3GPP LTE设计与测试的挑战

UMTS地面无线接入(UTRA)标准最初是以WCDMA为基础开发的，后来经过不断演进，加入了高速分组接入(HSPA)。第8版3GPP标准包含了针对HSPA的增强以及E-UTRA，又称为长期演进(LTE)。LTE是一种基于OFDM技术的全新空中接口，具有更高的数据传输速率、更低的延迟、简化的纯IP网络以及更高的频谱效率，将为用户和运营商带来一系列的优势。然而，为充分发掘LTE标准的潜力，首先必须解决一系列设计挑战。幸运的是，新的测试设备正在开发中，它将有助于克服这些挑战。

当前的挑战

目前LTE已不仅仅是一个概念，开发人员进行了大量工作来完善第8版UMTS标准(图1)。尽管如此，LTE可供选择的部署方案还是太多，这或许是早期用户设备(UE)设计与测试所面临的最大挑战。为支持这些不同的选择，必须尽快开发出专用的LTE测试设备并投放市场。

图1：按照计划，核心LTE标准应于2008年年初发布；首次一致性测试标准于2008年下半年发布；到2009/2010年，应有一定数量的支持这些标准的用户设备开始进行外场测试。鉴于时间非常紧张，业界厂商需要尽快向市场上推出各种测试设备。

这些解决方案可以满足许多特殊的测试需求，包括：

1. 基带

当前的HSPA设备性能对移动设备套件的处理能力提出了极高的要求，但现有的原型HSPA设备无法满足这些高数据速率的要求，除非连接到干线适配器。LTE的目标数据速率远高于HSPA，这将进一步增加了平台设计的挑战。

支持LTE数据速率需要非常强大的处理能力，尤其是在处理所有故障和信号的基带中。设计人员可能会在用户设备端和网络端通过PC仿真对基带设计进行建模，也可能对硬件原型进行减速仿真。

2．射频

目前的3GPP TR 36.803标准列出了11个定义的频分双工(FDD)频段和6个时分双工(TDD)频段。这些频段是针对GSM和UMTS而定义的。迄今为止，LTE还没有分配到任何专用频谱。LTE是与WCDMA和GSM系统共用频段，还是重新分配整个专用频段，目前都尚无定论。问题是，标准组合数量的增加会使目前的研究工作，以及随之而来的要求和测试都变得更加复杂。同样，缺乏单独定义的LTE频段也会使LTE早期部署较采用单一频段部署的GSM和UMTS(W-CDMA)复杂得多。

虽然LTE频段仍不确定，但与基础空中接口相关的事宜却变得逐步清晰。在LTE移动设备需要进行射频测试之际，WiMAX技术已得到了广泛的认可。WiMAX使用与LTE极为相似的正交频分复用(OFDM)下行链路。然而，LTE上行链路与WiMAX有所不同：LTE上行链路使用了单载波频分多址(SC-FDMA)技术以降低峰均功率比(PAPR)。这使得LTE测试具有一些非常特殊的要求。例如，需要根据TR 36.803发射机要求开发测试，以消除多种典型的射频减损，包括I/Q不平衡、PA非线性、示波器相位噪声、中频/射频取样与混合中的定时抖动。

LTE用户设备面临的另一个新难题是如何处理它的8个从1.4到20MHz不等的通道带宽。这种灵活性虽然丰富了部署选择，但同时也提出了新的挑战，比如如何规定通道内和通道外要求，如何确定与无线电资源管理(如信元选择/重新选择和切换)相关的测试顺序和操作步骤。

由于LTE的通道带宽可以变化，而且用户设备通常只会分配到通道内可用资源模块的一部分，所以必须对允许用户设备在未使用资源模块中发射的能量做出限制。信道内测试的定义和要求仍在讨论中，但图2中的矢量信号分析仪图像显示了其原理。实际上，OFDM信号的失真会产生镜像噪声图像。

图2：此处显示的受损OFDM信号使用发射机中的0.1dB IQ增益不平衡失真生成。OFDM信号的此类失真会在与中心频率等距的另一半信号上生成分配资源模块的图像。上部图像显示的是子载波功率，下部图像显示的是每个子载波的误差矢量幅度(EVM)。

另外两个与LTE第2层相关的挑战分别为分组数据汇聚协议(PDCP)中的大量数据加密和媒体访问控制(MAC)周转时间(2毫秒，较HSDPA快6倍)，因此在高吞吐量下进行测试需要重点关注这两个关键方面的问题。

测试完整的设备

由于标准不成熟，目前还无法设计出完整的设备测试解决方案(例如具有实时协议堆栈或程序脚本解决方案的基站仿真器)，需要投入大量资源进一步开发标准。预计此类解决方案最早将在6至12个月内上市，但仍需持续的修订，直至标准最终完成。与前几代无线标准不同，LTE一致性测试在2008向客户提供(远早于商业服务)。这将有助于减少新技术推出过程中常见的互连问题，也意味着测试设备提供商必须加快速度推出新的测试设备。同时它还会促使现有测试解决方案(用于HSPA+、EDGE演进和WiMAX等技术)在最后开发过程中的重叠。

一致性测试标准的早日问世将给某些基本测试带来帮助，确保其互通性，但与当前的一致性测试类似，它们并不能保证完美的客户体验。客户将需要更多的功能测试和验证，以便对用户设备进行适当的极限测试。

实现高峰值数据速率

LTE的目标是提供高峰值数据速率，即单个天线达到50Mbps的上行链路速率和100Mbps的下行链路速率，并可升至170Mbps以上。这些数字代表了系统设计的上限，实际速率会由于用户设备的功能而降低。然而，即使速率大幅降低，我们仍面临许多设计和测试挑战。

实现LTE峰值数据速率需要使用多路输入/多路输出(MIMO)技术。MIMO的性能目标将针对具体的通道条件进行定义。尽管这些条件是精心挑选得出的，但仍不能代表实际状况。实际性能与未规定的天线性能、极化面(polarization aspect)、人的身体和头带来的损耗(body and head loss)、不同的机械使用模式和实际通道的动态条件有很大关系。天线性能可能会因支持多个频段的需要而降低。鉴于有这么多不确定的因素，通过规定“空中”性能以确保用户获得满意的体验是不现实的。MIMO接收机一致性测试将采用直接转发方式进行，但我们还无法说明这个简单的测试与实际环境有什么关系。通过访问当地LTE网络，有可能在适当的条件下实现对MIMO性能的真实测试。然而，使用测试设备为早期研发提供可重复的实际环境仿真将会非常困难。

本文小结

与任何新技术一样，LTE也提出了非常多的设计挑战。历史已证明，挑战通常会随着时间流逝而变得简单。例如，15年前，设计人员凭借远低于现有水平的计算能力、设计和仿真工具以及测试设备帮助GSM发展成为通信行业的主流技术。如今，GSM看起来比后来的技术都简单。LTE有可能会经历相似的过程。

安捷伦独有的LTE“连接解决方案”将安捷伦广泛的信号发生和分析设备、ESG和MXG矢量信号发生器、Agilent MXA信号分析仪、PSA系列频谱分析仪、先进设计系统(ADS)仿真环境及LTE无线程序库连接到一起，创建出全面的测试解决方案，帮助研发工程师更好地迎接新兴的LTE技术。这些测试解决方案仅仅是LTE设计与验证的开始。随着协议的发展，协议一致性测试和网络仿真解决方案也将随之而来。LTE可能面临着许多的挑战，但随着强大的测试设备解决方案更早地推出，这些挑战将迎刃而解。