一種手持式NB-IoT終端綜合測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王先鵬

摘 要：隨著5G技術(shù)的成熟與快速發(fā)展，推動(dòng)了窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)。由于具有廣覆蓋、高密度、低功耗、低成本等特點(diǎn)，NB-IoT終端獲得了大量應(yīng)用，NB-IoT終端信號(hào)分析也就成為了終端一致性測(cè)試的關(guān)鍵。本文在分析NB-IoT終端測(cè)試協(xié)議基礎(chǔ)上，提出了一種手持式NB-IoT終端綜合測(cè)試儀設(shè)計(jì)方法，集成了終端的多種測(cè)試功能，提高了NB-IoT終端在生產(chǎn)測(cè)試中的測(cè)試效率。測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。

關(guān)鍵字：NB-IoT；物聯(lián)網(wǎng)；綜測(cè)儀

*基金項(xiàng)目：中國(guó)電科集團(tuán)發(fā)展資金項(xiàng)目，5G專網(wǎng)多通道基站綜測(cè)儀

0 引言

隨著5G技術(shù)的成熟與快速發(fā)展，推進(jìn)了窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)的長(zhǎng)期演進(jìn)。在3GPP R14、R15和R16b版本中，作為低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IoT技術(shù)的演進(jìn)和升級(jí)[1-2]，使之進(jìn)入了5G候選技術(shù)集合[3]。

作為物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)之一，NB-IoT技術(shù)支持廣泛的新物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接和服務(wù)，有利于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大規(guī)模部署和低成本、低功耗、長(zhǎng)電池使用壽命方案的實(shí)施。它具有廣覆蓋、高密度、低功耗、低成本等特點(diǎn)，又能基于現(xiàn)有蜂窩基站基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的互聯(lián)互通，在智慧城市建設(shè)、工業(yè)自動(dòng)化、智能交通、智能家居和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用[4-6]。由于基于NB-IOT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大規(guī)模部署、種類繁多的物聯(lián)設(shè)備和低成本要求，對(duì)這些設(shè)備的各種測(cè)試提出了很高的要求，測(cè)試的復(fù)雜性也隨之增加。

對(duì)于NB-IOT終端設(shè)備的測(cè)試主要分為NB-IOT協(xié)議一致性測(cè)試、NS-IOT測(cè)試、RRM一致性測(cè)試、射頻RF指標(biāo)測(cè)試、功耗測(cè)試、互操作性測(cè)試、OTA測(cè)試和產(chǎn)線測(cè)試等。文獻(xiàn)[7-8]基于TTCN-3技術(shù)提出了 NB-IoT終端射頻一致性測(cè)試平臺(tái)，僅能滿足協(xié)議棧的一致性測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。如何滿足不同種類NB-IoT終端設(shè)備的低成本高效測(cè)試已成為一個(gè)亟待解決的難題。目前國(guó)外主流儀表生產(chǎn)廠商都是基于現(xiàn)有儀表硬件架構(gòu)，通過(guò)NB-IoT軟件升級(jí)包的形式支持測(cè)試，因此其低成本的優(yōu)勢(shì)也就不再顯現(xiàn)；國(guó)內(nèi)儀表廠商對(duì)于NBIoT測(cè)試的儀表功能單一。綜上所述，本文針對(duì)NBIOT終端設(shè)備提出了一種低成本、手持式、支持多功能測(cè)試的終端綜測(cè)儀軟硬件設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

1 NB-IoT終端綜測(cè)軟硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

由于NB-IoT終端具有低功耗、低成本等特點(diǎn)，所以NB-IoT終端綜測(cè)硬件平臺(tái)需要一個(gè)高指標(biāo)，低成本的射頻前端模塊、高效的數(shù)據(jù)處理模塊和協(xié)議棧模塊以及低功耗分析檢測(cè)模塊。綜合考慮多方面因素，本文提出了一種硬件總體設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

射頻模塊由射頻發(fā)射通道、射頻接收通道、收發(fā)本振、射頻開(kāi)關(guān)矩陣和時(shí)基參考板構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)與中頻信號(hào)的相互轉(zhuǎn)化。射頻開(kāi)關(guān)矩陣使用NB-IoT 終端產(chǎn)線的自動(dòng)化快速測(cè)試方法，而一般單臺(tái)儀表的標(biāo)配為一個(gè)收發(fā)合路的天線模塊。射頻頻率范圍為 （70～6 000）MHz。中頻處理模塊由FPGA+ARM結(jié)構(gòu)組成，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)下行信號(hào)的發(fā)送和上行信號(hào)的采集分析，ARM實(shí)現(xiàn)線程調(diào)度、數(shù)據(jù)分析、與人機(jī)接口通信以及整機(jī)狀態(tài)維測(cè)管理等；協(xié)議棧模塊負(fù)責(zé)NB-IoT信令流程交互控制；功耗分析模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的電流分析。

NB-IoT下行采用OFDMA技術(shù)，占用帶寬200 kHz， 實(shí)際占用180 kHz，兩邊各有10 kHz的保護(hù)帶寬，在LTE Inband部署時(shí)相當(dāng)于1個(gè)RB。下行子載波帶寬15 kHz。NB-IoT上行則采用SC-FDMA技術(shù)，有3.75 kHz和15 kHz兩種帶寬。鑒于射頻硬件和FPGA+ARM構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理模塊的通用性（例如支持LTE測(cè)試），中頻處理單元采樣率設(shè)為30.72 Mbit/s，分析帶寬為30.72 MHz。中頻信號(hào)處理單元將中頻信號(hào)通過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，且FPGA可以采用中頻功率或者幀同步實(shí)現(xiàn)終端上行信號(hào)的同步。

1.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件架構(gòu)以及支持的功能劃分，NB-IoT終端綜測(cè)儀軟件架構(gòu)如圖2所示。

從圖中可以看出，軟件部分主要包含中頻和射頻邏輯處理模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、ARM中的業(yè)務(wù)調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊、TCP通信模塊、協(xié)議棧和人機(jī)/自動(dòng)化接口等。NB-IoT物理層的數(shù)據(jù)分析由FPGA完成實(shí)時(shí)IQ數(shù)據(jù)的采集、解調(diào)和計(jì)算，ARM進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)度，同步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。協(xié)議棧模塊僅在進(jìn)行NB-IoT協(xié)議測(cè)試（信令模式）時(shí)才被激活，與FPGA中物理層實(shí)時(shí)處理單元構(gòu)建一個(gè)完整的上下行通信鏈路。

NB-IoT功耗分析的關(guān)鍵是對(duì)終端電流的動(dòng)態(tài)分析。本綜測(cè)儀中的功耗分析模塊可以結(jié)合FPGA+ARM高效數(shù)據(jù)處理模塊、高性能射頻模塊和協(xié)議棧模塊構(gòu)成的信令交互通路，實(shí)現(xiàn)終端在各種待機(jī)狀態(tài)、連接狀態(tài)下電源功耗的在線分析。

NB-IoT終端的一致性測(cè)試包括射頻一致性測(cè)試、RRM一致性測(cè)試和協(xié)議一致性測(cè)試3個(gè)方面。射頻一致性測(cè)試主要測(cè)試終端的發(fā)射機(jī)指標(biāo)、接收機(jī)指標(biāo)和性能要求；RRM一致性測(cè)試主要是對(duì)終端移動(dòng)性管理、連接態(tài)移動(dòng)管理、RRC連接、傳輸時(shí)間性能測(cè)量等進(jìn)行測(cè)試分析；協(xié)議一致性測(cè)試是對(duì)空口協(xié)議信令交互一致性進(jìn)行測(cè)試。終端射頻一致性測(cè)試對(duì)儀表要求非常高，而本綜測(cè)儀硬件架構(gòu)能夠很好滿足射頻測(cè)試需求，同時(shí)結(jié)合協(xié)議棧模塊實(shí)現(xiàn)終端在信令模式下進(jìn)行RRM和協(xié)議一致性測(cè)試。

2 測(cè)試結(jié)果

本文選擇NB-IoT終端進(jìn)行非信令模式下射頻指標(biāo)測(cè)試。中心頻率1 GHz作為測(cè)試?yán)?，模式設(shè)置為DL FDD Stand-alone，觸發(fā)模式為中頻功率觸發(fā)，相關(guān)參數(shù)配置按照3GPP TS 36.101、3GPP TS 36.521協(xié)議中規(guī)定進(jìn)行設(shè)置[9-10]，具體測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3中顯示與NB-IoT終端上行信號(hào)同步成功，并從時(shí)域、頻域和解調(diào)域3個(gè)方面對(duì)終端上行信號(hào)進(jìn)行了分析，包括：EVM、星座圖、頻譜、時(shí)域功率和資源分配表等。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)NB-IoT的特點(diǎn)和測(cè)試需求，提出的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)NB-IoT的信令與非信令測(cè)試，通過(guò)8T8R功分模塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線多終端自動(dòng)化并行快速測(cè)試。本文所提出的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)NB-IoT終端綜測(cè)儀集協(xié)議測(cè)試、射頻指標(biāo)測(cè)試、RRM測(cè)試的一體化，在生產(chǎn)測(cè)試和內(nèi)外場(chǎng)測(cè)試中顯著提高測(cè)試效率，降低了成本。

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