一種小微站高保真模擬測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李曉良，趙培

1 引言

移動(dòng)通信模擬測試是制定科學(xué)、準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案的有力保障。在街道站、底層站、室內(nèi)分布系統(tǒng)等深度覆蓋場景中，信號覆蓋情況難以通過傳播模型進(jìn)行預(yù)測評估。通常需要利用模測系統(tǒng)，在真實(shí)場景中發(fā)送與接收模擬信號，進(jìn)行覆蓋效果的預(yù)測。

傳統(tǒng)移動(dòng)通信模測系統(tǒng)主要存在以下幾方面的問題：

（1）受連續(xù)波采樣李氏定理的習(xí)慣影響，傳統(tǒng)模測系統(tǒng)通常采用窄帶連續(xù)波信號，非真實(shí)寬帶調(diào)制信號，該方式在小尺度衰落明顯的微觀場景中指導(dǎo)性不足。

（2）分布式小微站的應(yīng)用日漸廣泛，但傳統(tǒng)模測系統(tǒng)是單點(diǎn)源發(fā)射，無法模擬多點(diǎn)源收發(fā)分集效果。

（3）傳統(tǒng)模測收發(fā)設(shè)備各自專用，體積較大，兩人操作，效率較低，只能在少量典型場景下以抽樣方式開展，不適于差異大且數(shù)量多的小微站場景。

針對上述問題，本文提出了一種可發(fā)射高保真小微基站信號的便攜式測試系統(tǒng)方案，解決了信號的高保真及設(shè)備的便攜性問題[1]。收發(fā)終端均基于商用終端芯片制造，可模擬小微基站發(fā)送高保真的真實(shí)導(dǎo)頻信號，可實(shí)現(xiàn)與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)完全一致的模測數(shù)據(jù)收集，進(jìn)而指導(dǎo)深度覆蓋場景下的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化。此外，該設(shè)計(jì)方案基于一種時(shí)基信號的獲取與同步技術(shù)，解決了模擬小微站分布式多點(diǎn)源場景的收發(fā)分集問題，可構(gòu)造分布式網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景。

目前小微站高保真模測系統(tǒng)已在中國移動(dòng)設(shè)計(jì)院13個(gè)分院、6個(gè)項(xiàng)目組、2個(gè)設(shè)計(jì)部推廣使用，并且已在遼寧移動(dòng)、廣東移動(dòng)、重郵信科設(shè)計(jì)院等單位進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用，應(yīng)用涵蓋模擬測試、優(yōu)化補(bǔ)點(diǎn)、室分驗(yàn)收等不同工作場景。

2 移動(dòng)通信模擬測試系統(tǒng)同類對比

目前，國內(nèi)外模測系統(tǒng)主要包含以下兩種模式：一種是信號源配掃頻儀的模式，一種是集成的綜合性室分專用儀表?，F(xiàn)將本課題自主研發(fā)的小微站高保真模測終端與上述模測系統(tǒng)典型設(shè)備進(jìn)行技術(shù)對比。表1為模擬測試系統(tǒng)同類技術(shù)參數(shù)與指標(biāo)的對比：

表1 模擬測試系統(tǒng)同類技術(shù)參數(shù)與指標(biāo)對比

3 小微站高保真模擬測試系統(tǒng)技術(shù)方案

小微站高保真模測系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包含發(fā)送終端、接收終端、勘察便攜支架等，軟件部分包含APP及PC軟件兩部分。該模測系統(tǒng)基于便攜式儀表架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種受控于中央控制臺的模擬測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，能夠以更低的成本實(shí)現(xiàn)小型化模擬測試的目的，并且顯著減小模測系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)便攜性[1]。與此同時(shí)，該系統(tǒng)可模擬4G基站發(fā)射TD-LTE下行公共信號，利用模測終端在TD-LTE制式下可進(jìn)行RSRP、RSRQ、SINR等參數(shù)測量。此外，基于一種時(shí)基信號的獲取與同步技術(shù)[2]，模擬測試終端可根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)信號時(shí)基發(fā)射時(shí)基校準(zhǔn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號同步，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的室內(nèi)模擬信號源無法實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有時(shí)分通信系統(tǒng)的精確同步的問題。

3.1 信號收發(fā)與測量

發(fā)送終端代表網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)的擬選站址，負(fù)責(zé)模擬基站發(fā)送LTE下行公共信號。發(fā)送終端設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2所示：

表2 發(fā)送終端功能指標(biāo)

在該系統(tǒng)中，用戶可以通過OTG方式連接手機(jī)與發(fā)送終端、手機(jī)與接收終端，利用手機(jī)客戶端完成發(fā)送端和接收端的各種參數(shù)選擇、配置，實(shí)現(xiàn)模測控制?？赏ㄟ^手勢識別來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)信號測試結(jié)果的打點(diǎn)功能，可便捷地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能，提高模測效率。設(shè)備連接圖如圖1所示，小微站高保真模測系統(tǒng)實(shí)際工作場景如圖2所示。

3.2 室內(nèi)路測和定點(diǎn)測試

模擬測試可分為定點(diǎn)測試和連續(xù)測試。定點(diǎn)測試是目前比較普遍的測試方法，在測試過程中手動(dòng)記錄指定幾個(gè)點(diǎn)位的測試結(jié)果，獲得有限測試數(shù)據(jù)。連續(xù)測試是通過測試分析軟件，自動(dòng)記錄整個(gè)測試路徑上的測試結(jié)果，信息量大，但目前連續(xù)測試多通過手提電腦實(shí)現(xiàn)，攜帶極不方便。

圖1 手機(jī)與接收終端連接圖

小微站高保真模測終端基于安卓應(yīng)用軟件可在手機(jī)界面導(dǎo)入自定義圖層，在圖層上對現(xiàn)網(wǎng)TD-LTE小區(qū)或模測小區(qū)信號強(qiáng)度RSRP連續(xù)打點(diǎn)，并可保存打點(diǎn)數(shù)據(jù)及圖片，對測量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

具體打點(diǎn)過程如下所述[3]：

（1）導(dǎo)入樓層平面圖。用戶能夠?qū)胱远x的樓層平面圖，可在手機(jī)屏幕上放大或縮小平面圖，圖片格式可兼容png、jpg、vsd、dxf（cad圖紙標(biāo)準(zhǔn)交換格式）等。選擇要導(dǎo)入的樓層平面圖文件之后，到平面圖正確顯示所需的時(shí)間小于1 s。

（2）打點(diǎn)選擇。用戶可選擇對駐留小區(qū)RSRP打點(diǎn)或?qū)χ付ūO(jiān)測小區(qū)RSRP打點(diǎn)。

（3）測試過程。用戶在樓層平面圖上手動(dòng)點(diǎn)擊確定測試位置，邊走邊開始記錄接收到的信號強(qiáng)度。記錄的數(shù)據(jù)按對應(yīng)的顏色圖例按照時(shí)間間隔平均分布在第一個(gè)點(diǎn)和第二個(gè)點(diǎn)之間，繼續(xù)邊走邊記錄信號強(qiáng)度，直到點(diǎn)擊結(jié)束按鈕為止。測試結(jié)束后，在樓層平面圖上輸出測試結(jié)果，并保存測試信號強(qiáng)度文件和打點(diǎn)圖片。

圖2 小微站高保真模測系統(tǒng)實(shí)際工作場景

（4）統(tǒng)計(jì)分析。測試結(jié)束后可對測量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，顯示統(tǒng)計(jì)列表。

圖3為APP室內(nèi)路測及數(shù)據(jù)分析界面。

3.3 模測報(bào)告自動(dòng)生成功能

小微站高保真模測系統(tǒng)可以根據(jù)測試過程中產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)，通過PC端軟件自動(dòng)生成測試報(bào)告，提高設(shè)計(jì)出圖效率。

圖4是利用PC軟件生成模測報(bào)告的軟件界面截圖。

4 模測終端精度驗(yàn)證

4.1 接收終端RSRP估計(jì)精度測試

將艾法斯LTE協(xié)議分析儀7100作為基站模擬器發(fā)送LTE信號，小微站高保真模測系統(tǒng)接收端通過有線方式連接至艾法斯LTE協(xié)議分析儀接收LTE信號。測試場景的搭建如圖5所示：

圖3 APP室內(nèi)路測及數(shù)據(jù)分析界面

圖4 模測報(bào)告自動(dòng)生成軟件界面

圖5 實(shí)驗(yàn)測試場景

由于發(fā)送端和接收端之間通過有線連接（線損經(jīng)驗(yàn)值X約為1～2 dB），如果信號源發(fā)送功率為-68 dBm，那么到信號源接收端口真實(shí)功率為Y=-68－X。

通過表3的測試結(jié)果可見：不同頻點(diǎn)下，模測接收終端RSRP測量值均與真實(shí)值（-68 dBm－X）接近，且不同頻點(diǎn)之間的RSRP波動(dòng)誤差在1 dB左右。

在相同發(fā)射功率情況下（-68 dBm），修改艾法斯協(xié)議分析儀發(fā)送信號所處頻點(diǎn)，小微站高保真模測系統(tǒng)接收端分別對不同頻點(diǎn)下的發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行RSRP性能估計(jì)測試。測試結(jié)果如表3所示。

4.2 發(fā)送終端精度測試

小微站高保真模測系統(tǒng)發(fā)送端發(fā)送LTE信號，Agilent Technologies MXA Signal Analyzer （N9020A）作為接收終端通過有線方式（線損經(jīng)驗(yàn)值X約為1～2 dB）與發(fā)送端相連。

在相同發(fā)射功率（參考信號功率為12 dBm）情況下，修改模測發(fā)送終端發(fā)送信號所處頻點(diǎn)，Agilent Technologies MXA Signal Analyzer分別對不同頻點(diǎn)下的發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行RSRP測試。表4為發(fā)送終端精度測試結(jié)果。

表3 接收終端RSRP估計(jì)精度測試結(jié)果

表4 發(fā)送終端精度測試結(jié)果

通過表4的測試結(jié)果可見：不同頻點(diǎn)下，Agilent Technologies MXA Signal Analyzer（N9020A）掃出發(fā)送終端的RSRP強(qiáng)度指標(biāo)均與真實(shí)值（-12 dBm－X）接近，且不同頻點(diǎn)之間的RSRP波動(dòng)誤差在1 dB左右。

4.3 外場空口測試

利用LTE小型化模測終端對公網(wǎng)信號進(jìn)行測量，與商用終端在TD-LTE同一小區(qū)測量值相當(dāng)。

圖6為在金泉灣大酒店大堂使用小微站高保真模測系統(tǒng)對TD-LTE信號測量值與商用數(shù)據(jù)卡對TD-LTE信號測量結(jié)值對比圖：

圖6 測量值對比

通過以上三方面測試驗(yàn)證，小微站高保真模測系統(tǒng)發(fā)送信號精度與接收精度均符合模測場景對設(shè)備指標(biāo)的要求。

5 系統(tǒng)推廣與應(yīng)用

目前小微站高保真模測系統(tǒng)已在中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司13個(gè)分院、6個(gè)項(xiàng)目組、2個(gè)設(shè)計(jì)部投入使用，并且已在遼寧移動(dòng)、廣東移動(dòng)、重郵信科設(shè)計(jì)院等單位試點(diǎn)應(yīng)用，應(yīng)用涵蓋模擬測試、優(yōu)化補(bǔ)點(diǎn)、室分驗(yàn)收等不同工作場景。

6 結(jié)束語

中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司自主研發(fā)小微站高保真信號模擬測試系統(tǒng)，解決了模測信號高保真及設(shè)備便攜性的問題，在模測系統(tǒng)精確性、小型化、高效化方面起到了重要的推進(jìn)作用。相比傳統(tǒng)模測系統(tǒng)，單站點(diǎn)可節(jié)約模擬測試時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的選點(diǎn)時(shí)間約50%。該方案同樣適用于FDD制式通信系統(tǒng)以及未來5G系統(tǒng)的小微基站場景。2016年底，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案榮獲中國電子學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

[1] 李曉良,趙培. 一種小型化模測系統(tǒng)[P]. 中國專利:CN201520849289.4, 2015-10-29.

[2] 趙培,朱明,吳興耀,等. 小型化模測終端的關(guān)鍵技術(shù)及測試驗(yàn)證[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2014(3): 68-72.

[3] 李曉良. 先進(jìn)室內(nèi)模測系統(tǒng)[Z]. 計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán), 軟著登字第1258362號, 2015-04-30.★