LTE-V2X終端實(shí)驗(yàn)室射頻、性能測試方法研究

杜 昊，呂玉琦，丁啟楓

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

LTE-V2X技術(shù)和802.11P技術(shù)是目前國際上兩種主流的V2X（vehicle to everything）應(yīng)用技術(shù)。

其中，LTE-V2X技術(shù)能夠在高速移動(dòng)環(huán)境中提供低時(shí)延、高可靠、高速率、安全的通信能力。LTE-V2X通信的基本元素包括：車載單元（On board unit，OBU）、行人（Pedestrian，P）、用戶類型路邊單元（UE-type Road Side Unit，UE-type RSU）、基站類型路邊單元（eNode B-type Road Side Unit，eNode B-type RSU）、基站（E-UTRAN）等。具體通信模式包括V2V（Vehicle-to-Vehicle）、V2I（Vehicle-to-Infrastructure）和 V2P（Vehicle-to-Pedestrian）等。

LTE-V2X設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接模式，按照通信方式不同可以分為直連模式和網(wǎng)聯(lián)模式：直連模式是不經(jīng)過基站的通信模式，稱為PC5口通信模式；網(wǎng)聯(lián)模式是經(jīng)過基站的通信模式，稱為UU口通信模式。由于現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)室測試在組網(wǎng)方面的局限性，無法完整的體現(xiàn)V2X網(wǎng)絡(luò)，因此本文主要討論針對(duì)PC5口通信模式的測試方法研究。LTE-V2X的國際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程是3GPP在R12和R13中推出了D2D通信模式。2015年年初，3GPP在D2D通信模式的基礎(chǔ)上，正式啟動(dòng)基于LTE-V2X的技術(shù)需求和標(biāo)準(zhǔn)化研究。2015年初，3GPP需求工作組開展了LTE-V2X需求研究，于2016年3月結(jié)項(xiàng)；2016年年初，3GPP架構(gòu)工作組啟動(dòng)LTE-V2X架構(gòu)研究，于2016年12月結(jié)項(xiàng)；2015年7月，3GPP無線技術(shù)工作組開始LTE-V2X空口技術(shù)研究，于2016年6月結(jié)項(xiàng)；2015年12月，3GPP啟動(dòng)基于LTE PC5接口的V2V項(xiàng)目，于2016年9月結(jié)項(xiàng)；2016年6月，3GPP啟動(dòng)基于LTE的V2X業(yè)務(wù)項(xiàng)目，于2017年3月結(jié)項(xiàng)。在測試標(biāo)準(zhǔn)方面，2018年7月，由國家無線電監(jiān)測中心檢測中心牽頭編寫的《基于長期演進(jìn)技術(shù)（LTE）的車聯(lián)網(wǎng)終端射頻和通信性能》系列團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。[1]

作為LTE-V2X終端設(shè)備研發(fā)階段及正常組網(wǎng)工作的技術(shù)保證及必要條件，需進(jìn)行相對(duì)全面的實(shí)驗(yàn)室性能測試；同時(shí)，由于LTE-V2X設(shè)備是與安全相關(guān)的無線電設(shè)備，按照我國無線電設(shè)備的管理規(guī)定及相關(guān)技術(shù)要求，需對(duì)其射頻特性進(jìn)行測試。以上的實(shí)驗(yàn)室測試將為LTE-V2X終端的外場測試、商用及生態(tài)圈的完善做好技術(shù)準(zhǔn)備工作。

1 實(shí)驗(yàn)室射頻測試

LTE-V2X終端的實(shí)驗(yàn)室射頻測試是驗(yàn)證LTEV2X設(shè)備使用頻率和射頻相關(guān)指標(biāo)的基礎(chǔ)工作。在工作頻率和設(shè)備技術(shù)要求方面，我國于2018年10月正式發(fā)布了《車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）直連通信使用5905-5925MHz頻段的管理規(guī)定（暫行）》，可作為此項(xiàng)測試的指標(biāo)依據(jù)。LTE-V2X終端射頻指標(biāo)總體要求是：對(duì)于使用5905-5925MHz頻段的OBU終端和RSU終端，一方面要求能夠產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)要求的有用信號(hào)，另一方面要求把無用發(fā)射控制在一定水平之內(nèi)。[2]

1.1 測試項(xiàng)目及技術(shù)指標(biāo)

LTE-V2X終端實(shí)驗(yàn)室射頻測試項(xiàng)目分為5個(gè)部分，技術(shù)要求參考標(biāo)準(zhǔn)3GPP TS 36.101，測試項(xiàng)目如下：

（1）最大發(fā)射功率。確定終端的發(fā)射功率是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。如果終端最大發(fā)射功率過大，會(huì)對(duì)其他信道或系統(tǒng)造成干擾，最大發(fā)射功率過小會(huì)造成系統(tǒng)覆蓋范圍減少。按照3GPP標(biāo)準(zhǔn)要求，LTEV2X系統(tǒng)的OBU終端和RSU終端的發(fā)射功率應(yīng)在23dBm±2dB范圍內(nèi)。

在我國，無線電發(fā)射設(shè)備需要符合我國的無線電管理規(guī)定。根據(jù)《車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）直連通信使用5905-5925MHz頻段的管理規(guī)定（暫行）》，針對(duì)LTE-V2X終端直連通信設(shè)備發(fā)射功率測試有效全向輻射功率（Ef fect ive Isot ropic Radiated Power，EIRP）。[3]

表1 設(shè)備發(fā)射功率限值

（2）頻率范圍。頻率范圍是指設(shè)備工作時(shí)發(fā)射信號(hào)的頻率范圍。設(shè)備占用頻率范圍由功率包絡(luò)占用的最低頻率（fL）和最高頻率（fH）決定。LTE-V2X系統(tǒng)的頻率使用范圍限值為5905MHz-5925MHz。

（3）占用帶寬。占用帶寬用于檢驗(yàn)發(fā)射機(jī)的發(fā)射帶寬是否超出其正常工作的頻譜范圍，以避免對(duì)其他通信系統(tǒng)的干擾。LTEV2X系統(tǒng)的OBU和RSU終端占用帶寬應(yīng)小于或等于20MHz。

（4）頻譜發(fā)射模板。針對(duì)LTE-V2X直連通信終端設(shè)備，頻譜發(fā)射模板是測量偏移載波中心頻率為0-25MHz的頻譜雜散能量。

具體指標(biāo)要求見表2：

表2 設(shè)備頻譜發(fā)射模板

（5）雜散發(fā)射。發(fā)射機(jī)的雜散輻射是指除帶外雜散以外由諧波發(fā)射、寄生發(fā)射、互調(diào)產(chǎn)物及頻率轉(zhuǎn)移產(chǎn)物等產(chǎn)生的非期望發(fā)射，需要進(jìn)行嚴(yán)格的限制，否則會(huì)對(duì)其他用戶的系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾。

在我國，根據(jù)《車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）直連通信使用5905-5925MHz頻段的管理規(guī)定（暫行）》，通用無用發(fā)射要求應(yīng)符合表3要求：

表3 設(shè)備雜散發(fā)射限值

1.2 測試方法

LTE-V2X終端射頻測試配置如圖1所示，占空比測試配置如圖2所示。射頻測試中，所有測試項(xiàng)的配置不變。

圖1 實(shí)驗(yàn)室射頻測試配置

圖2 設(shè)備占空比測試配置

1.2.1 發(fā)射功率測試方法

（1）配置被測設(shè)備，使其工作在3GPP T S 36.101要求Power Class3最大輸出功率狀態(tài)下。

（2）通過適當(dāng)?shù)乃p器，將被測設(shè)備連接到一個(gè)匹配的二極管檢波器或同等裝置上。二極管檢波器的輸出端應(yīng)連接到一個(gè)示波器或同等功率測量設(shè)備的垂直通道上。二極管檢波器和示波器的組合應(yīng)能夠準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)的占空比。

（3）將頻譜儀中心頻率設(shè)置為被測設(shè)備的工作頻率，使用RMS檢波方式，RBW（Resdut ion Bandwidth，分辨率帶寬）設(shè)置為100kHz，VBW（Video Bandwidth，視頻帶寬）設(shè)置為3倍或10倍于RBW，掃頻寬度為2倍的標(biāo)稱帶寬。

（4）記錄最大功率輸出數(shù)值“A”和占空比，根據(jù)式（1）得到等效全向輻射功率。

式中，P表示等效全向輻射功率，單位dBm；A表示測得的輸出功率，單位dBm；x表示發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)占空比。

1.2.2 頻率范圍測試方法

（1）配置被測設(shè)備，使其工作在最大輸出功率狀態(tài)下；

（2）將頻譜儀中心頻率設(shè)置為被測設(shè)備的工作頻率，使用RMS檢波方式，根據(jù)被測設(shè)備信號(hào)帶寬調(diào)整適當(dāng)?shù)腞BW和VBW數(shù)值；

（3）設(shè)置被測設(shè)備工作在最低工作頻率，記錄小于此工作頻率且功率譜密度為80dBm/Hz（EIRP）的對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)fL；

（4）被測設(shè)備設(shè)置為最高工作頻率，記錄大于此工作頻率且功率譜密度為80dBm/Hz（EIRP）的對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)fH；fL應(yīng)大于頻率范圍最低限值，fH應(yīng)小于頻率范圍最高限值。

1.2.3 占用帶寬測試方法

（1）配置被測設(shè)備，使其工作在最大輸出功率狀態(tài)下。

（2）調(diào)整頻譜儀內(nèi)部衰減器，確保其工作在線性動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。

（3）將頻譜儀中心頻率設(shè)置為被測設(shè)備的工作頻率，使用RMS檢波方式，RBW設(shè)置為100kHz，VBW設(shè)置為3倍或10倍于RBW，掃頻寬度為2倍的標(biāo)稱帶寬。

（4）記錄發(fā)射信號(hào)99%能量的帶寬，此值不得超過給定限值。

1.2.4 頻譜模板測試方法

（1）配置測試設(shè)備，使其工作在最大輸出功率等級(jí)狀態(tài)下。

（2）將頻譜儀中心頻率設(shè)置為被測設(shè)備的工作頻率，使用有效值檢波方式。

（3）按照規(guī)定的測試帶寬設(shè)置頻譜儀，讀取對(duì)應(yīng)頻段的最大電平，此值不得超過給定的限值。

1.2.5 雜散發(fā)射測試方法

（1）配置被測設(shè)備，使其工作在最大輸出功率狀態(tài)下。

（2）調(diào)整頻譜儀內(nèi)部衰減器，確保其工作在線性動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。

（3）頻譜儀軌跡保留方式設(shè)置為最大保持，檢波方式為峰值檢波，并且根據(jù)技術(shù)要求設(shè)置相應(yīng)的起始頻率、終止頻率和測量帶寬。

（4）記錄免測頻段以外高于限值要求的任何有效雜散頻譜分量。

2 實(shí)驗(yàn)室通信性能測試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測試LTE-V2X終端設(shè)備的系統(tǒng)級(jí)通信性能，對(duì)LTE-V2X系統(tǒng)V2V/V2I鏈路的覆蓋范圍、時(shí)延性能參數(shù)和車輛及行人安全息息相關(guān)，在外場測試條件不滿足或LTE-V2X設(shè)備裝車之前對(duì)其通信性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試十分必要。[4]

2.1 測試項(xiàng)目

LTE-V2X終端和設(shè)備實(shí)驗(yàn)室性能測試項(xiàng)包括：規(guī)定覆蓋范圍下，LTE-V2X系統(tǒng)的時(shí)延和分組丟失率。

（1）時(shí)延。時(shí)延是指從數(shù)據(jù)分組到達(dá)發(fā)送側(cè)應(yīng)用層服務(wù)數(shù)據(jù)單元入口開始，到數(shù)據(jù)分組到達(dá)接收側(cè)應(yīng)用層服務(wù)數(shù)據(jù)單元出口截止所經(jīng)歷的單向傳輸時(shí)間。

（2）分組丟失率。分組丟失率是指在一定覆蓋范圍（如端到端距離為100m）和信道質(zhì)量條件下（如SNR=0dB或者其他），接收機(jī)丟失應(yīng)收到數(shù)據(jù)分組的概率。分組丟失率=1-（小于最大時(shí)延門限接收到的數(shù)據(jù)分組/總發(fā)送數(shù)據(jù)分組）。

2.2 測試條件

測試設(shè)備指根據(jù)LTE-V2X系統(tǒng)OBU/RSU接口開發(fā)，在上位機(jī)運(yùn)行的測試軟件。測試設(shè)備可實(shí)時(shí)監(jiān)控V2V/V2I的通信狀態(tài)，并擁有發(fā)送日志或接收日志的記錄功能。發(fā)送數(shù)據(jù)應(yīng)包括：數(shù)據(jù)分組序號(hào)、發(fā)送時(shí)間戳、發(fā)射功率、UEID、負(fù)載內(nèi)容長度、負(fù)載地理信息、發(fā)送端行駛方向及速度等內(nèi)容。接收數(shù)據(jù)應(yīng)包括：接收時(shí)間戳、本地MAC地址、校驗(yàn)信息、接收端地理信息、接收端行駛方向和速度、發(fā)送端的數(shù)據(jù)分組內(nèi)容等內(nèi)容。

同時(shí)，LTE-V2X設(shè)備通信采用單天線發(fā)送、雙天線接收模式，如有其他天線模式應(yīng)特別說明。

2.3 技術(shù)指標(biāo)

LTE-V2X終端設(shè)備實(shí)驗(yàn)室性能測試技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

在實(shí)驗(yàn)室測試過程中，需按照標(biāo)準(zhǔn)要求使用信道模擬器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬實(shí)際信道環(huán)境，信道模擬器參數(shù)設(shè)置如表5所示。如測試過程中有特殊要求，需特殊設(shè)置信道模擬器參數(shù)。

表4 實(shí)驗(yàn)室性能測試技術(shù)指標(biāo)

表5 實(shí)驗(yàn)室性能測試信道模擬器參數(shù)設(shè)置

2.4 測試方法

LTE-V2X終端性能實(shí)驗(yàn)室測試配置如圖3所示。測試配置由2臺(tái)測試設(shè)備、2臺(tái)OBU/RSU、射頻線、信道模擬器、可調(diào)衰減器和屏蔽箱組成。實(shí)驗(yàn)室模擬場景包括城區(qū)LOS場景、城區(qū)NLOS場景和高速LOS場景。屏蔽箱用于減小信號(hào)射頻泄露和旁路傳導(dǎo)對(duì)通信鏈路的影響。

圖3 實(shí)驗(yàn)室性能測試配置圖

測試步驟如下：

① 基于屏蔽室內(nèi)引入的GPS信號(hào)，對(duì)LTEV2X終端設(shè)備OBU/RSU或OBU/OBU進(jìn)行同步；

② 按照?qǐng)D3所示配置圖搭建測試環(huán)境，為OBU/RSU配置相應(yīng)的工作功率、頻率、帶寬等配置；

③ 為信道模擬器設(shè)定不同的參數(shù)模擬不同的通信場景，參數(shù)設(shè)置見表5；

④ 參照表5設(shè)置V2V/V2I的通信距離、相對(duì)速度；

⑤ 設(shè)置V2V/V2I的信噪比，范圍[-4，4]；

⑥ 由發(fā)送端測試設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，初始發(fā)送分組時(shí)間為隨機(jī)值，所述隨機(jī)時(shí)間在[0ms，100ms），同時(shí)記錄發(fā)送日志；

⑦ 發(fā)送端測試設(shè)備控制發(fā)送端OBU/RSU發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信時(shí)間不小于200s，發(fā)送數(shù)據(jù)分組樣本量不低于2000分組；可根據(jù)測試具體要求調(diào)整數(shù)值；

⑧ 接收端OBU/RSU將收到的測試數(shù)據(jù)傳遞至接收端測試設(shè)備，存儲(chǔ)接收信息同時(shí)記錄接收日志；

⑨ 按照表6規(guī)則分析數(shù)據(jù)處理方法，得到該信噪比下的分組丟失率和時(shí)延；

⑩ 轉(zhuǎn)至步驟③，設(shè)定信道模擬器模擬的其他場景，重復(fù)測試知道滿足所有測試要求結(jié)束測試。

表6 實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)處理方式

3 結(jié)束語

隨著5G等通信技術(shù)的發(fā)展以及汽車工業(yè)的強(qiáng)勁增長，車聯(lián)網(wǎng)作為通信與汽車行業(yè)的跨界融合產(chǎn)業(yè)，近年來得到了通信與汽車產(chǎn)業(yè)界的重點(diǎn)關(guān)注，標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展日新月異。其中，LTEV2X終端作為車聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，其測試方法的研究將是保證車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體安全、合規(guī)、完整運(yùn)行的基礎(chǔ)保障工作。本文主要聚焦的LTE-V2X終端實(shí)驗(yàn)室射頻、性能測試方法研究是LTE-V2X測試領(lǐng)域必不可少的部分，是外場測試以及最終商用的基礎(chǔ)。通過實(shí)驗(yàn)室測試項(xiàng)目、技術(shù)指標(biāo)以及測試方法的研究確定，保證LTE-V2X終端在實(shí)際應(yīng)用中符合無線電產(chǎn)品法規(guī)以及在相關(guān)車聯(lián)網(wǎng)場景中安全使用，最終達(dá)到促進(jìn)車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的規(guī)范和有序發(fā)展的目的。