羅德與施瓦茨LTE TDD測試方案

目前，在3G之后，各種通信技術(shù)將如何演進(jìn)是業(yè)界非常關(guān)注的一個焦點(diǎn)，特別是對于TD-SCDMA來說，能否實(shí)現(xiàn)向下一代通信技術(shù)的平滑演進(jìn)，決定了TD 究竟具有多長時間的生命力，以及我國的自主創(chuàng)新戰(zhàn)略究竟能走多遠(yuǎn)。2007年11月，3GPPRAN151會議通過了27家公司聯(lián)署的LTETDD融合幀結(jié)構(gòu)的建議，統(tǒng)一了LTE TDD的兩種幀結(jié)構(gòu)。融合后的LTE TDD幀結(jié)構(gòu)是以TD-SCDMA的幀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的，這就為TD-SCDMA成功演進(jìn)到LTE乃至4G標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

　　TDD-LTE技術(shù)特點(diǎn)

　　LTE系統(tǒng)支持FDD和TDD兩種雙工方式。在這兩種雙工方式下，系統(tǒng)的大部分設(shè)計(jì)，尤其是高層協(xié)議方面是一致的。另一方面，在系統(tǒng)底層設(shè)計(jì)，尤其是物理層的設(shè)計(jì)上，由于FDD和TDD兩種雙工方式在物理特性上所固有的不同，LTE系統(tǒng)為TDD的工作方式進(jìn)行了一系列專門的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)在一定程度上參考和繼承了TD-SCDMA的設(shè)計(jì)思想，下面我們對這些設(shè)計(jì)進(jìn)行簡要的描述與討論。

　　無線幀結(jié)構(gòu)

　　因?yàn)門DD采用時間來區(qū)分上、下行，資源在時間上是不連續(xù)的，需要保護(hù)時間間隔來避免上下行之間的收發(fā)干擾，所以LTE分別為FDD和TDD設(shè)計(jì)了各自的幀結(jié)構(gòu)，即Type1和Type2，其中Type1用于FDD，而Type2用于TDD。

　　在FDD Type1中，10ms的無線幀分為10個長度為1ms的子幀，每個子幀由兩個長度為0.5ms的slot組成。 在TDD Type2中，10ms的無線幀由兩個長度為5ms的半幀組成，每個半幀由5個長度為1ms的子幀組成，其中有4個普通的子幀和1個特殊子幀。普通子幀由兩個0.5ms的slot組成，特殊子幀由3個特殊時隙(UpPTS，GP和DwPTS)組成。

　　在LTE中TDD與FDD幀結(jié)構(gòu)最顯著的區(qū)別在于：在TDDType2幀結(jié)構(gòu)中存在1ms的特殊子幀，該子幀由三個特殊時隙組成：DwPTS，GP和UpPTS，其含義和功能與TD-SCDMA系統(tǒng)相類似，其中DwPTS始終用于下行發(fā)送，UpPTS始終用于上行發(fā)送，而GP作為TDD中下行至上行轉(zhuǎn)換的保護(hù)時間間隔。，三個特殊時隙的總長度固定為1ms，而其各自的長度可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需要進(jìn)行配置。

　　上下行的時間分配

　　TDD另外一個顯著區(qū)別于FDD的物理特征是，F(xiàn)DD依靠頻率區(qū)分上下行，因此其單方向的資源在時間上是連續(xù)的;而TDD依靠時間來區(qū)分上下行，所以其單方向的資源在時間上是不連續(xù)的，時間資源在兩個方向上進(jìn)行了分配。

　　下圖是LTE TDD中支持的7種不同的上、下行時間配比，從將大部分資源分配給下行的“9:1”到上行占用資源較多的“2:3”，在實(shí)際使用時，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)業(yè)務(wù)量的特性靈活的選擇配置。這樣，在資源組成上TDD與FDD所固有的不同，成為了LTE中另一部分為TDD所進(jìn)行的專門設(shè)計(jì)的原因。這一部分設(shè)計(jì)主要包括“物理層HARQ的相關(guān)機(jī)制”，以及“采用頻分的隨機(jī)接入信道”。

　　允許同一時間上存在多個隨機(jī)接入信道(頻分)是TDD上下行時分的結(jié)構(gòu)形成的又一設(shè)計(jì)結(jié)果。在LTEFDD的設(shè)計(jì)中，同一時刻只允許一個隨機(jī)接入信道的存在，即僅在時間域上改變隨機(jī)接入信道的數(shù)量。而在TDD中，時間資源已經(jīng)在上下行進(jìn)行了分配，同時由于不同的上下行配比的存在，可能存在上行子幀數(shù)目很少的情況(如DL:UL=9:1)，因此在TDD中需要支持頻分的隨機(jī)接入信道，即在同一時間位置上采用不同頻率的區(qū)分提供多個隨機(jī)接入信道，以為系統(tǒng)提供足夠的隨機(jī)接入的容量。

　　在FDD的情況下，上、下行的資源在單方向上都是連續(xù)的，而且子幀數(shù)目相等。因此，以下行為例，在進(jìn)行物理層的HARQ時，下行數(shù)據(jù)與上行的 ACK/NAK之間可以建立一對一的對應(yīng)關(guān)系。與此不同的是，在TDD的情況下，單方向的資源不是連續(xù)的，因此可能無法獲得對應(yīng)的時間上的資源。另外，上下行配比的設(shè)置可能使得上下行的子幀數(shù)目不相等，因此無法建立一一對應(yīng)的關(guān)系，所以這些都需要進(jìn)行針對性的設(shè)計(jì)。在LTETDD，為了解決以上問題，引入了MultipleACK/NAK的概念，即使用一個ACK/NAK完成對前續(xù)若干個下行數(shù)據(jù)的反饋，這樣就解決了上下行時隙不對稱帶來的反饋問題。在另一個方面，同時還減小了數(shù)據(jù)的傳輸時延，數(shù)據(jù)無需再等待到下一個上行時隙以進(jìn)行反饋了。當(dāng)然，該方案可能引起的不必要的過多重傳也需要引起注意。

　　同步信道

　　同步信道是另一項(xiàng)體現(xiàn)不同雙工方式的設(shè)計(jì)。LTE中用于小區(qū)搜索的同步信道包括“主同步信號”和“輔同步信號”。在兩種幀結(jié)構(gòu)中，同步信號具有不同的位置：在FDDType1中兩個同步信號連接在一起，位于子幀0和5的中間位置;而TDDType2中，輔同步信號位于子幀0的末尾，主同步信號位于特殊子幀，即DwPTS的第三個符號。在兩種幀結(jié)構(gòu)中，同步信號在無線幀中的絕對位置不相同，更為重要的是，主、輔同步信號的相對位置不同：在FDD中兩個信號連接在一起，而在TDD中兩個信號之間有兩個符號的時間間隔。由于同步信號是終端進(jìn)行小區(qū)搜索時最先檢測的信號，這樣不同的相對位置的設(shè)計(jì)使得終端在接入網(wǎng)絡(luò)的最開始階段就可以檢測出網(wǎng)絡(luò)的雙工方式，即FDD或者TDD。

　　隨機(jī)接入前導(dǎo)

　　隨機(jī)接入前導(dǎo)(Random Access preamble)的設(shè)計(jì)是LTE對TDD的另一項(xiàng)特殊設(shè)計(jì)。在LTE中，隨機(jī)接入序列采用如下圖所示的5種隨機(jī)接入序列格式。其中最后一種隨機(jī)接入序列格式是TDD所特有的，由于其長度明顯短于其它的4種格式，因此又稱為“短RACH”。采用短RACH的原因也是與TDD關(guān)于特殊時隙的設(shè)計(jì)相關(guān)的，如同圖中所描述的，短RACH在特殊時隙的最后部分(即UpPTS)進(jìn)行發(fā)送，這樣利用這一部分的資源完成上行隨機(jī)接入的操作，避免占用正常子幀的資源。采用短RACH時，需要注意的一個主要問題是其鏈路預(yù)算所能夠支持的覆蓋半徑，由于其長度要大大的小于其它格式的RACH序列，因此其鏈路預(yù)算相對較低，相應(yīng)的適用于覆蓋半徑較小的場景(根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同，約700m～2km)。

　　RS LTE TDD測試方案

　　3GPP LTE和之前的系統(tǒng)在空中接口上存在很大的不同，所以對于測試就提出了新的要求?；谠?G測試領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)先地位，Rohde Schwarz 對于UMTS LTE從早期的研發(fā)階段就開始跟蹤研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)成果，目前不僅可以為LTE FDD，而且也可以為LTE TDD無線設(shè)備研發(fā)提供了完整的測試產(chǎn)品線。這些產(chǎn)品包括功率計(jì)，頻譜分析儀，信號源，無線綜測儀，協(xié)議測試儀和射頻一致性測試系統(tǒng)。設(shè)備制造商自始自終都可以依賴于Rohde Schwarz 公司的產(chǎn)品和專家級的支持。Rohde Schwarz 全球的支持網(wǎng)絡(luò)擁有經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的應(yīng)用工程師，從而可以提供全方位的客戶支持。

　　由于3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展還未最終完成， R S公司在開發(fā)LTE選件時保持了高度的靈活性，軟件會定期更新，確保測試儀表依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)和最新發(fā)展保持一致，使它們滿足3GPP LTE 未來開發(fā)的要求。下面針對在LTE早期的研發(fā)中一些重要的測試項(xiàng)目進(jìn)行介紹：

　　n 如何靈活地對LTE射頻和基帶信號進(jìn)行模擬產(chǎn)生和分析，

　　n 如何對不同的MIMO模式進(jìn)行進(jìn)行測試，

　　n 如何在協(xié)議棧開發(fā)的早期就進(jìn)行測試，使之符合一致性的要求。

　　LTE信號產(chǎn)生

　　LTE的測試首先需要模擬LTE射頻信號，并且研究其統(tǒng)計(jì)特性。對于LTE下行，研究人員可以從WiMAX和WLAN等技術(shù)中參考得到 OFDMA的射頻特性。但是對于上行，LTE上行使用的SC-FDMA技術(shù)在其他標(biāo)準(zhǔn)中并沒有使用。因此上行信號特性需要進(jìn)行特別的研究。LTE信號模擬中的一些通常設(shè)置包括頻率、帶寬、LTE信號包含資源塊的數(shù)目、天線配置、參考信號序列配置、下行同步信道配置、循環(huán)前綴長度、用戶數(shù)據(jù)和調(diào)制方式的分配和L1/L2控制信道的配置的等參數(shù)。

　　選件RS SMx-K55用于R S公司的信號源，諸如RS SMU200A, RS SMJ100A 和 RS SMATE200A就可以按照TS36.211標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定產(chǎn)生LTE FDD 和 LTE TDD 上下行射頻信號，用于元器件性能測試以及基站和移動終端的接收機(jī)測試。下圖顯示了LTE TDD信號的設(shè)置以及圖形顯示資源分配圖。

　　此外RS還提供了高性能的雙通道基帶信號源AMU200A以及AFQ100A，加上AMU-K55或者AFQ-K255選件后，就可以模擬LTE的基帶信號，用于LTE研發(fā)早期基帶信號的模擬。而通過一款RS提供的EX-IQ-BOX，用戶可以產(chǎn)生適應(yīng)自己需要的數(shù)字基帶信號格式。

　　這些儀表及其選件可提供信道編碼，多達(dá)四路發(fā)射天線的 MIMO 預(yù)編碼以及2x2 MIMO 的實(shí)時衰落模擬等功能。該軟件選件直接安裝在儀器上，給用戶提供了多種配置的可能性，用戶不僅可調(diào)用預(yù)先定義好的測試場景，快速的進(jìn)行測試設(shè)置;而且還可以按照自己的需要靈活設(shè)置各種參數(shù)進(jìn)行定制測試：例如參考符號，控制信道，同步信道及數(shù)據(jù)信道的參數(shù)，此外，也可獨(dú)立配置各個子幀。

　　目前RS的LTE信號模擬方案完全符合3GPP V8.40標(biāo)準(zhǔn)，包括PRACH、探測參考信號、上行鏈路的PUCCH編碼，下行鏈路的PHICH和PCFICH編碼，同時包含36.141標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 E-Test模型信道。

　　LTE信號分析

　　其次在LTE信號的射頻分析方面，由于LTE信號采用了新的接入方式OFDMA，信號帶寬最高可達(dá)20MHZ，這些對于信號的頻域分析和調(diào)制域分析都提出了更高的要求。RS FSQ 和 RS FSG 信號分析儀能分析3GPP LTE 基站或者移動電話的發(fā)射機(jī)模塊。信號分析選件 RS FSQ-K101 和RS FSQ-K105支持LTE FDD和TDD射頻調(diào)制信號的測量，并以圖形或表格顯示結(jié)果：諸如 EVM、頻率誤差、頻譜平坦度、I/Q 偏移、眼圖、星座圖及群時延等測量結(jié)果。選件 RS FSQ-K100和RS FSQ-K104可用于分析 3GPP LTE下行信號， 跟上行信號選件類似，該選件能在頻域，時域及調(diào)制域?qū)?biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有信道帶寬的3GPP LTE FDD和TDD信號進(jìn)行測量。

　　如需測量LTE基帶信號，不管是平衡還是非平衡的，都可使用RS FSQ 的模擬(RS FSQ-B71)和數(shù)字 (RS FSQ-B17) 基帶輸入選件來完成。同時RS也提供了一款EX-IQ-BOX可以適應(yīng)用戶自己的數(shù)字基帶格式，通過和FSQ上的B17接口一起使用，可以分析 LTE數(shù)字基帶信號。

　　此外如果想對OFDM信號進(jìn)行分析的話，RS在高端信號分析儀FSQ上開發(fā)了FSQ-K96選件，這可以滿足LTE早期研發(fā)和對任意 OFDM信號進(jìn)行分析的需求。

　　LTE MIMO測試

　　RS公司的射頻信號發(fā)生器SMU200A，或基帶信號發(fā)生器AMU200A，都可以使用單臺儀表進(jìn)行MIMO接收機(jī)測試。這兩款信號發(fā)生器都配置兩個信號源，加裝RS SMU-K74或者AMU-K74選件后，就可以實(shí)時模擬2×2MIMO系統(tǒng)所需的4個衰落信道，從而對2×2 的MIMO接收機(jī)進(jìn)行測試。這兩款儀表解決方案都支持ITU 為3GPP LTE 定義的、包含衰落路徑之間的相關(guān)特性的各種衰落模式。

　　通過把兩臺或四臺RS的信號分析儀FSQ或FSG連接起來，RS可以提供2x2和4x4的MIMO信號分析，此時只需在一臺主控FSQ/G上配置K100(或者K104)和K102選件，就可以支持LTE FDD和LTE TDD中的三種MIMO模式：發(fā)射分集，空間復(fù)用和循環(huán)延遲分集。

　　LTE 協(xié)議測試

　　LTE協(xié)議棧的測試用來驗(yàn)證一些信令功能，例如呼叫建立和釋放，呼叫重配置，狀態(tài)處理和移動性等。和2G，3G系統(tǒng)的互操作性測試是對LTE的另外一個需求。此外為了保證終端的協(xié)議棧和應(yīng)用可以處理高數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù)，需要測試驗(yàn)證終端吞吐量的要求。在LTE實(shí)現(xiàn)的早期，研發(fā)部門需要包含各個參數(shù)配置的多種測試場景來進(jìn)行LTE協(xié)議棧的測試。此外LTE物理層具有很多重要功能，這包括小區(qū)搜索、HARQ協(xié)議、調(diào)度安排、鏈路自適應(yīng)、上行時間控制和功率控制等。而且這些過程有著很嚴(yán)格的定時要求。因此也需要對物理層進(jìn)行完全測試來保證LTE的性能。

　　基于Rohde Schwarz 在UMTS LTE協(xié)議棧測試領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，RS 推出了LTE協(xié)議測試儀CMW500，它的功能強(qiáng)大的硬件方案可以提供的頻率高達(dá)6GHz，帶寬為40MHz。它不僅可以用于一致性測試，性能測試和互操作測試，而且還把它的優(yōu)點(diǎn)擴(kuò)展到產(chǎn)品生命周期的后續(xù)階段，從而可以給芯片和無線設(shè)備制造商在UMTS LTE 協(xié)議一致性研發(fā)的各個階段中帶來多重好處。而且它還有一個可供選擇的用于PC機(jī)上的軟件方案，可以支持個人開發(fā)者在早期就進(jìn)行協(xié)議開發(fā)的工作，從而有效降低UMTS LTE 無線設(shè)備整個研發(fā)過程中的成本。所以使用CMW500可以并行進(jìn)行軟件和硬件的協(xié)同開發(fā)、測試和優(yōu)化，從而加快產(chǎn)品的上市時間。

　　通過在CMW500上配置CMW-KP500 MLAPI和CMW-KP501 LLAPI，RS提供了協(xié)議棧測試所需的底層和高層兩種不同編程接口，這樣開發(fā)者在早期就可以對協(xié)議棧進(jìn)行靈活測試，而且這樣的測試是和后期的一致性測試完全兼容的，可以節(jié)省后期測試的時間和成本。