一种LTE基站性能测试的设计和实现

 

　　1  引言

　　LTE已经成为运营商在下一代移动网络演进过程中的共同选择，GSA组织公布的数据显示，目前至少已有31个国家和地区的64家运营商公布了LTE商用战略，其中有22个网络已经具备商用/试商用条件。目前运营商都在积极规划和部署LTE通信基础网络，例如，中国政府以及三大主要电信运营商中国移动、中国联通和中国电信均已宣布支持LTE,中国移动甚至已经在2010年上海世博园区部署了一个小型TD-LTE实验网。春江水暖鸭先知。由于无论是LTE基站开发还是测试用LTE终端开发，均需要相应的LTE测试设备，因此的测试测量供应商（包括安捷伦、罗德与施瓦茨（R&S）、艾法斯（Aeroflex）、安立（Anritsu）、Anite、Litepoint）都在倾力打造自己的LTE测试解决方案。

　　对于LTE基站接收机的性能测试，需要验证基站在正常工作状态下的混合自动重传（HARQ）功能，此时需要矢量源产生的上行LTE信号可以在和基站的闭环测试状态中，根据基站发送的ACK和NACK信息对上行信号进行实时的调整。R&S公司的矢量源SMU/AMU在配置相应的K69选件后可以方便地满足相应性能测试的需求。这个新功能可以允许测试设备动态地控制发送的数据。根据从被测设备发送给SMU的反馈信息，可以实现ACK/NACK信号（HARQ反馈）和时序调整等功能，其工作原理与基站通过空中接口在PDCCH/PHICH信道给UE发送反馈信息类似。

　　2  SMU/AMU自动反馈功能介绍

　　根据3GPP 36.141规范的要求：LTE基站接收机的性能测试需要根据ACK/NACK指令，测试设备可以实时控制相应PUSCH信道编码配置（如冗余版本等），其测试过程完全符合3GPP对于真实环境的HARQ处理过程。此外，对于时序调整功能测试，也可以根据相应的时序控制指令来对SMU/AMU产生的上行信号进行提前或延时的时间调整。

　　德国R&S公司的中文全称叫"罗德与施瓦茨",是两个创始人的名字。1933年成立的罗德与施瓦茨公司（R&S公司） ,七十多年来，在测试与测量、信息技术和通信领域，一直雄踞技术前沿。是欧洲的电子测量仪器生产厂商和无线通信、广播、信息技术安全技术的领导厂商，以创新、和品质享誉世界。R&S公司在涉足的所有业务领域内都位居技术前列，公司的许多产品不仅质量优异，而且性能独特。公司的设备和系统还在研究、开发、生产和服务方面创建了通行的标准。产品在移动通信、无线电行业、广播、军事和ATC通信以及其它许多应用领域都发挥了重要的作用。R&S公司的业务遍及70多个国家。总部位于德国，在美国、中国、日本、新加坡、巴西和阿布扎比（阿联酋）都设有地区支持中心，而且在每一个重要市场上都设立了服务中心。因此，无论您在任何地方，都能够获得R&S公司的技术支持。RS的测试仪器，在市场上比较的是射频微波测试方面，例如矢量网络分析仪、频谱分析仪等。

　　目前，R&S公司支持从被测设备到SMU/AMU的反馈模式有3种，分别为二进制（Binary）模式、串行（Serial）模式和串行3×8（Serial 3×8）模式（对于时序调整功能只能通过串行或串行3×8模式完成）。反馈信号通过USER1和LEVATT接口送至SMU/AMU.LTE选件中的自动反馈功能设置菜单如图1 所示。

图1  LTE选件中的自动反馈功能设置菜单

　　因为SMU/AMU有内置的Fading和AWGN模块，因此无需其他的测试设备就可以完成规范定义的测试需求。从被测设备发送至SMU的反馈信号可以通过以上几种模式发送。除反馈信号外，在性能测试中，还需要在SMU/AMU与被测设备之间连接参考信号以消除不同设备之间的频率误差；另外，需要由被测设备给SMU/AMU提供相应的触发信号进行同步。R&S的实时反馈功能可以在每一个基带模块中使用。

　　2.1  反馈模式命令介绍

　　由基站给出的反馈信号通过LEVATT或USER1接口送至SMU/AMU,反馈信号的阻抗和电压可以通过仪表的"Global Trigger/CLK Setting"进行相应的设置。

　　（1）对于二进制模式，只能是HARQ反馈命令（ACK 或NACK）。仪表直接读出输入接口的高低电平，根据设置中ACK的定义，来判断是ACK或NACK信息。

　　（2）对于串行模式，一个指令包含一个起始位（低电平），16个比特位（D0~D15），一个截至位（高电平）。传输过程中没有校验位，由位（D0）开始传输。串行模式的反馈命令传输速率为115.2kbit/s或1.92Mbit/s.在两个连续的命令或开始的命令之前，被钳位在高电平（空闲状态）。

　　（3）对于串行3×8模式，每个命令需要在3个串行命令包中发送。其中的每个串行数据包含一个起始位（低电平），8个串行比特和一个截至位（高电平）。发送中没有校验位。16个比特数据被分配在3组位数为8的串行数据中传输。具体的数据格式都有相应的定义。

　　同样的，这三组串行数据的速率可以为115.2kbit/s和1.92Mbit/s,在两个连续的命令或开始的命令之前，被钳位在高电平（空闲状态）。串行3×8模式的字节定义结构如图2所示。

 

　　3 基站性能测试实例

　　ASTRI,香港应用科技研究院有限公司 :香港特别行政区 政府於2001年成立香港应用科技研究院有限公司（简称「应科院」），期望透过卓越的应用研究来为香港建立未来发展所需要的坚强产业科技基础。应科院的使命是要推动杰出的研发工作，积极的把科技成果转移给产业界，同时培养的科技人才，整合各方面的科研资源。作为提供创新科技的香港应用科技研究中心，应科院未来的发展，是要建立一个完全顾客导向，具有高度商业化生产力的科研机构，不但进行的研究，而且从这些研究中不断的创造实质的产业效益。

　　基于R&S公司的LTE测试解决方案，香港应用科技研究所（ASTRI）研发的FemtoCell平台已经可以成功完成相应基站测试项目。其测试标准完全符合的3GPP36.141测试规范，其中包括收发测试及在多径条件下的接收机性能测试。ASTRI公司的FemtoCell平台采用串行模式进行相应测试。其测试设备搭建如图6所示。

图6 基于AMU与Femtocell的测试平台

　　对应基站接收机性能测试连接示意如图7所示。

图7 基于AMU与Femtocell的上行接收机性能测试连接示意图

　　对于基站接收机的性能测试，需要由测试设备产生相应的TD-LTE上行信号。目前，R&S公司的AMU基带源和SMU矢量源可以支持性能测试所需的上行自动反馈选件。ASTRI公司的被测设备Femto,可以根据3GPP的要求设置相应的反馈命令。这样可以验证上行信号的HARQ和时序调整功能，以模拟真实UE和基站之间的反馈过程。此外，也可以在特定的多径条件下测试基站的吞吐量，进而验证被测基站的性能。

　　图8所示为3GPP TS 36.141 8.2.1所需的测试框图，其目的在于在特定多径模式下，基于HARQ测试系统的吞吐量，以验证基站接收机的性能。

图8 基于GPP TS36.141 8.2.1 测试例连接框图

　　在常规测试中，除了需要产生支持实时反馈模式的上行TD-LTE信号源外，还需要模拟多径的衰落模拟器。因此，在测试过程中需要对所有外接线缆引起的时延和损耗都进行相应的校准。而基于双通道SMU/AMU的LTE选件中自动反馈模式，能够以简单的配置完成相应的测试需求，具体参见图9。

图9 SMU实现的3GPP 36.141 8.2.1 性能测试框图

　　终测试结果可以通过控制软件统计的CRC误码率得到。如图10所示为激活HARQ功能时对应的CRC误码率和没有激活HARQ功能时对应的CRC误码率。对于ASTRI的测试基站而言，当激活HARQ时，其对应CRC误码率小于15%，测试结果如图10所示。而没有激活HARQ时，其对应CRC误码约为20%，测试结果如图11所示。

图10 HARQ激活时时8.2.1测试例对应的CRC误码测试结果

图11 HARQ未激活时时8.2.1测试例对应的CRC误码测试结果

　　图12所示为3GPP TS 36.141 8.2.2测试例所需的测试框图。测试目的在于特定信噪比情况下，对于运动终端时基站的HARQ和时序调整功能，及对应的吞吐量变化。

图12 基于3GPP TS 36.141 8.2.2测试例连接框图

　　测试中分别由测试设备模拟运动终端和固定终端。常规测试需要两个实时信号源及相应的衰落模拟器。同样设备间的损耗和时延需要进行相应的校准。而基于双通道SMU/AMU只用一台仪表就可以完成相应测试。其测试框图如图13所示。

图13 SMU实现的3GPP TS36.141 8.2.2 性能测试框图

　　对于运动终端的模拟，在SMU/AMU可以通过Moving Propagation的多径模型来实现，同时可以设置相应的时延等所参数，具体参见图14。

图14 SMU/AMU实现的衰落模拟

　　对于ASTRI的被测基站而言，当HARQ和Timing Adjustment激活以后，其对应的TA在16个Ts之内，对应CRC误码率结果为0，具体参见图15。

图15 HARQ激活时时8.2.2测试例对应的CRC误码及时序调整测试结果

　　当没有激活HARQ和Timing Adjustment功能时，其对应的TA在大于16个Ts，对应CRC误码率结果不为0，具体参见图16。

图16 HARQ未激活时时8.2.2测试例对应的CRC误码及时序调整测试结果

　　除上面提到的测试项目外，另外一个重要的基站性能测试项目是多径衰落条件下的ACK检测。此时需要基站的2个天线进行分集接收，有4个测试UE。其中一个是需要的UE，而其他三个都是干扰UE。测试框图如图17所示。

图17 基于3GPP TS 36.141 8.2.3测试例连接框图

　　从图17中可以看出，对于8.2.3的测试需要模拟4个UE个8个衰落模拟器，其相应的AWGN选件。常规测试设备需要4个LTE信号源及具有8个信道的衰落模拟器。基于双通道的SMU/AMU可以以配置完成相应的测试需求，具体参见图18。

图18 SMU实现的3GPP TS36.141 8.2.3 性能测试框图

　　从图18可知，其配置与4×2 MIMO设置基本相同，并且不需要设置衰落模拟器之间的相关性。这也是目前业界对于8.2.3测试所需的配置。

　　4 结束语

　　目前，R&S公司的测试解决方案可以同时满足ASTRI公司FDD LTE 和TD-LTE的测试平台。这也是业界首次基于真实TD-LTE基站平台在实时条件下完成HARQ和Timing功能测试。结合本文给出的实测结果，目前R&S公司的基站测试解决方案已经可以完全满足3GPP TS36.141的相应测试需求。图19为SMU/AMU配置清单。

图19 SMU/AMU配置清单