NB-IoT終端射頻測(cè)試全接觸
——CMW測(cè)試方案簡(jiǎn)介

劉軼旻 羅德與施瓦茨（中國(guó)）科技有限公司

1　引言

NB-IoT（NarrowbandIoT）是未來(lái)智能社會(huì)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的重要支撐技術(shù)，它從設(shè)計(jì)之初就得到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。隨著技術(shù)路線圖的確定和產(chǎn)業(yè)鏈上下游的充分發(fā)展，NB-IoT技術(shù)已在世界多地呈現(xiàn)出高速成長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。在我國(guó)，3家主要電信運(yùn)營(yíng)商都已積極投入資源參與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和試驗(yàn)工作，并逐步開(kāi)展了商業(yè)運(yùn)營(yíng)。從終端角度來(lái)說(shuō)，已有不少物聯(lián)網(wǎng)模組企業(yè)推出了較為成熟的產(chǎn)品，終端品種將越來(lái)越豐富。根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，隨之而來(lái)的NB-IoT終端產(chǎn)品測(cè)試問(wèn)題將成為業(yè)內(nèi)各單位需要共同應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)中國(guó)泰爾實(shí)驗(yàn)室已在2017年年底宣布開(kāi)展NB-IoT終端的入網(wǎng)準(zhǔn)入測(cè)試。因此，無(wú)線終端產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員很有必要深入學(xué)習(xí)和掌握這門新技術(shù)的規(guī)范化測(cè)試方法以及測(cè)試工具的使用。

2　技術(shù)特點(diǎn)

NB-IoT主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）NB-IoT相比其他技術(shù)有著小帶寬（180kHz，含保護(hù)帶寬為200kHz），高靈敏度（應(yīng)對(duì)諸多極限連接場(chǎng)景），大容量、多連接（每小區(qū)可容納5萬(wàn)個(gè)連接），極低功耗（電池壽命需要達(dá)到數(shù)年以上），允許高時(shí)延（最大可到10s），低成本（單模塊幾美元）等突出特點(diǎn)。

（2）NB-IoT和LTE有著密切的關(guān)系，其底層形態(tài)和協(xié)議棧結(jié)構(gòu)與LTE有很多共同之處，核心網(wǎng)絡(luò)則繼承和發(fā)展了LTE的EPC模式。

（3）使用FDD的半雙工模式，目前已分配的工作頻段包括1、2、3、5、8、11、12、13、17、18、19、20、21、25、26、28、31、66、70等?？瑟?dú)立部署，也可在LTE系統(tǒng)的保護(hù)頻帶上部署，還可以在LTE已規(guī)劃頻段內(nèi)部署。

（4）射頻傳輸總帶寬為180kHz，即LTE1個(gè)RB的寬度；下行采用OFDMA多址方式，子載波間隔15kHz，QPSK調(diào)制方式；上行采用SC-FDMA方式，支持15和3.75kHz兩種子載波間隔，根據(jù)上行方向共享傳輸信道格式的不同，上線支持單載波（SingleTone）和多載波（Multi-tone）調(diào)度方式，分別使用BPSK和QPSK調(diào)制方式，對(duì)應(yīng)不同工作場(chǎng)景。

（5）下行方向時(shí)域采用了和LTE相類似的“符號(hào)—時(shí)隙—子幀—幀”結(jié)構(gòu)，另外還設(shè)計(jì)了一個(gè)“超幀”概念，包括1024個(gè)幀，時(shí)長(zhǎng)約3h左右；上行方向如果采用15kHz信道間隔，則時(shí)頻結(jié)構(gòu)與下行類似，如果采用3.75kHz信道間隔，則時(shí)隙長(zhǎng)度擴(kuò)展成了2ms，即15kHz信道間隔時(shí)的4倍，而每時(shí)隙內(nèi)符號(hào)數(shù)保持不變。

（6）上行方向的功率控制，除了考慮小區(qū)允許最大發(fā)射功率的限制，還需要考慮分配給終端的子載波個(gè)數(shù)、開(kāi)環(huán)起始目標(biāo)功率及路損的影響，受開(kāi)環(huán)功率控制的影響較大。

（7）下行信道有窄帶物理廣播（NPBCH）、窄帶物理下行共享（NPDSCH）和窄帶物理下行控制（NPDCCH）等；上行信道有窄帶物理隨機(jī)接入（NPRACH）和窄帶物理上行共享（NPUSCH）。下行物理層信號(hào)有窄帶主輔同步和窄帶參考信號(hào)，上行物理層有解調(diào)參考信號(hào)。

（8）考慮到低成本、低功耗、大連接，且移動(dòng)性管理場(chǎng)景需求不強(qiáng)烈的特點(diǎn)，NB-IoT在RRC層信令、系統(tǒng)消息、尋呼過(guò)程、接入過(guò)程、數(shù)據(jù)鏈路構(gòu)成和傳輸方式等方面都進(jìn)行了很多簡(jiǎn)化；為增強(qiáng)覆蓋性能，還設(shè)計(jì)了雙向重復(fù)傳輸（Repetition）模式，最大允許200次重傳。

（9）支持功耗節(jié)省模式（PowerSavingMode）和增強(qiáng)型不連續(xù)接收（eDRX），以減小電池的消耗。

（10）下行方向速率最大可達(dá)250kbit/s，上行方向速率最大可到20kbit/s。

3　射頻測(cè)試需求

NB-IoT在3GPP規(guī)范體系的R13版本中正式推出，其終端射頻一致性測(cè)試要求并未單獨(dú)發(fā)布，而是與eMTC、V2X等新技術(shù)一起包括在LTE終端測(cè)試規(guī)范TS36.521當(dāng)中，并隨該規(guī)范的不斷更新而持續(xù)完善。通過(guò)研讀R14版本規(guī)范（2017年9月發(fā)布）可知。

對(duì)發(fā)射機(jī)測(cè)試，需要考察時(shí)域的最大/最小功率、最大功率回退、配置功率、開(kāi)關(guān)時(shí)間模板（含接入信道）以及功率控制等指標(biāo)；調(diào)制域的EVM和頻率誤差、載波泄露與帶內(nèi)發(fā)射等指標(biāo)；頻域的鄰道泄露功率、頻譜發(fā)射模板、占用帶寬、帶外雜散發(fā)射和LTE帶內(nèi)共存等指標(biāo)。

對(duì)接收機(jī)則需要分別考察靜態(tài)和衰落條件下的表現(xiàn)。靜態(tài)信道下，接收機(jī)測(cè)試包括了重傳和非重傳條件下的絕對(duì)靈敏度、最大輸入電平、鄰道抑制、帶內(nèi)和帶外阻塞、雜散響應(yīng)和寬帶互調(diào)等指標(biāo)。衰落信道下，接收機(jī)測(cè)試考察終端對(duì)NPDSCH和NPDCCH信道的解調(diào)能力，具體包括LTE帶內(nèi)部署、單獨(dú)部署和LTE帶間部署情況；基站單天線和分集發(fā)射共4種不同場(chǎng)景。以上大多數(shù)收發(fā)測(cè)試用例都會(huì)根據(jù)上行信號(hào)的調(diào)制方式、子載波間隔等預(yù)置條件的不同而進(jìn)行多次測(cè)試。

4　其他典型實(shí)驗(yàn)室測(cè)試需求

除上述射頻一致性測(cè)試要求之外，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需要，開(kāi)發(fā)人員通常還要完成以下復(fù)雜測(cè)試任務(wù)：

（1）NB-IoT只設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，IP層的相關(guān)功能、業(yè)務(wù)能力的驗(yàn)證就顯得非常必要。

（2）NB-IoT終端對(duì)電池壽命的要求非?？量?，必須進(jìn)行精確的電流測(cè)試以保證設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)。

（3）NB-IoT作為全新的接入網(wǎng)技術(shù)，協(xié)議棧只能逐漸地成熟完善，早期與信令消息相關(guān)的測(cè)試和問(wèn)題定位的需求很迫切。

（4）NB-IoT終端可能攜帶敏感信息，即如何保障IP系統(tǒng)的安全、如何對(duì)抗“黑客”的入侵。

5　CMW測(cè)試方案簡(jiǎn)介

NB-IoT終端的一個(gè)基本定位是“低成本”，但是從上面的說(shuō)明可以看到，NB-IoT相關(guān)的射頻測(cè)試要求卻非常高，這就意味著需要投入足夠的資源才能從測(cè)試的角度保證產(chǎn)品性能的可靠。如何平衡研發(fā)、生產(chǎn)的測(cè)試投入與經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)出之間的關(guān)系，難度不小，用戶希望的是使用適當(dāng)?shù)耐顿Y就能獲得功能強(qiáng)大的NB-IoT測(cè)試平臺(tái)。

Rohde&Schwarz公司的CMW500射頻測(cè)試儀恰恰為所有這些需求都提供了良好的解決方案。CMW500不僅支持主流的2/3/4G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)和WLAN、藍(lán)牙這些短距無(wú)線連接技術(shù)，現(xiàn)又將其測(cè)試能力擴(kuò)展到了NB-IoT和eMTC等物聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù)領(lǐng)域。在LTE時(shí)代，CMW500憑借優(yōu)異的表現(xiàn)而成為產(chǎn)業(yè)界事實(shí)的標(biāo)桿。而對(duì)NB-IoT技術(shù)，用戶只需在CMW500平臺(tái)上做一定的軟硬件升級(jí)，即可獲得全面的終端測(cè)試能力?？紤]到LTE和NB-IoT高度融合的特性，在一個(gè)平臺(tái)上平穩(wěn)升級(jí)的方案，無(wú)論在能力的兼容、可靠性和精度的保證，還是既有投資的保護(hù)，都是一個(gè)非常好的選擇。CMW500的最新固件版本已支持NB-IoT的信令和非信令測(cè)試，尤其需要指出的是，它的信令（基站模擬）功能非常優(yōu)秀，用它可以簡(jiǎn)化測(cè)試，幫助用戶驗(yàn)證更多的問(wèn)題，CMW500是目前市場(chǎng)上僅有的幾種支持NB-IoT信令模式的儀表之一。

通過(guò)儀表的用戶界面和實(shí)測(cè)結(jié)果可以看到，CMW500支持設(shè)定NB-IoT基站的基礎(chǔ)參數(shù)，主要包括：

●頻段、信道；雙工方式；子載波間隔（15或3.75kHz）；小區(qū)ID；部署模式（單獨(dú)部署、LTE保護(hù)帶內(nèi)或LTE頻段共存部署）；終端側(cè)接收到的NRS參考信號(hào)的強(qiáng)度等。

●可支持單純的射頻測(cè)試連接（僅底層協(xié)議）和數(shù)據(jù)應(yīng)用模式連接（含IP等高層協(xié)議）。在射頻測(cè)試連接模式下，可設(shè)置不同類型鏈路類型，如專門用于發(fā)射、接收測(cè)試的“ULRMC”和“DLRMC”模式，載波數(shù)量和其起始位置、調(diào)制指數(shù)等信息可以調(diào)節(jié)；針對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用模式，可設(shè)置有收發(fā)雙向數(shù)據(jù)的用戶自定義模式，以便同時(shí)連續(xù)調(diào)度上行和下行數(shù)據(jù)，相對(duì)“UL RMC”和“DLRMC”更加靈活。

●NPRACH/NPUSCH信道功率控制相關(guān)設(shè)置，如空口NB-IoT參考信號(hào)強(qiáng)度、期望的初始接入信號(hào)強(qiáng)度、NPUSCH的P0期望功率和路損因子α等參數(shù)。

●網(wǎng)絡(luò)PLMN設(shè)置；安全相關(guān)設(shè)置，包括測(cè)試USIM卡相關(guān)參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)側(cè)加擾的打開(kāi)或關(guān)閉。

●NPDSCH和NPUSCH重復(fù)模式的設(shè)置。

●可支持PSM模式和eDRX相關(guān)參數(shù)設(shè)置（見(jiàn)圖 1）。

圖1　NB-IoT基站高級(jí)設(shè)置菜單

從測(cè)量能力上可以看到，CMW500的NB-IoT測(cè)試應(yīng)用工具具備如下功能：

●終端基本信息的獲取，如注冊(cè)狀態(tài)，IMEI/IMSI等身份信息，終端能力等級(jí)；默認(rèn)承載的建立和IP地址的分配（見(jiàn)圖2）。

●終端與儀表之間交互的所有信令消息，可通過(guò)CMWmars工具記錄、查看和分析（見(jiàn)圖3）。

●發(fā)射機(jī)、接收機(jī)射頻測(cè)試，可針對(duì)功率（包括功率回退、配置功率、開(kāi)關(guān)時(shí)間模板等）、調(diào)制性能（EVM、Frequency/Phase Error、IBE等）、頻譜（頻譜模板、占用帶寬）、BLER和物理層吞吐量等基礎(chǔ)指標(biāo)進(jìn)行全方位測(cè)量。可針對(duì)NPUSCH和NPRACH兩種信道分別進(jìn)行測(cè)試（見(jiàn)圖4、5、6）。目前，CMW500配合信號(hào)源、頻譜儀等設(shè)備，可以完成上述3GPP測(cè)試規(guī)范中第6、7章的24個(gè)用例的測(cè)試，覆蓋面達(dá)到86%。

圖2　NB-IoT基站基礎(chǔ)設(shè)置以及數(shù)據(jù)應(yīng)用模式（Data Application）連接下終端身份信息的獲取，IP地址的分配

●可以根據(jù)NPUSCH信道觸發(fā)測(cè)量，測(cè)試更精準(zhǔn)；不僅可以給出單純的數(shù)值形式結(jié)果，還可提供豐富的圖形結(jié)果，信息量豐富。

●IP層相關(guān)測(cè)試，CMW500支持通過(guò)控制面（C-Plane）和用戶面（U-Plane）承載IP數(shù)據(jù)，使用者可以運(yùn)行PING以及Iperf灌包等IP層工具驗(yàn)證終端業(yè)務(wù)能力，并通過(guò)CMW500提供的IP抓包和IP安全分析工具來(lái)進(jìn)行問(wèn)題定位和網(wǎng)絡(luò)安全性能驗(yàn)證（見(jiàn)圖7、8、9）。

●非信令測(cè)試模式下，ARB信號(hào)源可播放使用R&SWinIQSIM2軟件工具制作的非信令波形文件，發(fā)射機(jī)測(cè)量工具可脫離信令模塊單獨(dú)工作，滿足生產(chǎn)線相關(guān)的模塊校準(zhǔn)和驗(yàn)證測(cè)試要求，節(jié)省投資。

●配合使用CMWrun自動(dòng)化測(cè)試軟件，可高效完成終端射頻測(cè)試，腳本編輯方便，用戶界面友好（見(jiàn)圖10）。

圖3　正常注冊(cè)過(guò)程中，NB-IoT終端和CMW500之間的信令交互

●配合使用R&SRT-ZVC多通道功率探頭和CMWrun自動(dòng)化測(cè)試軟件，可進(jìn)行NB-IoT終端，尤其是在使用真實(shí)電池的情況下，電流的變化情況，CMW500模擬網(wǎng)絡(luò)各種行為，并提供準(zhǔn)確的信令動(dòng)作觸發(fā)RT-ZVC的測(cè)量，以便記錄下注冊(cè)、發(fā)起數(shù)據(jù)連接等關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)功耗的變化，測(cè)試全程自動(dòng)化進(jìn)行（見(jiàn)圖11）。

圖4　發(fā)射機(jī)測(cè)試，NPUSCH信道測(cè)試結(jié)果

圖5　發(fā)射機(jī)測(cè)試，NPRACH信道測(cè)試結(jié)果

圖6　接收機(jī)測(cè)試，包括BLER和吞吐量等指標(biāo)

圖7　NB-IoT的數(shù)據(jù)應(yīng)用模式連接下，從CMW500向終端發(fā)起PING測(cè)試，可見(jiàn)PING時(shí)延在2s以上，符合NB-IoT低速連接的技術(shù)特點(diǎn)

圖8　數(shù)據(jù)應(yīng)用連接下的Iperf灌包測(cè)試，可見(jiàn)左側(cè)有極低的綠色上行速率，表明CMW500接收到了終端發(fā)出的UPD數(shù)據(jù)包

圖9　使用IP安全分析工具，記錄下NB-IoT終端訪問(wèn)的真實(shí)網(wǎng)站的位置信息

面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，Rohde&Schwarz公司已做好準(zhǔn)備，CMW500射頻測(cè)試儀將用優(yōu)秀的表現(xiàn)，繼續(xù)為用戶的測(cè)試工作提供可靠、準(zhǔn)確的保障。Rohde&Schwarz公司愿和業(yè)內(nèi)同仁一起攜手，為我國(guó)NB-IoT產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

圖10　CMW500 NB-IoT射頻測(cè)試腳本覆蓋發(fā)射、接收測(cè)量

圖11　RT-ZAC多通道探頭與CMW500配合測(cè)量NB-IoT終端的電流消耗