PATHRROT X2信道模拟器在NB-IoT测试中的应用

本应用指南首先回顾了窄带物联网（NB-IoT）技术的发展现状，然后介绍了信道模拟器在NB-IoT测试中的应用，最后介绍了使用Pathrrot X2进行NB-IoT测试的方法。

一、引言

物联网（IoT）的迅速发展催生了巨大的通信需求，其中基于第四代蜂窝移动通信LTE技术的NB-IoT，在市场上得到越来越多的应用。NB-IoT具有广覆盖、大连接、 低功耗、 低成本四大特性，随着NB-IoT终端设备的数量和密度上大幅增加，其设计、研发、生产、认证、网络部署等面临诸多挑战。由于无线通信信道的复杂性，信道模拟器在NB-IoT基站和终端设备的评估中起着至关重要的作用。

Pathrrot X2 信道模拟器广泛支持常用的信道模型，支持国际标准中提出的各种信道模型，特别提供专为NB-IoT设计的信道模型，为应对NB-IoT无线信道仿真提供了强有力的测试手段。同时，该信道模拟器具有第三方模型接口，支持用户自定义模型的加载，提供定制模型开发。总之，Pathrrot X2契合NB-IoT的诸多测试要求，可以广泛应用于系统与模块测试。

本应用指南首先回顾了NB-IoT技术的发展现状，然后介绍了信道模拟器在NB-IoT测试中的应用，最后介绍了使用Pathrrot X2进行NB-IoT测试的方法。

二、NB-IoT技术概述

物联网（IoT）顾名思义就是连接物品的网络，通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，结合互联网而形成的一个巨大网络。技术的不断发展使得基于IoT的构建模块在市场上得到越来越多的应用，例如智能家居与智慧停车；在世界各地，以IoT为核心的智能城市的规划与建设如火如荼。   

具体来说，IoT包括多种实现方法，窄带物联网（NB-IoT）是其中重要分支之一。NB-IoT同时也是低功耗广域网（LPWAN）的一种，工作于授权频谱下，是获得3GPP支持的窄带蜂窝通信技术，只消耗大约180 kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

对于电信运营商而言，车联网、智能家居、智能穿戴、智慧医疗、智慧农业等物联网应用将产生海量连接，远远超过人与人之间的通信需求，据估计即将面世的智能物件数量可达300亿。NB-IoT也因此具有以下几个重要特点，1）广覆盖，室内覆盖增强，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，即提升了100倍的覆盖能力；2）大连接，单个小区支持5万个终端的接入，支持低延时敏感度和优化的网络架构；3）低功耗，终端使用寿命可达10年；4）低成本，每一终端模块的成本不超过5美元。

和传统互联网相比，NB-IoT设备在数量和密度上的大幅增加，带来了一系列的挑战，研发人员必须解决这些挑战，才能确保这些设备的成功实现。

三、信道模拟器在NB-IoT中的应用

在原型研发阶段，工程师往往习惯于采用终端（或终端模拟器）和基站（或基站模拟器）直接相连的方法来测试NB-IoT设备的功能和性能，然而NB-IoT的实现主要依赖于无线通信，上述方法忽略了信道的复杂性，使得终端在投放到实际场景中时性能变差，甚至出现不工作的极端现象；也就是说，在实验室环境下对实际无线信道的模拟将极大地影响终端设备的工作效果。在NB-IoT的终端和基站的研发过程中应用信道模拟器，会使测试更加接近实际的应用场景，易于发现问题，从而降低可能产生的后续成本。

根据待测设备（DUT）的不同，信号模拟器主要可以应用于以下两种情况。

3.1   基站和终端性能测试

a)    基站性能测试

图1：NB-IoT基站性能测试

在实际应用中，NB-IoT网络覆盖面积比LTE大百倍，终端所处位置条件可能比较偏僻，比如终端处于室内角落、停车场或者地下管道中，并且终端由于低功耗的要求，信号发射功率、持续时间有很大差异，基站是否可以正常接收复杂环境下多样化的终端发射信号，这是NB-IoT基站设备厂商和网络运营商最关心的问题之一。

如图1所示的测试方案，通过应用信道模拟器，设置所需的信道条件——选择信道模型、场景、用户移动速度等，来测试NB-IoT基站在超大路径损耗的衰落信道条件下的接收性能，如RRC协议基本功能测试、上下行吞吐量测试等。

b)    终端性能测试

图2：NB-IoT终端基本性能测试

类似地，NB-IoT终端所处位置条件比较偏僻时，所接收到的基站信号常常较为微弱，例如当终端位于地下管道中，随着管道深度的增加，损耗增大，信号入射角度与频率不同导致了不同程度的损耗。此时需要对终端的工作效果进行评估，主要包括基本射频性能测试、物理层关键技术测试以及RRM性能测试等。如图2所示，通过应用信道模拟器，选择所需的信道模型、场景、用户移动速度等，设置信道条件，来测试NB-IoT终端在超大路径损耗条件下的基本接收性能，包含协议一致性测试、物理层关键技术测试、射频性能指标测试、衰落信道下单用户的上下行吞吐量测试等。

c)    上下行吞吐量测试例

下面给出一个利用信号模拟器进行上下行吞吐量测试的测试例^[1-2]。

图3：NB-IoT吞吐量测试流程

3.2   终端功耗测试

图4：NB-IoT终端功耗测试

NB-IoT终端由电池供电，且目标使用寿命为10年左右，因此在研发过程中还必须专门对终端的功率进行评估。如图4所示为创远仪器基于信道模拟器给出的NB-IoT终端功耗测试方案，采用集成恒压源和电流分析仪，具有高动态范围，适应NB-IoT各种工作模式。可设置信道模拟器产生所需的信道条件，例如SCME-B信道模型、UMa NLOS场景、用户移动速度为3 km/h，测试如下几项功耗：

•   待机功耗，即终端不开启eDRX、不开启PSM；
•   休眠功耗，即开启eDRX、开启PSM；
•   下载功耗，即CP模式和UP模式下，接收N字节数据包的耗电量。

图5：NB-IoT终端待机/休眠功耗测试流程

图6：NB-IoT终端下载功耗测试流程

四、使用Pathrrot X2 进行信道仿真的测试

Pathrrot X2 信道模拟器是创远仪器基于国家科技重大专项成果转化的高端无线通信测量仪器，广泛支持各类信道模型，具有射频指标优异、用户体验友好等特点，适合于在实验室条件下进行各种外场环境的模拟测试。

利用Pathrrot X2 信道模拟器，使得NB-IoT终端和基站设备的原型评估过程更接近实际应用场景，有助于工程师发现潜在问题，增强设备可用性，并有效降低可能产生的后续成本。通过使用信道模拟器，NB-IoT设备的开发者不仅能获得更快的产品上市时间，而且能增加设备在市场上成功推广的可能性。

产品优势：

•   优异的射频性能，基于创远仪器高性能通用仪表平台研制，可连续覆盖较宽频率范围，同时具有大动态输入输出功率范围，能够满足不同用户的需求
•   支持Constant、Rayleigh、Rice等通用信道模型和ITU、3GPP等国际组织提出的标准信道模型，提供NB-IoT定制信道模型
•   独创专利技术，支持高动态双向信号模拟
•   灵活可配的通道数，既支持SISO，也支持多端口MIMO，满足客户的不同需求
•   开放性的接口，支持自定义信道模型，便于用户进行二次开发
•   优异的交互体验，采用图形化用户界面，支持全触控

注: 以上指标针对NB-IoT测试应用，如有进一步需求请与我们联系

参考文献

[1] NB-IoT技术试验基站设备测试规范，TD-LTE工作组，2017
[2] NB-IoT技术试验终端设备测试规范，TD-LTE工作组，2017
[3] Pathrrot X2产品手册，创远仪器，2017