終端LTE-A測試解決方案

王　健　羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

羅德與施瓦茨技術(shù)專欄

終端LTE-A測試解決方案

王健羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

編者按：隨著移動互聯(lián)網(wǎng)應用的豐富和普及，終端用戶數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，各大運營商在完成4G LTE網(wǎng)絡設施部署后，又馬不停蹄地演進至4G+LTE-A，無線應用和網(wǎng)路基礎設施有著類似于路→車→更寬路→更多車的相互促進作用。為了能夠充分發(fā)揮LTE-A網(wǎng)絡的高速能力，終端側(cè)也需要相應進行技術(shù)升級。羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司王健所撰《終端LTE-A測試解決方案》一文根據(jù)接收和發(fā)射兩方面詳細介紹了羅德與施瓦茨公司的終端LTE-A測試解決方案?？晒┫嚓P(guān)技術(shù)人員參考。

1　引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)應用的豐富和普及，終端用戶數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，各大運營商在完成4GLTE網(wǎng)絡設施部署后，又馬不停蹄地演進至4G+LTE-A，無線應用和網(wǎng)路基礎設施有著類似于路→車→更寬路→更多車的相互促進作用。為了能夠充分發(fā)揮LTE-A網(wǎng)絡的高速能力，終端側(cè)也需要相應進行技術(shù)升級。本文根據(jù)接收和發(fā)射兩方面詳細介紹了羅德與施瓦茨公司的終端LTE-A測試解決方案。

2　UE發(fā)射測試

移動互聯(lián)網(wǎng)在人們生活中變得越來越重要，而社交網(wǎng)絡已成為個人必備的溝通工具，從最初的文字、圖片發(fā)展到視頻上傳，網(wǎng)絡的上行流量大幅度增加。例如，在一些大型聚會、演唱會等特定場景下，大家忙著上傳照片和視頻，此時上行速率快就會使網(wǎng)絡體驗大大提升。在企業(yè)用戶中，視頻監(jiān)控、遠程醫(yī)療、即拍即傳等業(yè)務也逐步成熟。這些需求對網(wǎng)絡上行帶寬的要求也越來越高。4G時代，上行體驗已成為保障用戶體驗的關(guān)鍵一環(huán)。

用于提升上行速率的LTE-A技術(shù)包括高階調(diào)制、載波聚合和多天線MIMO，下面依次介紹UL64QAM、ULCA、ULMIMO以及其它LTE-A特性的測試方法。

2.1UL64QAM發(fā)射測試

64QAM高階調(diào)制技術(shù)特別適合應用于小基站覆蓋或宏基站密集部署的區(qū)域，相比16QAM將提升50%的數(shù)據(jù)吞吐量，明顯提升小區(qū)中心用戶的上行頻譜效率，而且手冊外圍硬件改動最少。嚴格意義上來說，UL64QAM并不能算LTE-A新技術(shù)，早在3GPPR8的UECat.5等級就有要求上行支持UL64QAM，但目前市面上絕大多數(shù)手機屬于Cat.4等級，上行最高支持16QAM，因此只能說64QAM是在LTE-A時代才開始加入的LTE技術(shù)。為了驗證LTE芯片中新增的64QAM新特性，R&S高端頻譜分析儀FSW已提前作好了準備，LTE選件集成了UL64QAM分析能力，儀表自身又具備極低的殘余EVM值，保證了測試結(jié)果的準確度（見圖1、2）。

圖1　FSW測試上行64QAM信號

圖2　FSW獨有的多標準無線分析（MSRA）界面

2.2ULCA發(fā)射測試

中國移動早在2014年開始就呼吁業(yè)界能夠推出滿足上行CA的TD-LTE手機，提升用戶體驗。并于2015年在5個城市聯(lián)合基站設備商華為和終端芯片商高通開展LTETDD上行載波聚合4G+規(guī)模外場測試，這也意味著LTETDD上行載波聚合技術(shù)即將迎來大規(guī)模的商用。

引入ULCA技術(shù)給終端射頻研發(fā)和測試帶來了新的挑戰(zhàn)，如需要驗證手機功放（PA）在更高的帶寬2× 20M=40MHz工作時的ACLR、SEM、CCDF和EVM等指標，以及兩載波之間時延差是否滿足協(xié)議規(guī)范要求。R&S FSW具備獨有的多標準無線同時分析（MSRA）功能，只需發(fā)起一次IQ數(shù)據(jù)抓取就能獲得全部帶寬內(nèi)的IQ數(shù)據(jù)，然后打開多個LTE窗口同時進行上行解調(diào)，保證了兩載波的EVM測量值來自于同一時刻（見圖3）。

圖3　FSWUL2CCCA同時解調(diào)分析界面

FSW還支持LTE UL CA的Time Alignment測試，便于測試用于聚合的不同載波到達天線口的時延差。如圖4中CC1頻點是2585MHz，CC2頻點是2605MHz。

圖4　FSW的ULCA載波間時延差界面設置界面

2.3UL2×2/4×4MIMO測試

ULMIMO意味著終端同時發(fā)起兩個并發(fā)數(shù)據(jù)流傳輸，相比于3GPP R8/9對應的上行單天線發(fā)射（SIMO），ULMIMO通過采用上行SUMIMO技術(shù)，終端的多根天線在相同的時間資源和頻率資源上發(fā)送不同的編碼信號，網(wǎng)絡側(cè)通過MIMO檢測技術(shù)對信號進行檢測（見圖5）。因此，該技術(shù)能在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下將上行傳輸速率提高了一倍，有效地提升了頻譜利用效率與用戶體驗。

羅德與施瓦茨公司提供了非常簡潔的多天線MIMO測試解決方案，只需要一臺多通道示波器R&S RTO1044，再搭配PC上運行的LTE上行分析軟件就能快速地完成MIMO信號質(zhì)量測試。目前，該測試方案支持2×2MIMO以及4×4MIMO測試。

圖6是上行UL2×2MIMO測試結(jié)果界面。

2.4LTE-A上行其他新特性測試

為了提高上行信號傳輸效率，在LTE-AR10協(xié)議中上行增加了對分簇的PUSCH，PUSCH與PUCCH一子幀內(nèi)同時傳輸?shù)闹С郑ㄒ妶D7）。

圖5　R&SRTO1044進行ULMIMO信號分析測試連接圖

圖6　LTE分析軟件完成UL 2×2MIMO分析

這里需要特別注意的是信號互調(diào)，PUCCH信道分布在載波頻率左右邊緣，高互調(diào)出現(xiàn)場景包括PUCCH和PUSCH同時發(fā)射，以及PUSCH兩簇同時傳輸，尤其是當PUSCH塊所占RB數(shù)比較小即帶寬比較窄時影響特別明顯，帶來了ACLR和SEM測量結(jié)果惡化。同時，由于LTE-A的eSC-FDMA物理層的變化還帶來了更高的峰均比（PAR），功放需有更多的功率回退才能獲得相同的線性度。為了保證滿足終端測試規(guī)范對最大輸出功率和線性度的同時要求，這些都對終端射頻設計提出了更大的挑戰(zhàn)。

圖7　LTE-A上行PUSCH+PUCCH同時發(fā)射帶來互調(diào)影響

R&S高端頻譜儀FSW有著業(yè)界最大的動態(tài)范圍，3GHz頻率范圍內(nèi)有著高達+25dBm的三階互調(diào)截止點（TOI），高線性度意味著頻譜儀在測量中引入的影響越小，保證了測量結(jié)果的準確性。

FSW上行LTE解調(diào)選件已支持PUCCH和PUSCH同時傳輸測試，支持多簇的PUSCH測試，圖8是一個典型PUCCH+PUSCH的EVM和星座圖測量界面。

2.5ET和DPD測試

終端待機時間是影響用戶感受的一個重要因素，其中無線發(fā)射功放（PA）在所有耗電器件中占有較大比重，提高PA效率將會一定程度上增加手機待機時間，提升終端用戶感受。傳統(tǒng)的手機PA采用的是平均功率跟蹤（APT）技術(shù)，在發(fā)射信號具備較高峰均比如LTE時，從PA電壓到輸出信號包絡之間的功率（見圖9）最后轉(zhuǎn)化成了熱量，而不是有用的無線發(fā)射功率。ET技術(shù)正是改善了APT技術(shù)中PA供電電壓無法實時跟蹤射頻信號包絡的不足，使無用功率變得最小，提高了功放效率。圖10為ET/ET+DPD測試連接示意圖。

圖8　eSC-FDMA解調(diào)界面

R&S高端矢量信號源SMW200A單表具備LTE/ UMTS等射頻信號和包絡跟蹤信號同時輸出能力，并且非常方便去調(diào)整射頻和包絡兩者之間的時延差用于適配不同器件的延時，這些都是競爭對手無法做到的。R&S高端頻譜儀FSW除了有多窗口切換功能支持ACLR和EVM等參數(shù)測量以外，還支持功放電壓和電流超高速測量用于計算功放實時功耗，極大地方便了功放的功率附加效率（PAE）測試。

圖9　ET節(jié)電原理示意圖

圖10　ET/ET+DPD測試連接圖

終端如果ACLR發(fā)射性能不能滿足指標要求，通常會利用DPD技術(shù)加以改善。FSW還支持對功放的AM/PM測量并反饋給SMW做實時的AM/PM補償，方便對功放的非線性參數(shù)建模和性能考量。

在13屆GTI Workshop中，作為少數(shù)幾個受邀參展的展商之一，R&S聯(lián)合ET芯片提供商R2展出了基于SMW和FSW的ET測試解決方案，現(xiàn)場收獲了很大的關(guān)注度（見圖11、12）。

圖11　R&S測試儀表+R2評估板測試演示

3　UE接收測試

圖12　ET和APT效率比較

3.1PDSCH256QAM解調(diào)譯碼驗證

在3GPP R12之前，LTE下行數(shù)據(jù)一直只采用QPSK、16QAM和64QAM3種調(diào)制方式，隨著小基站的規(guī)模部署，在小范圍區(qū)域內(nèi)終端能夠獲得比以往更好的信噪比，這使得在下行引入更高階調(diào)制成為可能。相對于64QAM，在相同的技術(shù)條件下，采用256QAM技術(shù)可以使無線吞吐速率增長30%，顯著提升頻譜效率，3GPP組織也在LTER12中正式加入對下行256QAM的支持。

為了滿足終端對下行256QAM新調(diào)制方式測試需求，R&S高端矢量信號源SMW200A發(fā)布了LTER12選件K113，在其中加入了PDSCH的256QAM調(diào)制類型選擇（見圖13、14）。

圖13　SMW200A設置256QAMPDSCH

圖14　單臺SMW可實現(xiàn)5載波的帶內(nèi)聚合或雙頻段帶間載波聚合

通過結(jié)合三載波聚合及256QAM高階調(diào)制技術(shù)，SMW還可以支持速度高達600Mbit/s的LTECat.11終端測試。

3.2DLCA接收測試

為了應對4G用戶爆發(fā)增長帶來的流量激增，各運營商以載波聚合等提升用戶感知的LTE-A新技術(shù)牽引4G網(wǎng)絡的建設和業(yè)務發(fā)展，載波聚合作為LTE-A的最為重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，其通過將多個連續(xù)或者非連續(xù)LTE載波聚合在一起同時進行數(shù)據(jù)傳輸，從二載波聚合到三載波聚合，以及未來更多載波聚合，成倍提升網(wǎng)絡傳輸速率。

2015年中國三大運營商已全面進入4G+時代，Cat.6網(wǎng)絡已投入商用，這也就是運營商通常所稱的“4G+”網(wǎng)絡，使得網(wǎng)絡都具備了雙載波2CC聚合的能力。中國移動最近聯(lián)合華為在上海成功完成TD-LTE下行三載波和上行兩載波CA技術(shù)的商用部署。

支持4G+不僅是運營商和網(wǎng)絡側(cè)，更對終端提出了全新的要求，終端要支持4G+，雖然隨著無線互聯(lián)網(wǎng)豐富應用帶來的LTE手機日益普及，但目前市面上絕大部分LTE手機都是僅支持到3GPPR9協(xié)議，屬于Cat.4等級，即最高速率下行150Mbit/s，上行50Mbit/s，目前也僅只有少部分手機如iPhone6s具備Cat.6能力。

Rohde&Schwarz矢量信號源R&SSMW提供了多達5載波的下行載波聚合，并且直接具備雙射頻輸出端口，支持帶內(nèi)（Intra-band）和帶間（Inter-band）載波聚合，輕松實現(xiàn)像中國移動的D頻段帶內(nèi)3CC聚合、F+2D跨頻段聚合，以及像中國電信的1.8G+2.1GFDD-LTE2CC聚合（見圖15）。R&SSMW如果再搭配矢量上變頻器R&SSGT，更可實現(xiàn)像韓國運營商SK運營的800MHz+1.8G+2.1G3CC載波聚合。

圖15　1×SMW+N×SGT實現(xiàn)多頻段載波聚合能力

3.34×4MIMO接收性能驗證

4×4 MIMO作為LTE關(guān)鍵技術(shù)之一，在3GPPR8就已經(jīng)定義了4×4 MIMO技術(shù)，相比于2×2MIMO，其頻譜效率提升了一倍，可以給網(wǎng)絡運營商帶來非?？捎^的收益。技術(shù)實現(xiàn)上基站側(cè)不不存在問題，但由于終端的成熟度及兼容性，該技術(shù)之前一直未得到規(guī)模商用。

目前，LTE手機通常只有兩根接收天線，以往普遍的看法是認為在手機這么緊湊的空間里是不可能實現(xiàn)滿足隔離度要求的4根接收天線。目前，通過革新的天線技術(shù)1，可以實現(xiàn)手機4天線，并能保證天線間足夠的隔離度，保證MIMO效率，顯著提升數(shù)據(jù)速率和整體性能，并在Deutsche Telekom網(wǎng)絡中實測吞吐率獲得顯著提升。

目前，已知終端芯片廠商如GCT，Qualcomm的芯片都已支持4×4MIMO，獲得Cat.5對應的300Mbit/s下行數(shù)據(jù)吞吐率。對于終端芯片研發(fā)過程中的4×4 MIMO接收性能驗證，R&S矢量信號源SMW200A+ 2×SGT提供了基站四天線以及4×4MIMO空間信道衰落模擬能力，幫忙客戶更好地驗證在各類衰落場景下的4×4MIMO吞吐率（見圖16）。

SMW200A的4×4MIMO界面框圖如圖17所示。

3.4CA+MIMO接收性能驗證

通過采用DL3CC或4CC載波聚合技術(shù)，并結(jié)合DL2×2MIMO，終端可獲得高達450Mbit/s或者600Mbit/s的極高吞吐率，滿足手機Cat.9或Cat.12等級要求。圖18是采用一臺SMW200A實現(xiàn)了帶間的4CC CA，并且每個CC都支持2×2 MIMO；圖19是SMW單表實現(xiàn)4CC+2×2MIMO模擬。

3.5小區(qū)間切換驗證

圖16　SMW+SGT×2實現(xiàn)4×4MIMO接收性能驗證

SMW200A內(nèi)置多個基帶模塊，用于模擬如相鄰的幾個LTE基站，或者模擬多模場景中的TD-LTE基站+TD-S基站，用于手機的小區(qū)間切換功能驗證。圖20就是構(gòu)建了強弱兩個LTE基站，每個基站都通過4×2MIMO同終端連接。

如圖21所示，滿足該場景的測試也僅需要一臺SMW200A就能輕松完成2個4×2MIMO的模擬，幫助終端芯片廠商驗證LTE芯片小區(qū)間切換性能。

4　結(jié)束語

圖17　SMW4×4MIMO內(nèi)部模塊框圖

圖18　4CC+2×2MIMO測試結(jié)構(gòu)框圖

終端上引入LTE-A收發(fā)新技術(shù)將顯著改善頻譜效率，增加上下行數(shù)據(jù)吞吐率，提升用戶感受，并間接促進無線互聯(lián)網(wǎng)的進一步普及。為了驗證終端LTE-A新特性，羅德與施瓦茨公司提供了完備的發(fā)射和接收測試解決方案，助力終端廠商完善各項功能測試，早日推出成熟的商用芯片和終端（見表1）。

［1］http://www.skycross.com/news-and-events/press-release/ mwc-2014-4×4-mimo.

［2］Rohde&Schwarz Application Note1MA169.LTE-Advanced Technology Introduction.https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl _downloads/dl_application/application_notes/1ma169/1MA169_3e_LTE-Advanced_technology.pdf.

圖19　SMW單表實現(xiàn)4CC+2×2MIMO模擬

圖20　雙小區(qū)4×2MIMO場景

［3］Rohde&Schwarz Application Note1MA232.LTE-Advanced（3GPP Rel.11）Technology Introduction.https://cdn.rohdeschwarz.com/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1ma232/1MA232_1e_LTE_Rel11_technology.pdf

［4］Rohde&Schwarz Application Note1MA252.LTE-Advanced（3GPPRel.12）Technology Introduction White Paper.https://cdn. rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1ma252/1MA252_2e_LTE_Rel12_technology.pdf.

［5］Rohde&Schwarz Application Note 1MA166.Testing LTEAdvanced.https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl _application/application_notes/1ma166/1MA166_ 3e_LTE_A_Testing.pdf.

［6］Rohde&Schwarz Application Note1GP104.Envelope Tracking and Digital Pre-Distortion Test Solution for RF Amplifiers. https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1gp104/1GP104_1E_ET_DPD_testing_for_amplifiers.pdf.

［7］Rohde&Schwarz Application Note 1EF86.Testing LTE MIMO Signals using a R&S?RTO Oscilloscope.https://cdn. rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1ef86/1EF86_1E.pdf.

圖21　雙小區(qū)4×2MIMO的SMW實現(xiàn)

表1　終端LTE-A測試項

［8］Rohde&Schwarz Application Note 1GP99.Simulating Fading with R&S? Vector Signal Generators.https://cdn.rohdeschwarz.com/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1gp99/1GP99_0E_Simulating_Fading_w_RS_Sig-Gens.pdf.

［9］Rohde&Schwarz Application Note 1GP106.Multi-Channel Signal Generation Applications with R&S?SMW200A.https:// cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_application/ application_notes/1gp106/1GP106_0E_Multi-Channel_Sig-Gen_Applications_with_SMW.pdf.