LTE设备和系统射频特性的测量

作者：Carl AndersonAnritsu

　　对任何LTE设备制造商来说，确保产品符合3GPP标准的要求非常重要，例如TS36.141基站一致性测试和TS36.521 UE一致性规范射频传输与接收。然而，基于这些标准高效准确地呈现诸如OFDM、MIMO和Layer1/2/3等通用射频发射特性极具挑战性。使用特定测试仪器并实现一定的测量过程可以控制测试成本，并有助于加速产品上市。

　　OFDM射频测试

　　正交频分复用(OFDM)以及使用高阶64QAM调制要求收发模块同时具有高线性、精准相位和足够幅值，以防止码间干扰，实现准确的IQ解调。为了测量这些特性，测试方案需要具备快速、自适应的误差矢量幅值(EVM)测量功能，以便在自适应频率通道使用期间跟踪和测量信号。可以先测试每个副载波的“单个副载波”性能，然后再测试副载波组合点处的“复合”信号，这样就得到了总体性能。

　　副载波必须具有强大的相位噪声性能以防范载波之间的信号泄漏。OFDM的频率映射和正交属性要求一个载波的“零点”准确地位于相邻载波的峰值点。因此，为正确设计一个系统，精确地测量每个副载波的相位线性度和幅值线性度就非常重要。

　　此外，还必须“逐个资源块”地测量OFDM传输，以确定每个脉冲簇群的功率水平是否得以正确保持。每个单独的“资源单元”都有特定的发射功率水平，且必须在整个资源块准确地测量这些功率水平。

　　由于具有两个特点，EVM测量需仔细考虑 。一个是循环前缀(CP)，即在每个符号开始处发射的一个短脉冲序列。它实际上是符号尾端的一个重复，并产生一个允许因多径效应导致的时延在传输路径中延展的稳定时间。如果在符号周期的开始立即就进行测试，则前一个符号的信号(码间干扰或ISI)将破坏此次测量。

　　第二个是符号传输在起点和终点各有一个“斜坡”，以确保此处没有大功率的脉冲串。必须对测量的符号周期进行限制，以确保测量没在“斜坡”时间段进行。使用“滑动FFT”技术可同时解决上述这两个问题，它可及时调整被测符号周期，从而提供最佳EVM值。

　　下面的测量可体现出斜坡效应。左边的波形没有斜坡，因此每个符号间的开/关很尖锐。这将导致较大的“由于开关动作引起的频谱”发散，即图1中所示超出期望系统带宽的输出频谱的展宽，在本例中是5MHz。右边是使能了斜坡的波形，所以符号间的开/关就远非那么陡突。这样可以明显减少频谱发散。为确保发射器输出保持在分配的频段范围且不会干扰任何相邻频率，就需要这类斜坡(也称为频谱整形)。

图1：斜坡效应。

　　在MIMO系统中，必须彻底地理解天线到空中的耦合特征。MIMO链路的数据速率和性能取决于多副射频天线相互间的耦合程度。为实现一个成功的MIMO系统，需要精确的天线路径校准、工厂校准和现场安装校准。

　　基站发射天线阵列可以使用专门的相控阵列技术(如巴特勒矩阵)，以便精确控制每个天线路径的相位/时序。这要求在电气路径长度、耦合和来自两端的反射等方面对射频路径进行精确表征。表征数据再馈入MIMO自适应算法来激活波束控制等功能。通常可以使用矢量网络分析仪进行天线路径的完整表征。

　　在MIMO测试中，应测量基带处理部分和射频的产生/规整，并且应对两者做功能和性能测试。另外，通过有意使用错误信号执行“负面测试”也很有用，这样可确保这些错误信号得到了正确处理或被拒绝。

　　在MIMO系统中， 计算从每副发射天线到每副接收天线的射频路径特性是有必要的。为此，系统必须能够实时地精确测量射频路径特性。这些算法被嵌入在具体MIMO系统的设计中，但它们都要求对已知信号的前导或导频音进行精确的相位和幅值测量。对测试环境来说，它提出了两个挑战：

　　接收信号的测量精度 测试系统必须经过校准以将测量本身系统的不确定性与被测MIMO系统的精度和不确定性分隔开来。这样受测试系统的影响最小，可以测到MIMO系统的真实特性。为此，测试环境必须产生参考信号，并以参考信号为基准进行测量。测试方法需要通过调整参考信号质量、检查测量结果与产生的变化是否匹配来加以确认。

　　射频耦合 对于在性能测量、算法调整、集成与验证(I&V)和生产质量测试中使用的测试环境来说，如果要得到绝对的性能指标，那么天线间的射频耦合就必须是被定义的、可重复的、已表征的。这要求使用具有完善信号发生功能的合适的衰减与多径测试仪器以创建天线间的不同耦合。为此需要使用静态信号(如基于信号发生器的参考信号)进行初始测试；使用基带衰减仿真器进行算法级操作正确性测试；使用射频衰减仿真器进行端到端的系统级测试。

　　数据模块的MIMO编码基于的是空间－时间块编码，其中实际数据编码是同时基于空间(即哪副天线)和时间(何时发射)的。MIMO的分集增益基于所发送数据的每个块的空间与时间多样性。因此，每副天线的时间规整性和天线间路径的空间规整性是必须测量的。

　　MIMO分析要求对所用的信号处理和MIMO编码算法进行充分的测试和评估。这里采用了分步方法，其中MIMO算法的每个处理和反馈步骤都可以被隔离和测量。这些测试需要在受控环境中开展，其中MIMO算法内各部分的验证可以通过将其与参考状态比较来完成。验证要求利用从发射器到接收器的射频耦合以及在发射机与接收机之间得到的测量和反馈报告创建出已知状态。

　　算法检验不仅需要测试射频空中接口，也需要纯基带级的测试。另外，要求精确控制基带处理和射频耦合。这通常是通过使用衰减仿真器和系统仿真器实现的。衰减仿真器提供一个受控的空中接口耦合，而系统仿真器提供一个受控的基带环境(如用受控的UE测试基站，或用受控的基站测试UE)。

　　当MIMO测试中包含衰减功能时，每条路径的衰减必须被完整描述，然后再描述每个射频路径之间的相关性。在2x2 MIMO场合，共有4条路径，分别以h11、h12、h21和h22表述。对MIMO来说，在理想环境，不同射频路径是不相关的，因此处理算法可以将信号与每条路径彻底分开以充分提升数据速率。

　　在现实世界中，不同路径间存在某种相关性，因为在发射机到接收机间，不同路径具有某些相似的共享路径。针对每种这样的场景，相关性矩阵可对不同射频路径是如何关联的进行数学描述。这样，就必须对算法进行测试、验证和优化，以便在可能经历的各种不同类型的射频环境中获得尽可能好的数据速率吞吐量。

　　层1(L1)包含与报告和测量有关的算法与程式，这些算法与程式主要用于驱动功率控制、自适应调制、编码以及MIMO处理能力。从测试角度看，测量在接收器侧进行，并传回到使用测量结果的相应单元。这个过程也用来验证发射器是否对测量报告做出了正确响应并相应调整了参数。

　　下面(图2)显示了两个典型的L1测试(功率与资源模块的关系)。第一张图显示了每个资源模块在单一时间周期(子帧)内的独立发射功率。该图可用来评估功率在所有可用的资源模块间是如何分配的；基于报告和L1功率控制算法，可用资源是否为接收机设置了正确的功率水平。第二张图显示了每个资源块的时间变化。每个资源块的测量时间是一个时间周期(子帧)，而功率水平用资源块的颜色表示。

图2：典型的L1测试。

　　层2和层3(L2和L3)测试集中在对系统内不同网络单元间(如UE和基站)所接收到的信令与消息流的测试。测试这些层的目的是确保正确的系统信令和更高层数据得到了正确发送。

　　通常使用系统仿真器产生发送到被测实体的消息及接收来自被测实体的消息来完成这种测试。另外，仿真器通常带有L1实现以经由合适的物理层与目标实体通信。另一种选择是去掉L1，采用“虚拟L1”将仿真器的L2和L3单元链接到协议栈。

　　取决于被测对象，系统仿真器通常是下面两种之一：

　　1.网络仿真器，用于UE测试

　　2.UE仿真器，用于eNodeB测试

　　这些仿真器具有相似的架构，使用L1硬件进行物理层连接，然后为L2、L3以及记录/分析提供一个控制环境(通常是PC主机)。

　　UE环回测试模式

　　此类测试经常要求配置专门的环回测试模式。在这种模式下，设备接收到的数据将被设备自动发回仿真器。这样可以完成对数据速率、数据完整性和连接性的验证。

　　大量MAC和RLC以及几乎所有的数据无线承载(ORB)LTE测试都要求UE处于环回测试模式。如果没有这种模式，ORB测试只有有限的测试覆盖范围，而L2测试的测试覆盖范围将不足于完成完整的设备测试。因为这不是设备的正常工作模式，测试环回模式只在特定测试时被激活。

　　结论

　　在LTE环境中，交接、衰减和移动性都会导致显著的延时和数据速率变化，并造成许多数据收发问题。网络仿真器和业务损伤仿真器可以用来创建一个受控且可重复的测试环境，帮助设计人员测量被测特性以隔离这些效应，并评估这些效应对用户体验的影响。最终得以向市场及时推出更高品质的产品。