LTE系统测试的挑战及应对方案

随着全球大多数的电信运营商计划采用3GPP LTE作为下一代的无线宽带技术，LTE技术已经逐步显露出全球化的趋势。激进的LTE技术演示和部署计划，以及对可靠测试系统的迫切需求，成了电信运营商们现在首要关注的焦点。这是特别现实的问题，因为LTE代表了无线接入技术的一个重大变化，其实现和部署都是一个巨大的挑战。从器件到基站到终端用户服务，整个LTE设备供应链对测试的需求非常大。从GSM/UMTS自然演进到LTE的FDD版本，从TD-SCDMA演变到LTE的时分双工模式(TD-LTE)，都需要测试仪表。随着CDMA的网络运营商同样宣布未来将演进至LTE，LTE与现有的多种无线技术实现网络互连的问题变得十分有趣。

那么，为什么LTE对测试而言是一个挑战呢?更高的性能、更宽的带宽、更高的数据速率、更快速的响应时间(低时延)、更复杂的天线配置，所有这些都意味着开发下一代基站和终端将面临更大的挑战。为支持与其他无线接入技术的漫游服务，例如 TD-SCDMA、CDMA2000和GSM/UMTS，多种无线标准需要被兼容，特别是早期缺少语音服务支持的LTE网络。另一个挑战是在信噪比很差的基站小区边缘和拥挤的小区内，保持正常的数据吞吐率。LTE将提供下行最快300Mbps和上行75Mbps 的峰值数据速率，因此，优化发射端和接收端的性能，在高噪声环境中最好地利用有用信号是必须的。

对世界上大多数地区来说，LTE需要与GSM/GPRS、WCDMA/HSPA 或CDMA2000/1xEVDO共存，而它们所用支持的频段范围是746MHz到2.69GHz(Ref: 3GPP TS 36.101)。LTE设备最初的认证频段预计是FDD 模式Band 1(2,100MHz)、Band 7(2.6GHz)和Band 13(760MHz)，以及TDD模式Band 38(2.6GHz)和Band 40(2.4GHz)。WRC-07会议已经分配了更多的频段范围供移动业务使用，这意味着更低频段(到450MHz) 和更高频段(到3.6GHz)很有可能在未来五年里也被LTE使用。

LTE基站测试

从网络设备的角度看，LTE E-UTRAN规范包括了被称为系统架构演进(SAE)的基础核心网演变。LTE/SAE定义了一个新的无线接口和一个简单的、优化的、全IP的核心网。它们提供了更高的频谱效率和灵活性、每小区更多的用户，以及每兆字节更低的成本。LTE/SAE网络架构同时还能与包括GERAN/UTRAN甚至 WiMAX在内的其他无线接入技术共存且互连互通。

LTE SAE可以对核心网中部分原来的架构进行重新使用。然而， 3G LTE E-UTRAN 空中接口定义了一系列新的特性和概念，这就需要一个庞大的开发方案。因此，通过测试尽早验证这些关键功能也变得非常重要。这些功能包括 MIMO、快速低时延的HARQ 规程反应、最高至64 QAM的高阶调制方案，以及通过一系列射频频段与信道带宽组合/配置的频谱灵活性。基本功能块的尽早建立将为LTE的测试和验证尽快过渡到系统阶段奠定坚实的基础。

LTE SAE通过基于IP的网络和降低包延时的方法，使LTE SAE比UMTS无线接入网络的整个架构变的更为简单。这是非常重大的变化。 UTRAN采用相对“沉默”的物理层无线基站，称之为NodeB。这些NodeB通过星形拓扑结构连接到无线网络控制器(RNC)，RNC会管理无线资源并轮流接入到核心网。对比之下，在简化的LTE系统架构中，RNC被完全去掉，而无线资源管理的工作交给了基站(称之为eNodeB或eNB)。这些 eNBs通过新定义的“S1”接口直接连接到核心网的网关 。eNB也能通过“X2 接口”与邻近的eNB以网状形式互连。

除了新的层1和层2功能， eNB还会处理无线资源控制，包括准入控制、负载平衡和无线移动性控制 (UE切换判断)。eNB的多功能和高性能要求，使它在LTE构架中成为一个复杂和关键的环节。

基站设备供应商面临着尽快进入市场的压力。阶段性、增值和灵活的测试方案，对于LTE基础设备的开发集成、验证和优化都变得极为重要。 但是，蜂窝网络演进的现实一直是，基站设备总比终端设备(如手机)的开发进度更快一些。那么，没有终端怎么测试基站呢?答案是运用测试终端技术，比如 Aeroflex公司的TM500 LTE(图1)。

TM500 LTE提供UE底层控制和灵活的配置，结合详细的测量数据使开发工程师能够迅速诊断问题。更重要的是，测试终端除了可以在实验室使用外，还可以通过空中接口演示LTE在真实环境中的运行情况。然而，单个终端测试只是整个测试的一部分。基站和核心网的设计需要通过大量UE工作下的强度及优化测试来进行验证。 Aeroflex的TM500 LTE 多UE方案提供了多UE在复杂的调度、负载和容量下的测试验证方法，以确保给交付给网络运营商强大、灵活和高性能的解决方案。

LTE终端测试

关于LTE的终端测试，有许多重要的性能方面的测试需要做。其中有一些是大家熟悉的、和以前的技术类似的，比如最大输出功率、功率控制和接收灵敏度等。但是，由于LTE采用了与上一代标准完全不同的下行OFDMA和上行SC-FDMA技术，所以就必须引入很多全新的测试。

为应对LTE终端测试的挑战，数字无线测试设备最好能在一台台式仪表中，综合所有主要的测试功能，支持全面的测试来满足研发阶段的要求。比如，Aeroflex 7100就可以模拟LTE无线和核心网，并提供包括无线接口和相关协议栈(包括PDCP和IMS层)在内的所有主要测试功能，以全面描述LTE终端的性能。除了空闲模式和连接模式的表现，端到端的性能也可以准确的评估。

举例来说，对于OFDMA，每个子载波的EVM测试就是为衡量调制性能而必须进行的测试。随着调制带宽对中心频率的占比越来越高，这对一些调制单元的设计提出了更大挑战，其结果是EVM指标在频带边缘的恶化。LTE有6种信道带宽分配方案(1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz和20MHz)，占用带宽的测试则非常必要，以保证对所有信道分配来说，发射输出保持在信道带宽之内(图2)。同样需要进行ACLR测试，以保证使用相邻频率的终端间的干扰在规范要求的范围之内。

由于一些测试的动态特性，类似功率控制的测试就需要建立在有信令协议支持的条件上，这就要求测试设备必须包括协议栈和模拟eNB基站。为使工程师集中精力做好射频测试，测试设备应尽量集成可以自动操作的信令协议，而且其中的一些参数可以通过用户灵活定义，如信道号等。

虽然LTE物理层采用循环前缀来减少多径效应的影响，但仍然需要通过测试来保证它的正确运行。一个基带的多径衰落选件可以给测试带来便利，它可以评估多径效应对端到端吞吐量的影响。这样，在外场试验前就可以首先在实验室中看到终端在外场真实环境中的表现。综合3GPP Rel-8协议栈和物理层使我们可以仿真一个eNB和演进的包交换核心网(EPC) 。一个集成的IMS服务器可以对可控环境中端到端的吞吐量和延时，进行全面的功能测试。

对协议栈来说，开发者面临的最主要挑战是如何确保满足对状态变化反应的要求。虽然LTE规范已经减少了状态的数量，但是在数据需要发送时，RRC_IDLE和RRC_CONNECTED两种状态间转换的时间，仍然是预计延时的主要部分(图3)。在RRC_IDLE 模式下，尽可能多的终端会处于低功耗状态以保持电池寿命，这时只有接收机会被定期激活来搜索寻呼消息。而当数据计划发送时，终端必须被激活并快速同步上行链路。

本文小节

随着LTE标准化进程的加快，它也带来了急需解决的新的技术问题。虽然最初的LTE标准目前已被冻结，但如何实现规范的要求，并尽快推出功能强大的LTE产品，在当前仍然是一个重大的挑战。如今，LTE接近100Mbps的用户数据速率已经可以在真实的网络中得到实现，150Mbps的速率也可以通过测试终端得以实现。因此，任何测试设备都必须基于面向未来的平台，可以通过简单升级支持更高的速率，并同步于LTE终端和基站测试的不断发展。