng)變成了不對(duì)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?yàn)橛脩舻南螺d內(nèi)容量通常要比上載的量多得多。當(dāng)使用對(duì)稱配置的數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)，這種不對(duì)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(shí)分復(fù)用(TD)協(xié)議就有很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢酝ㄟ^調(diào)整上行鏈路和下行鏈路傳輸?shù)臅r(shí)隙安排調(diào)整上行鏈路和下行鏈路之間的相對(duì)帶寬分配。通過高效的時(shí)隙調(diào)度，運(yùn)營商能以比對(duì)稱模型更高的利用率運(yùn)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(dòng)態(tài)修改帶寬分配，更新單個(gè)通道內(nèi)的上行鏈路和下行鏈路傳輸時(shí)隙安排，從而幫助運(yùn)營商以更高的利用率運(yùn)營LTE網(wǎng)絡(luò)。

一種極具魯棒性和可靠性的TD-LTE測(cè)試方法的關(guān)鍵是要確保測(cè)試設(shè)備支持多個(gè)關(guān)鍵要求。在現(xiàn)實(shí)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(jì)支持成功部署TD-LTE的有效測(cè)試設(shè)備也必須提供這些同樣的特性。特別是測(cè)試設(shè)備必須支持雙向測(cè)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(cè)試設(shè)備可以提供TD-LTE測(cè)試所必需的現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境。在支持設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施測(cè)試的測(cè)試解決方案中集成信道模擬器后產(chǎn)生的測(cè)試結(jié)果能夠更好地反映現(xiàn)實(shí)世界所發(fā)生的事實(shí)。隨著對(duì)MIMO協(xié)議的帶寬和發(fā)展要求的不斷提高，能夠同時(shí)支持TD-LTE測(cè)試所需的各種射頻要求以及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中典型活動(dòng)的相關(guān)模型的信道模擬器將成為高效測(cè)試的關(guān)鍵。

對(duì)TD-LTE系統(tǒng)和設(shè)備的實(shí)際測(cè)試要求

像LTE等MIMO協(xié)議如今受現(xiàn)實(shí)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(shí)候都高，并且測(cè)試過程中使用的信道模型所呈現(xiàn)的相關(guān)度對(duì)它們也有很大的影響。雖然一些基礎(chǔ)測(cè)試項(xiàng)目使用標(biāo)準(zhǔn)信道模型，但更先進(jìn)的測(cè)試解決方案可以同時(shí)支持空中和在實(shí)驗(yàn)室中重復(fù)的無線電場(chǎng)條件下的TD-LTE解決方案測(cè)試。

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

為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際空中測(cè)試之間的這種差距，可以在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試平臺(tái)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(shí)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(gè)方向上獨(dú)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(shí)工作)。通過使用信道模擬器，我們可以驗(yàn)證無線電設(shè)計(jì)和性能，提高測(cè)試覆蓋率，縮短測(cè)試周期，從而在更短的時(shí)間內(nèi)向市場(chǎng)推出更高質(zhì)量的產(chǎn)品。

圖1：具有信道模擬功能的點(diǎn)到多點(diǎn)測(cè)試案例的原理圖，其中到每個(gè)用戶設(shè)備(UE)都有一個(gè)完全雙向的MIMO信道，它們可真實(shí)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(dòng)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(gè)很好的例子，這種技術(shù)在每個(gè)OFDM副載頻每個(gè)符號(hào)上承載6個(gè)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(dòng)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(jià)的。更高階的調(diào)制技術(shù)要求更高的動(dòng)態(tài)范圍和線性度。64QAM信號(hào)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(shí)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(dòng)通信中的典型頻選衰落環(huán)境中，某些OFDM副載頻可能會(huì)大幅衰落，有些又不會(huì)，因此進(jìn)一步增加了對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的要求。TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)目前用SC-FDMA實(shí)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(jì)，因此降低了用戶設(shè)備的功耗。

信道模擬器的輸入動(dòng)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(shí)需要考慮與輸入功率有關(guān)的幾個(gè)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(hào)可能有非常寬的動(dòng)態(tài)功率范圍。雖然平均功率可能有某個(gè)最大值，但當(dāng)使用OFDM技術(shù)時(shí)的PAPR可能超過10dB，因此系統(tǒng)必須適應(yīng)這個(gè)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(dòng)設(shè)備也有實(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，允許直接連接發(fā)射功率從+23dBm至-40dBm的設(shè)備、同時(shí)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(cè)試配置。

雙向性和相位平衡

時(shí)分復(fù)用信號(hào)給測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。在執(zhí)行雙向測(cè)試時(shí)不需要經(jīng)過測(cè)試設(shè)備且用于FDD協(xié)議的信號(hào)路徑來支持相位平衡，因?yàn)樯闲墟溌泛拖滦墟溌范脊ぷ髟诓煌念l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(shí)這點(diǎn)尤其重要。

衰落和本底噪聲

衰落信道模擬器用于提供真實(shí)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(duì)于諸如3GPP TD-LTE中使用的OFDM信號(hào)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(shí)下降20dB甚至更多。由于每個(gè)副載頻都是一個(gè)調(diào)制過的信號(hào)，當(dāng)采用高達(dá)64QAM的調(diào)制時(shí)，信號(hào)幅度的這種瞬時(shí)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(gè)平均輸出功率為-40dBm的信號(hào)由于衰落原因瞬時(shí)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(gè)足夠的信噪比，測(cè)試設(shè)備的本底噪聲不應(yīng)超過-85dBm.測(cè)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(gè)25C、10MHz寬的信號(hào)(這是3GPP LTE中的典型信號(hào))，那么測(cè)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(hào)的保真度。如果本底噪聲超過這個(gè)值，那么有可能當(dāng)模擬器提供衰落信道時(shí)，模擬器也會(huì)引入可能導(dǎo)致接收器解調(diào)錯(cuò)誤的噪聲電平，而這種錯(cuò)誤不是因待測(cè)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(hào)在無線環(huán)境中傳輸時(shí)，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(shí)驗(yàn)室再生空中傳播條件的方法，可用于測(cè)試和按標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)不同的設(shè)備。信道模擬可以用來驗(yàn)證由于波束成形算法帶來的改進(jìn)和性能增益。然而，在實(shí)驗(yàn)室中完成魯棒性的波束成形設(shè)備測(cè)試要求使用雙向的信道模擬器，并且在有線實(shí)驗(yàn)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?yàn)椴ㄊ尚嗡惴ㄒ蕾囉谏闲墟溌返南辔缓头刃畔碚{(diào)整下行鏈路的天線場(chǎng)圖案。信道估計(jì)和其它信令信息的交換在基站和移動(dòng)站之間連續(xù)進(jìn)行，因此在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中需要提供雙向的連接?；Q性意味著MIMO系統(tǒng)中每條路徑的傳輸函數(shù)在兩個(gè)方向上看起來完全相同，兩個(gè)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(shí)際上，用于波束成形的測(cè)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(diǎn)到移動(dòng)站的天線端口的連接點(diǎn)，而對(duì)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(duì)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(huì)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(shí)間周期內(nèi)發(fā)送一個(gè)資源塊。任何發(fā)送一個(gè)以上資源塊的企圖都會(huì)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(shí)上TD-LTE可以提供相當(dāng)于FDD性能的蜂窩邊緣性能，因?yàn)閹缀跛蟹涓C通常都有一個(gè)以上的用戶，這樣每個(gè)設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)都將受限于單個(gè)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(yàn)證可以使用可變AWGN噪聲源完成。AWGN噪聲能很好地近似某個(gè)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(duì)無線寬帶數(shù)據(jù)不斷上升的需求推動(dòng)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(gè)信道上的上行鏈路和下行鏈路傳輸時(shí)隙來修改帶寬分配。這樣可以幫助運(yùn)營商提高LTE網(wǎng)絡(luò)的利用率，但所用的協(xié)議對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗笊闲墟溌泛拖滦墟溌返穆窂绞瞧胶獾?，以便正確模擬雙向連接。

TD-LTE測(cè)試必須考慮測(cè)試設(shè)備的動(dòng)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(chǎng)景。為了確保對(duì)TD-LTE設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行完善的現(xiàn)實(shí)世界測(cè)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?dòng)化功能和信道模型，以便幫助橋接現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室中高效地再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界條件。