LTE系統(tǒng)核心技術(shù)剖析及eNodeB測試方案探討
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UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用滿足了用戶對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，有效提高了通話質(zhì)量和數(shù)據(jù)速率。然而，寬帶接入技術(shù)的出現(xiàn)及普及，Wi-Fi，WiMAX系統(tǒng)高數(shù)據(jù)速率的優(yōu)勢，對UMTS系統(tǒng)帶來很大的沖擊。這使得UMTS系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率不高、時延較長、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等不足愈加明顯。因此，3GPP(3rd Generation Partnership Project)提出的UMTS的長期演進計劃(LTE)，通過提供一個以高速率和低時延為特征的分組優(yōu)化系統(tǒng)來保證UMTS在未來10年的競爭力和領(lǐng)先性。
為實現(xiàn)此目標，LTE系統(tǒng)相對于UMTS系統(tǒng)引進了多項關(guān)鍵新技術(shù)，這使得LTE系統(tǒng)在物理層技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及協(xié)議架構(gòu)等方面都發(fā)生了相應(yīng)的改進，并且核心網(wǎng)也需要相應(yīng)的升級來支持LTE系統(tǒng)。因此，LTE系統(tǒng)不僅是對UMTS系統(tǒng)的演進。LTE系統(tǒng)中eNodeB設(shè)備的測試工作也具有更高的挑戰(zhàn)。測試作為移動通信產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)，位于產(chǎn)業(yè)鏈的上游，是整個無線通信系統(tǒng)正常工作與維護的根本保證。因此，對eNodeB設(shè)備的測試方法及測試用例的研究勢在必行。
2 LTE系統(tǒng)的核心新技術(shù)
LTE是3GPP為適應(yīng)時代需求而提出的新的移動寬帶接入標準，為此3GPP規(guī)定了LTE系統(tǒng)的各項技術(shù)指標并引入了多項核心新技術(shù)。
LTE系統(tǒng)的主要技術(shù)指標與HSPA系統(tǒng)的對比參見表1。
表1 LTE系統(tǒng)的主要技術(shù)指標
為了達到高數(shù)據(jù)速率和高頻譜利用率，LTE系統(tǒng)在上下行分別利用了SC-FDMA和OFDM調(diào)制技術(shù)。它們將整個系統(tǒng)帶寬分裂為大量子載波，并支持多種調(diào)制方式如QPSK，16QAM及64QAM。LTE系統(tǒng)同時指定了MIMO技術(shù)的不同模式，適應(yīng)于不同的信噪比條件。LTE工作頻率從700MHz到3GHz，信道帶寬從1.5MHz到20MHz，為網(wǎng)絡(luò)運營商提供了靈活的頻帶配置方式。LTE系統(tǒng)引入的核心新技術(shù)總結(jié)如下：
2.1 OFDM/OFDMA
LTE中傳輸技術(shù)采用OFDM調(diào)制技術(shù)，其原理是將高速數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率較低的若干個相互正交的子信道中進行并行傳輸。由于每個子信道中的符號周期會相對增加，因此可以減輕由無線信道的多徑時延擴展產(chǎn)生的時間彌散性對系統(tǒng)造成的影響。在OFDM符號之間插入保護間隔，使保護間隔大于無線信道的最大時延擴展，從而最大限度地消除由多徑引起的符號間干擾(ISI)。在LTE系統(tǒng)中采用循環(huán)前綴CP (Cyclic Prefix)作為保護間隔，CP的長度決定了OFDM系統(tǒng)的抗多徑能力和覆蓋能力。長CP利于克服多徑干擾，支持大范圍覆蓋，但系統(tǒng)開銷會相應(yīng)增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸能力下降。3GPP定義了長短兩套循環(huán)前綴方案，根據(jù)具體的使用場景進行選擇；短CP方案為基本項，長CP方案用于支持LTE系統(tǒng)中大范圍覆蓋和多小區(qū)廣播業(yè)務(wù)。
LTE規(guī)定了下行采用OFDMA，上行采用SC-FDMA的多址方案，這保證了使用不同頻譜資源用戶間的正交性。OFDMA中一個傳輸符號包括并行傳輸?shù)腗個正交的子載波，而在SC-FDMA機制中M個正交子載波以串行方式進行傳輸，降低了信號較大的幅度波動，降低了峰功比。 此外，為了保證上行多用戶之間的正交性，要求各用戶的上行信號在CP長度的誤差范圍之內(nèi)同時到達eNodeB，因此eNodeB需要根據(jù)用戶遠近位置來調(diào)整各用戶的發(fā)射時間。
LTE系統(tǒng)對OFDM子載波的調(diào)度方式也更加靈活，具有集中式和分布式兩種，并靈活地在這兩種方式間相互轉(zhuǎn)化。上行除了采用這種調(diào)度機制之外，還可以采用競爭(Contention)機制。
2.2 MIMO
MIMO技術(shù)是提高系統(tǒng)速率的主要手段，LTE系統(tǒng)分別支持適應(yīng)于宏小區(qū)、微小區(qū)、熱點等各種環(huán)境的MIMO技術(shù)。 基本的MIMO模型是下行2×2，上行1×2天線陣列，LTE發(fā)展后期會支持4×4的天線配置。目前，下行MIMO模式包括波束成行，發(fā)射分集和空間復(fù)用，這3種模式適用于不同的信噪比條件并可以相互轉(zhuǎn)化。波束成型和發(fā)射分集適用于信噪比條件不高的場景中，用于小區(qū)邊緣用戶有利于提高小區(qū)的覆蓋范圍；空間復(fù)用模式適用于信噪比較高的場景中，用于提高用戶的峰值速率。在空間復(fù)用模式中同時發(fā)射的碼流數(shù)量最大可達4；空間復(fù)用模式還包括SU-MIMO(單用戶)和MU-MIMO(多用戶)，兩種模式之間的切換由eNodeB決定。上行MIMO模式中根據(jù)是否需要eNodeB的反饋信息，分別設(shè)置開環(huán)或閉環(huán)的傳輸模式。
2.3 E-MBMS
3GPP提出的廣播組播業(yè)務(wù)不僅實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源的共享，還提高了空中接口資源的利用率。LTE系統(tǒng)的增強型廣播組播業(yè)務(wù)E-MBMS(Enhanced Multimedia Broadcast/Multicast Service)不僅實現(xiàn)了純文本低速率的消息類組播和廣播，更重要的是實現(xiàn)了高速多媒體業(yè)務(wù)的組播和廣播。為此，對UTRA做出了相應(yīng)的改動：增加了廣播組播業(yè)務(wù)中心網(wǎng)元(BM-SC)，主要負責建立、控制核心網(wǎng)中的MBMS的傳輸承載，MBMS傳輸?shù)恼{(diào)度和傳送，向終端設(shè)備提供業(yè)務(wù)通知；定義了相關(guān)邏輯信道用于支持E-MBMS。
從業(yè)務(wù)模式上，MBMS定義了兩種模式，即廣播模式和組播模式。這兩種模式在業(yè)務(wù)需求上不同，導(dǎo)致其業(yè)務(wù)建立的流程也不同。
從操作方式上，單頻網(wǎng)(SFN，Same Frequency Network)和非單頻網(wǎng)操作共存于同一小區(qū)，其中單頻網(wǎng)操作將支持多小區(qū)傳送；非單頻網(wǎng)操作只支持單小區(qū)傳送。
在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃上，3GPP定義了兩種網(wǎng)絡(luò)部署：一種是LTE E-MBMS與LTE 單播系統(tǒng)共用載波；另一種部署方式是LTE E-MBMS 采用專用下行載波。專用載波方式將以5MHz帶寬為基本項，也將支持其他帶寬的專用載波的能力，但不能支持多種帶寬共存的模式。在廣播模式下，5MHz的帶寬至少支持16個頻道，每頻道達300kbit/s的速率，小區(qū)邊緣的頻譜效率為1bit/s/Hz。
2.4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及協(xié)議
LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與UTRAN相比，去掉了RNC，而只由若干個eNodeB組成，簡化網(wǎng)絡(luò)并減少時延。多個eNodeB通過X2接口相互連接，eNodeB通過S1接口連接到演進型分組核心EPC(Evolved Pocket Core)。具體來講， S1-MME接口連接到移動性管理實體MME(Mobile Management Entity)，S1-U接口連接到SAE網(wǎng)關(guān)，其中S1接口支持eNodeB和MME/SAE網(wǎng)關(guān)之間多對多鏈接（見圖1）。eNodeB的功能在原有NodeB功能的基礎(chǔ)上，增加了RNC物理層，MAC層，RRC，調(diào)度，接入控制，承載控制，移動性管理和inter-cell RRM等功能。
圖1 LTE系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
LTE系統(tǒng)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)與URTAN同樣分為用戶面(PDCP/RLC/MAC/ PHY)和控制面(RRC)協(xié)議。層2包括媒體接入控制協(xié)議(MAC)、無線鏈路控制協(xié)議(RLC)，以及分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議(PDCP)；層3包括無線資源控制協(xié)議 (RRC)。空中接口的層1和層2協(xié)議在用戶設(shè)備和eNodeB中終止；控制平面中的層3協(xié)議也在用戶設(shè)備和eNodeB中終止；控制平面的非接入層(NAS)協(xié)議在用戶設(shè)備和核心網(wǎng)的移動管理實體(MME)中終止（見圖2）。
圖2 LTE系統(tǒng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)
LTE系統(tǒng)中的無線資源控制(RRC)狀態(tài)相比于UTRA系統(tǒng)也簡化了許多，只包含RRC_IDLE，RRC_ACTIVE和RRC_DETACHED 3種。在aGW網(wǎng)元中，UE的上下文必須區(qū)分這3種狀態(tài)，而在E-Node B中合并了原先的多種狀態(tài)只保留RRC_ACTIVE狀態(tài)的UE上下文。
2.5 其他
為了提高小區(qū)容量及邊緣的傳輸速率，LTE系統(tǒng)提出了小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)機制，并設(shè)計了靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)以及動態(tài)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。在功率控制機制上，設(shè)定小區(qū)邊緣用戶的目標SINR(信噪比)低于小區(qū)中心的目標SINR，進一步減少對相鄰小區(qū)邊緣用戶干擾，從而獲得更大的系統(tǒng)容量。
為了實現(xiàn)低時延的目標，LTE系統(tǒng)大的小區(qū)搜索過程和隨機接入過程做了相應(yīng)的簡化，并提供了更加靈活的形式。
為了實現(xiàn)與現(xiàn)有3GPP和非3GPP的兼容，LTE系統(tǒng)采用快速小區(qū)選擇(即快速硬切換)方法實現(xiàn)不同頻段之間各系統(tǒng)間的切換，實現(xiàn)更好的地域覆蓋和無縫切換；此外，核心網(wǎng)的設(shè)計也發(fā)生了相應(yīng)的改變，增加了SAE和3GPP模塊，實現(xiàn)了LTE系統(tǒng)與3GPP和非3GPP系統(tǒng)的兼容。
LTE系統(tǒng)提出了上下行多種不同的參考信號RS (Reference signal)，不同的參考信號在子幀中有不同的位置和配置，實現(xiàn)不同的導(dǎo)頻功能，以及不同模式下的信道質(zhì)量測量。
綜上所述，LTE系統(tǒng)相比于UTRA系統(tǒng)引進了多項核心新技術(shù)，發(fā)生了根本性的變革，因此對LTE系統(tǒng)中eNodeB設(shè)備的測試也將面臨著很多新的挑戰(zhàn)。在測試用例方面，將增加很多新的用例用于覆蓋并驗證LTE系統(tǒng)中新的技術(shù)及配置；相應(yīng)地，測試方法也將發(fā)生新的變化。
3 LTE系統(tǒng)中eNodeB測試關(guān)注點
LTE系統(tǒng)獨特的特點及技術(shù)優(yōu)勢實現(xiàn)了LTE系統(tǒng)的高速率、低時延和最優(yōu)分組的需求。然而為了保證LTE系統(tǒng)中eNodeB設(shè)備真正具有這些新功能及技術(shù)指標，并實現(xiàn)測試有效性的提高，我們對eNodeB關(guān)鍵技術(shù)點的測試勢在必行。我們對eNodeB測試的關(guān)注點主要在于：
（1）LTE系統(tǒng)中子載波之間的正交性是高速率性能得以實現(xiàn)的前提，也是接收端正確接收的根本保證。因此，LTE系統(tǒng)中必須要保證OFDM子載波之間的正交性以及上行各用戶所占用子載波之間的正交性，這也將是eNodeB的測試重點之一。
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