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如何使用现有测试技术测试TD-LTE

日期:2018-08-07 22:36 人气:

  由于最初的无线杀手级应用——语音,要求形同容量的上行链路和下行链路,许多无线数据网络最初是为提供对称数据容量而设?#39057;摹?#35768;可和拍卖的频谱块也是成对的,因为这非常适合频分复用(FDD)协议,当语音是主要应用时这种方案能够很好地满足运营商和用户要求。

  然而,随着宽带数据服务的快速发展,对网络的要求已经变成了不对称。换句话说,网络上的下行链路和上行链路负载不再平衡,因为用户的下载内容量通常要比上载的量多得多。当使用对称配置的数据服务?#20445;?#36825;种不对?#39057;?#25968;据要求将很快导致下行链路达到满负荷,而上行链路利用率?#29616;?#19981;足。

  在这种情况下时分复用(TD)协议就有很大的优势,因为它可以通过调整上行链路和下行链路传输的时隙安排调整上行链路和下行链路之间的相?#28304;?#23485;分配。通过高效的时隙调度,运营商能以比对称模型更高的利用?#35797;?#20316;他们的网络。TD-LTE允许根据网络的特定需求动态修改带宽分配,更新单个通道内的上行链路和下行链路传输时隙安排,从而帮助运营商以更高的利用?#35797;?#33829;LTE网络。

  一种极具鲁棒性和可靠性的TD-LTE测试方法的关键是要确保测试设备支持多个关键要求。在现实世界中,上行链路和下行链路共存于相同的频谱中,因此设计支持成功部署TD-LTE的有效测试设备也必须提供这些同样的特性。特别是测试设备必须支持双向测试工作,并具有相位和幅度平衡的上行链路和下行信道。

  诸如信道模拟器等先进的无线测试设备可以提供TD-LTE测试所必需的现实世界环境。在支持设备和基础设施测试的测试解决方案中集成信道模拟器后产生的测试结果能够更好地?#20174;?#29616;实世界所发生的事实。随着对MIMO协议的带宽和发展要求的不断提高,能够同时支持TD-LTE测试所需的各种射频要求以及实现现实世界中典型活动的相关模型的信道模拟器将成为高效测试的关键。

  对TD-LTE系统和设备的实际测试要求

  像LTE等MIMO协议如今受现实世界中不断变化的无线电环境的影响程度比以往任何时候都高,并且测试过程中使用的信道模型所呈现的相关度对它们也有很大的影响。虽然一些基础测试项目使用标准信道模型,但更先进的测试解决方案可以同时支持空中和在实验室中重复的无线电场条件下的TD-LTE解决方案测试。

  使用有线连接完成的标准实验室测试虽然可以产生可重复的结果,但缺少现实世界和通过整个天线的空中测试。虽然空中测试(比如行车测试)可?#28304;?#34920;现实世界,但诸如行驶测试之类的测试缺少可重复性。这是因为在现实世界测试中存在许多影响性能的变量,例如信道条件会因季节和网络负载发生变化;像行车测试等实际测试的?#26432;?#20063;是很高的。

  为了弥补实验室和实际空中测试之间的这种差距,可以在实验室的测试平台中使用信道模拟器。信道模拟器通过使用复杂的信道模型和众多可编程的?#38382;?#20197;可受控可重复的方式重复现实世界中的信道传播条件(图1)。综合性的信道模拟器通过两个方向上独立的可编程信道特征提供双向操作(下行链路和上行链路方向同时工作)。通过使用信道模拟器,我们可以验证无线电设计和性能,提高测试覆盖率,缩短测试周期,从而在更短的时间内向市场推出更高质量的产品。

  

  图1:具有信道模拟功能的点到多点测试案例的原理图,其中到每个用户设备(UE)都有一个完全双向的MIMO信道,它们可真实地再次创建空中条件。

  像TD-LTE中采用的数据通信技术要求很高的系统动态范围和优秀的射频保真度。这些无线电系统经常采用先进的数字调制技术来提高容量。64QAM(正交幅度调制)就是一个很好的例子,这种技术在每个OFDM副载频每个符号上?#24615;?个比特。另外,像OFDMA等技术进一步改进了系统的操作,支持可扩展的容量。这些技术加上多天线技术MIMO最终能使系统向移动站提供可扩展、可靠的容量,汇聚后的下行数据速率超过100Mbps,上行数据速率超过 50Mbps.

  但这些性能的提高是有代价的。更高阶的调制技术要求更高的动态范围和线性度。64QAM信号可能需要超过20dB的信噪比(SNR)才能取得比目标最大误块率更好的性能。OFDM系统发送许多小的副载频,这将导致瞬时功率电平发生很宽范围的变化;大于10dB的峰值平均功?#26102;齲≒APR)并不少见。在移动通信中的典型频选衰落环?#25345;校?#26576;些OFDM副载频可能会大幅衰落,有些又不会,因此进一步增加了对动态范围的要求。TD-LTE标准目前用SC-FDMA 实现上行链路,为了减轻深?#20154;?#33853;的影响而进行了专门的设计,因此降低了用户设备的功耗。

  信道模拟器的输入动态范围

  在选择与3GPP TD-LTE设备一起使用的信道模拟器时需要考虑与输入功率有关的几个因素。这些考虑因素包括输入功率范围、峰值功率和信噪比余量。

  3GPP LTE设备的发送信号可能有非常宽的动态功率范围。虽然平均功率可能有某个最大值,但当使用OFDM技术时的PAPR可能超过10dB,因此系统必须适应这个最大值。即使是像3GPP TD-LTE用户设备的发射器中使用的SC-FDMA,PAPR也仍然存在,并且可能超过8dB.移动设备也有实现发射功率控制来改变它们的输出功率,通常它们的输出功率是与eNodeB距离的函数。TD-LTE发射功率控制可能导致实?#20351;β时?#21270;达63dB甚至更高。另外,当设备发送部分采用更高阶的调制,如64QAM?#20445;?#24517;须保持足够高的信噪比(SNR)。当与3GPP TD-LTEb用户设备连接?#20445;?#20801;许直接连接发射功率从+23dBm至-40dBm的设备、同时还具有足够PAPR和SNR余量的信道模拟器将能提供鲁棒性和高效的测试配置。

  双向性和相位平衡

  时分复用信号给测试设备的设计提出了独特的挑战。在执行双向测试时不需要经过测试设备且用于FDD协议的信号路?#29420;?#25903;持相位平衡,因为上行链路和下行链路都工作在不同的频谱,并跟随它们自己的导频。然而TD协议要求上行链路和下行链路路径是平衡的,这样才能正确地模拟双向连接。当基站能够使用来自上行链路的信息控制下行链路传输时这点尤其重要。

  衰落和本底噪声

  衰落信道模拟器用于提供真实的快速衰落条件;理想情况下,模拟的衰落条件将匹配使用服务提供商网络上的设备的用户所观察到的情况。对于诸如3GPP TD-LTE中使用的OFDM信号?#27492;擔?#26576;些副载频的幅度由于频选衰落的原因可能衰落或瞬时下降20dB甚至更多。由于每个副载频都是一个调制过的信号,当采用高达64QAM的调制?#20445;?#20449;号幅度的这种瞬时跌落必须与信道模拟器设备的本底噪声一起加以考虑。

  举例?#27492;擔?#22914;果一个平均输出功率为-40dBm的信号由于衰落原因瞬时降低了20dB,那么幅度将变为-60dBm.为了在64QAM机制下保持25dB 这个足够的信噪比,测试设备的本底噪声不应超过-85dBm.测试设备供应商经常用噪声功率谱密度来表示本底噪声。假设有一个25C、10MHz宽的信号(这是3GPP LTE中的典型信号),那么测试设备的噪声功率谱密度需要低于-155dBm/Hz,这样即使在衰落条件下也能保证信号的保真度。如果本底噪声超过这个值,那么有可能当模拟器提供衰落信道?#20445;?#27169;拟器也会引入可能导致接收器解调错误的噪声电平,而这种错误不是因待测设备的噪声而是因信道模拟器的本底噪声直接引起的。

  波束成形技术的含义

  在TD-LTE环?#25345;校?#35768;多服务提供商和设备供应商都在考虑部署波束成形技术。通过将传输能量集?#24615;?#27874;束中:

  可以到达更远的距离;

  使用较少的能量就能到达相同的距离;

  可以减轻干扰;

  可以增加网络容量;

  系统性能将有整体改善。

  波束成形算法以用于选择波束器的算法基础而闻名。具体到TD-LTE,我们必须考虑到无线空间存在互换的自然特性;也就是说,下行链路的无线路径与上行链路的无线路径看起来是完全一样的。当信号在无线环?#25345;?#20256;输?#20445;?#36824;存在多径反射、无线信道变化、相位改变等情况。一般?#27492;擔?#27874;束成形算法利用了空中接口的一些特性,如信道变化和互换性。

  信道模拟提供了一种在实验室再生空中传播条件的方法,可用于测试和按标?#25216;?#27979;不同的设备。信道模拟可以用来验证由于波束成形算法带来的改进和性能增益。然而,在实验室中完成鲁棒性的波束成形设备测试要求使用双向的信道模拟器,并且在有线实验?#19968;肪持行?#35201;具备可互换和平衡的路径。

  

  图2:波束成形。

  这是因为波束成形算法依赖于上行链路的相位和幅度信息来调整下行链路的天线场图案。信道估计和其它信令信息的?#25442;?#22312;基站和移动站之间连续进行,因此在实验?#19968;肪持行?#35201;提供双向的连接。互换性意味着MIMO系?#25345;?#27599;条路径的传输函数在两个方向上看起来完全相同,两个方向上的脉冲响应hij(t)也必须相同(图3)。

  

  图3:波束成形MIMO系统的传输函数。值得注意的是,信道必须具备?#35828;?#31471;的互换性,而不只是内部到模拟器。

  实际上,用于波束成形的测试设备必须确保下行链路的信道相位通过校准等同于上行链路信道的相位,也就是说DL需要等于UL,平衡也应该是?#35828;?#31471;的,即从eNodeB的天线端口的连接点到移动站的天线端口的连接点,而对UL和DL路?#29420;此?#36824;要求类?#39057;?#24133;度平衡(图4)。

  

  图4?#21644;?#32476;负载对蜂窝边缘性能的影响。

  位于蜂窝边缘的终端设备一般都会将发射功率提高到最大允许值,目的是确保连续的鲁棒性通信。然而,这将很快导?#36335;?#29983;这种情况:终端设备只能在?#25105;?#30340;给定时间周期内发送一个?#35797;?#22359;。任何发送一个以上?#35797;?#22359;的企图都会将所有可用的发射功?#19990;?#23637;到更多?#35797;?#22359;上,从而缩小最大范围。

  然而事实上TD-LTE可以提供相当于FDD性能的蜂窝边缘性能,因为?#36127;?#25152;有蜂窝通常都有一个以上的用户,这样每个设备在单位时间内都将受限于单个?#35797;?#22359;,与TD-LTE或FDD LTE的最大容量是多少无关。

  这种性能的验证可以使用可变AWGN噪声源完成。AWGN噪声能很好地近似某个设备看到的由于相邻终端设备中的其它小区/蜂窝引起的噪声。

  本文小结

  对无线宽带数据不断上升的需求推动着TD-LTE在全球的普及。在使用TD-LTE的情况下,可以根据网络的特定需求调整单个信道上的上行链路和下行链路传输时隙来修改带宽分配。这样可以帮助运营商提高LTE网络的利用率,但所用的协议对设备设计提出了独特的挑战,因为它要求上行链路和下行链路的路径是平衡的,以便正确模拟双向连接。

  TD-LTE测试必须考虑测试设备的动态范围、相位和幅度平衡以及双向特性,以便建模包括波束成形在内的TD-LTE部署场景。为了确保对TD-LTE设备和系统进行完?#39057;?#29616;实世界测试,可以精心挑选合适的信道模拟器。这些模拟器除了满足上述要求外,还要提供?#23454;?#30340;自动化功能和信道模型,以便帮助桥接现场与实验?#19968;肪常?#22312;实验室中高效地再现现实世界条件。

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