LTE系统中eNodeB测试方案探讨

http://www.cww.net.cn   2009年11月10日 15:41    通信世界网    

 张晓丹1  杨波1  苏曦2

    1.爱立信(中国)通信有限公司

    2.北京邮电大学

    1 eNodeB测试的关注点

    LTE系统独特的特点及技术优势实现了LTE系统的高速率、低时延和最优分组的需求，然而为了保证LTE系统中eNodeB设备真正具有这些新功能及技术指标，并实现测试有效性，对eNodeB关键技术点的测试势在必行。eNodeB测试的主要关注以下方面。

    （1）LTE系统中子载波之间的正交性是高速率性能得以实现的前提，也是接收端正确接收的根本保证。因此LTE系统中必须要保证OFDM子载波之间的正交性以及上行各用户所占用子载波之间的正交性，这也是eNodeB的测试重点之一。

    （2）MIMO各种模式分别保证了LTE高峰值速率、小区边缘的覆盖及小区边缘用户的吞吐量。因此对eNodeB设备中MIMO不同模式的测试是保证LTE系统性能优势的必要测试。

    （3）LTE系统引入了多载波技术，实现信道带宽内子载波的灵活调度及分配，这是保证多用户宽带接入的前提。因此，OFDM子载波的灵活调度及在多用户之间的分配也是eNodeB设备的关键测试项之一。

    （4）LTE系统小区间干扰协调机制是LTE系统的显著技术特征，因此验证多个eNodeB设备之间干扰协调的测试是不可或缺的。

    （5）对eNodeB的测试还将包括验证E-MBMS的实现及其在各个小区之间的无缝切换。

    2eNodeB测试面临的挑战

    在LTE基站eNodeB型号标准上市之前，需要进行完备的基站设备测试，包括软件测试、硬件测试以及无线指标测试。这将涵盖LTE的协议一致性测试、无线性能指标一致性测试、无线资源管理的一致性测试和端到端的业务验证测试等，这些组成了eNodeB认证测试的基础。

    由于LTE系统的工作频率从700MHz跨越到3GHz，信道带宽从1.4MHz到20MHz的灵活配置，使得eNodeB硬件的设计及测试都具有很大的挑战。同时LTE系统提出了更高的性能需求指标，并引入了如OFDM、MIMO等多项关键新技术，因此在研发过程中，eNodeB测试将需要全新的测试平台、测试用例及测试方法。

    在eNodeB设备测试中，对上下行信道和信号的测试是必不可少的。带有LTE选件的信号发生器可以用来产生上行信号，频谱分析仪可以用来检验下行信号。MIMO是LTE系统的技术特点之一，因此信号发生器应支持MIMO制式和多径衰落。物理信道和数据传输的测试也可利用信号发生器和频谱分析仪完成。然而完整的LTE测试，还包括协议和物理层的测试，这些测试需要上下行的交互过程，例如HARQ、RACH过程。系统级的测试环境是真实的终端和eNodeB通过真实的无线环境连接在一起，eNodeB还将连接到真实的核心网实体。在测试初期，LTE协议测试可以采用模拟的终端和模拟的核心网实体，采用信道模拟器模拟设备在实际网络环境中的性能，实现小区中央及边缘位置信号强度的模拟，从而减少实地测量的需求。LTE的协议层测试与传统网络的不同之处在于，无线资源控制(RRC)状态，以及aGW网元和eNodeB对UE上下文RCC状态的保留。因此为了能够测试这些不同的特征，需要灵活的测试设备，并提供一个可编程界面，能够设置RRC的模式。

    LTE系统将与其他标准在很长一段时间内共存，为了达到很好的地域覆盖，LTE系统与2G、3G基站以及非3GPP系统之间的融合以及无缝切换变得至关重要。eNodeB必须支持与GSM(全球移动通信系统)/ED-GE(增强型数据速率GSM演进技术)、TD-SCDMA、WCDMA/HSPA、cdma20001x等相互之间的切换。这就必然要求测试环境能够利用或完全模拟这些网络间的漫游切换以实现对eNodeB的测试。此外，LTE是一个全IP核心网，需要端到端应用程序测试，并且由于LTE系统将支持更丰富的业务应用，例如VoIP、FTP或多媒体数据流等，因此对于业务应用的测试比以前更加重要、更加复杂。

    eNodeB的测试环境及测试内容将包括以下内容。

    （1）连接所有的网络单元，并验证所有的接口

    ·eNodeB设备测试：eNodeB作为被测设备，利用真实的eNodeB、MMEs、aGW 和UE或采用模拟的设备。

    ·互操作性测试：LTE MME 与UTRAN 和GERAN 网络。

    （2）语音，多媒体和数据业务综合的实际网络环境

    ·语音业务AMR NB/WB、G.711、G.723、G.726、G.729。

    ·视频业务 H.261、H.263、MPEG-2、MPEG-4。

    ·IPv4、IPv6、IPSec。

    ·QoS分析。

    ·QoE测量。

    （3）对eNodeB设备的软件测试、硬件测试及无线指标测试。

    （4）负面测试：验证系统在错误条件下的行为。

    （5）安全性验证。

    3eNodeB的测试方法

    为了保证无线通信系统的正常运行，必须对基站设备进行全面测试。完全的基站设备测试包括无线指标测试、软件测试和硬件测试，其中软件测试又包括基本接口测试，操作维护测试以及功能测试。无线指标测试、软件测试以及硬件测试相互补充、缺一不可，共同决定着无线通信系统基站设备使用性能的验证。

    基站的完全测试会根据不同通信系统的特征而有不同的测试方法和测试用例，但由于无线通信系统具有相似的通信功能，基站设备具有相似的功能模块及操作维护机制，并且无线电波具有固有的无线电磁波特性，因此基站设备的完全测试具有相同的基本测试原理，相应的存在着部分通用的测试方法和测试用例。由于LTE系统中eNodeB具有前所未有的性能和技术特点，因此在测试用例及相应测试方法上也具有独特的需求。

    3.1无线指标测试

    无线通信系统的信道受限于功率和带宽，同时由于无线信道的非线性特性以及通信容量的日益增加、各种通信系统的共存，导致系统间以及系统内各信道间的干扰问题愈加突出。为了避免各通信系统之间的干扰并保证系统正常工作，要求系统基站设备发射的调制信号的功率尽可能集中在频带内，具有快速滚降的频谱特征，并且接收端必须具有抑制干扰的能力及良好的灵敏度。这些特性的验证是无线指标测试过程的主要内容。

    无线指标测试包括发射端和接收端的测试。在发射端，考察信号的调制质量、发射功率、占用带宽和带外谐杂波抑制等。由于发射信号调制质量的好坏会影响接收端的解调能力，因此必须对调制质量进行全方位的评估，包括调制幅度误差、发射频率误差以及相位噪声。在接收端，测量接收机在各种干扰情况下的接收灵敏度。LTE系统作为无线通信系统的一种，eNodeB的无线指标测试包括无线通信系统所要求的上述常规测试用例。

    由于LTE系统采用了OFDM/OFDMA技术，把信道带宽划分为很多正交子载波，而在测试过程中，用户所使用的OFDM子载波在信道带宽中的不同位置可能会导致测试结果的不同。例如，滤波器的非理想特性使得信道带宽边缘处的子载波相比于处于中间位置的子载波会受到较大的干扰。因此，在上行测试用例中占用资源块的位置必须有多种配置以实现对整个信道带宽所有子载波的覆盖，测试是否所有子载波都满足规范要求的无线性能指标。

    此外，OFDM子载波间的正交性是LTE系统得以实现的前提保证，因此在无线指标测试中将全面考察OFDM子载波正交性，OFDM符号同步程度以及采样同步情况。这些特征将共同影响信号的调制质量。在单载波网络中，影响调制质量的因素主要是射频单元中器件的非理想特性，然而由于OFDM系统不可避免地存在子载波正交性，符号同步及采样同步的误差，使得LTE系统中的信号调制质量相比于单载波网络会更加恶化。因此，调制质量将成为基站设备测试中最为重视的测试项之一。

    以下将以调制质量的测试作为讨论重点，首先分析调制质量误差产生的原因，以及影响调制质量测量结果的因素，并在此基础上提出有效的测试方法和建议。

    通常用来表征系统调制质量的参数为误差矢量幅度(EVM)，它可以很好地表征数字调制信号的调制质量。3GPP定义了LTE系统中EVM测试项为符号EVM，符号EVM的测试将考虑具体的信道配置情况，分析信号失真对不同传输速率下的专用物理信道的影响。由分析知，EVW的大小由相位噪声和幅度误差的大小共同决定。

    在单载波网络中，EVM的产生是因为在射频单元器件中存在本振泄露、本振相位噪声和功放非线性失真。本振泄露表征了调制器的不平衡，表现为IQ偏移，数值上等于泄露的本振功率与调制信号平均功率之比，本振泄露特性降低了功率利用率。本振相位噪声表征了本振源短期稳定度，它将引起相位误差，但不会影响信号幅度。功放的非线性失真表征了放大器的幅相转移特性(AM/PM)，并且随着输入到功放的信号功率增加，功放将产生恶劣的相位失真，从而影响EVM的测量值。通过实验验证，提高本振电平可以改善发射端的网络线性度，从而改善EVM的测量值。

    因此，EVM并不是一个独立的技术指标，它除了由实际电路的非理想因素决定之外，还受发射功率、本振电平功率的影响。因此为了有效评估硬件设备的非理想因素，有必要将EVM指标与功率结合起来考虑，实现对调制质量的高效测试。

    为了保证LTE系统的正常工作并为高速率传输提供保障，在eNodeB设备的无线指标测试中，应充分重视有效的EVM指标测量方法，因此以下对相关的测试方法提出了新的建议。

    在射频单元的功率效率测试用例中，应在满足规范要求的EVM指标的条件下，计算射频单元的功率效率，这避免了牺牲功率效率、降低相位失真程度而换取EVM指标的提高。在最大发射功率、总功率的动态范围以及频率模版、邻信道泄露功率比的测试用例中，应在满足规范要求的EVM指标的条件下，分别测试上述用例。这是因为LTE系统得以运行的前提是EVM指标满足规范要求，因此最大发射功率、总功率动态范围等测试用例也必须在LTE系统能够正常接收解调的工作条件下进行测试。在EVM指标的测试用例中，为了保证测试结果的有效性，并能真实反映硬件设备的非理想特征，应在保证功率效率的前提下，规定本振功率，测量EVM指标是否满足规范要求。

    LTE系统由于采用了多载波调制技术，使得EVM指标相对于单载波网络更加难以改善。子载波的频谱相互重叠的特点对子载波间的正交性提出了严格的要求，然而信道中存在的多普勒频移，以及发射机与接收机本振之间的频差，都会引起频率偏移，导致子载波间的正交性遭到破坏，产生子载波间干扰(ICI)。此外，由于OFDM符号周期较长，所以对本振相位噪声更为敏感。

    本振的相位噪声会导致子载波间正交性的丧失，它将引入公共相位误差(CPE)和子载波间干扰(ICI)，导致LTE系统性能下降。这些都将进一步恶化EVM指标，因此3GPP对于EVM的指标要求也略微不如UTRA严格：基于QPSK调制信号的EVM指标从17.5%增加到18.5%，基于16QAM调制信号的EVM指标从12.5%增加到13.5%。研究表明，LTE系统中EVM的值更依赖于在放大器输入端OFDM符号的输入功率，而与子载波的调制方式无关；不同的调制方式对接收端的灵敏度影响不大。因此，上述QPSK和16QAM的EVM指标略有差别，但各调制方式的EVM指标不会有太大差异。

    3.2软件测试

    无线指标的测试环境仅需要产生独立的上行或下行信号，而软件的测试环境需要保证用户、基站以及核心网之间存在信息交互。基站设备的软件测试内容包括基站与外部设备的接口测试、基本功能测试以及操作维护测试。接口测试包括基站设备与核心网之间的接口测试，以及基站设备之间的接口测试。接口的功能是正确传递用户、基站以及核心网之间的交互信息，并建立无线接入承载，处理用户上下文。基本功能测试包括物理层及高层关键技术的测试，还包括性能测试，如峰值吞吐量、时延测试等。此外，基站设备作为一项产品，操作维护系统是必不可少的。操作维护系统将包括可视化图形界面和完善的用户操作手册。对基站设备的操作维护测试就是对上述操作维护系统的功能分别进行测试，验证操作维护系统的功能完备性。

    eNodeB的软件测试也包括上述几项测试内容，但由于接口测试和操作维护测试与传统网络基本相似，因此此处将针对eNodeB的测试关注点介绍基本功能测试的测试用例及测试方法。eNodeB的基本功能测试包括基本业务测试和特性测试，其中基本业务测试的测试方法与传统网络相同，由于eNodeB又具有了传统RNC的部分功能，因此基本业务测试的关注点在于eNodeB的功能实现，具体测试项及测试方法如表1所示。

    表1LTE系统中基本功能测试的关键测试用例及测试方法