TD-LTE技术及测量

      3G (third-generation) 无线系统正在全球展开部署。W-CDMA通过在下行和上行中增加HSPA(high speed packet access)以保持着中期竞争优势，它使得小区峰值速率可达到7.2Mbps， 并期望单用户数据速率达到1.5 Mbps。为了确保未来的竞争力，LTE (long-term evolution)第一次在3GPP(3rd Generation Partnership Project) UMTS 规范的第8版本中指明，为满足下一个十年对新兴的“移动宽带”的需求，系统峰值速率预期将超过300Mbps。

      到目前为止LTE的大多数工作集中在FDD(Frequency Division Duplex)。随着中国TD-SCDMA的不断成熟与网络化实施，基于TDD(Time Division Duplex)的LTE 的另一种模式，即现在大家所知道的TD-LTE，也进入了3GPP LTE 的规范。LTE TDD可以更灵活地使用非对称频谱资源。现在，越来越多芯片和设备厂商将TDD的性能包含在设计中。

      与先前的GSM/EDGE和W-CDMA标准相比，LTE标准文件从最初的技术建议提交到最终商业版本的时间很短，特别是较晚添加至标准的TD-LTE，这个过程更短。对于手机和数据卡，LTE规范的最大RF带宽20MHz已经使得系统结构设计发生改变，对终端设备要求支持多种制式，其中包括要与传统系统的兼容等问题，这些使得设计者更多地使用软件无线电。新的设计要求更多的模拟/数字域交替测试以及“数字输入，射频输出”，这意味着设计者需要新的测试工具和测量方法。

      TD-LTE指定的频率范围是1850到2620MHz，并且使用与FDD相同的MIMO情形和上下行调制制式：下行为OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)，上行为SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access)。如下图所示，TD-LTE使用两种帧结构，每个帧包含10个子帧，长度为10ms。

      以“5ms”为切换周期的帧有两个特殊的同步子帧，而以“10ms”为切换周期的只有一个，这样可以提供更灵活的上/下行配置。根据瞬时数据传输的要求，数据帧可以灵活地使用所示的7种预置配置中的任何一个。

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      TD-LTE 帧结构

      一个1ms下行子帧包含的数据块(resource blocks)被预先指定给不同的用户，而上行子帧只包含用户到基站(eNB)的数据。对于小型数据包，指定的延迟(从发出请求到收到回复的时间)目标是5ms，或半个帧。所以系统时间，包括用于补偿到eNB距离的时间偏移，非常重要。目前的系统是低速率(固定用户或步行用户)优化系统，能看到系统的最高速率性能，但是最终会延申到支持高达500kph的移动用户。

      TD-LTE标准目前包括1.4、3、5、10、15和20MHz(与带宽可变的LTE FDD相同)RF通道的指标和测量方法。大多数测量方法和测量项目针对单个码道的数据定义，使用单独的发射和接收部分。关于多码道和MIMO的配置，仍在讨论中。

      最初的测量目的是确保发射和接收不受损伤：包括上行和下行发射模板，最大和最小功率，功率控制。定义邻道泄漏和发射杂散用于确保最小的干扰。下图是发射打开/关断模板的例子。

      发射模板

      下一个系列的测量着重于传输质量，最主要的度量方法是EVM(error vector magnitude)。对于下行OFDMA，测量基于时域上的一个子帧(1ms)和频域上的12个子载波(180kHz)。上下限取决于调制复杂度，调制阶数越高，上下限越严格。对于来自UE的上行SC-FDMA信号，传输质量取决于已分配和未分配的资源块，需要分别测量通道内UE发射的频谱和其它带宽频谱。EVM和频谱平坦度用来说明已分配资源块的情况，带内泄漏和IQ 偏移(载波泄漏)，这些降低网络性能的干扰信号详细说明未分配资源块的情况。

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      VSA 屏幕截图显示出上行数据特性

      基本的接收机RF性能测试包括基准灵敏度、动态范围、通道内选择性、邻道选择性和发射杂散建立于正规的呼叫协议将UE与业务信道连通后。在一个特定值上，BLER (block error rate)必须不能超过目标值并维持目标吞吐量，通常为95%。特定值取决于所执行的测试、接收机带宽和调制复杂度。随后检测接收机在静态和衰落环境中从专用物理信道里正确解调专用控制信道的能力，以及对所有支持的数据速率和信道带宽的检测。

      TD-LTE设备必须兼容传统3GPP系统，一系列的切换情形被详细说明以确保系统一致性，从而确保用户服务的连续性，包括从闲置模式到已建立呼叫后的同频TDD到TDD切换，也包括不同频的TDD到FDD的切换，乃至切换至3G W-CDMA和HPSA系统，最终从TDD切换至GSM。

      LTE FDD和TD-LTE指定的RF环境要求使用MIMO，测量和验证方法还未确定。MIMO用于改进覆盖范围和数据传输能力，每个发射机广播它自己独有的数据流信号，接收机执行复矩阵解调以还原原始数据。构成MIMO发射信号的单独的数据流分析较为直接，MIMO接收机的多信号测试则包括实时衰落，因而要求专门的测试信号。正确的MIMO接收机验证仍在3GPP和测试团体的讨论中。第一个LTE的部署将使用2X2 MIMO(即2个单独的发射机和接收机)不过规范要求将来使用最高至4X4 MIMO。

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      2X2 MIMO结构

      这些仅仅是系统测试需求的开始。从芯片设计到网络部署，在设计流程的各个阶段更多的工作是验证终端用户的体验。除了保证互用性，全面的测试将包括验证上千用户体验的情形。只有在早期验证了系统的功能性，网络运营商才会达成客户期望和保持客户忠诚度。WAP和W-CDMA先前的经验已经告诉我们对技术开展部署所潜在的用户问题 – 从覆盖、实时数据速率、电池耗尽时间到同步交互。在设计改动之后和部署之前，设计者和服务提供商必须能够使用可控的和可重复的测试场景验证设计的最高性能和实际网络情况下的设备性能。协议和兼容性测试工具，如安捷伦8960和E6620以及由合作伙伴提供的基于它们的系统Antie，是一个提供了丰富功能的兼容性验证环境。

      安捷伦已经开发了多个领先上市的针对TD-LTE的测试产品，希望帮助TD-LTE成功演进和部署实施。安捷伦SystemVue和ADS(Advanced Design System) 中的 3GPP LTE TDD无线数据仿真库，可以直接连接安捷伦MXA信号分析仪，提供了2X2和4X4 MIMO的LTE TDD全球第一个全编码BER测试解决方案。该方案支持被测件的全编码BER测量，包括多径衰落的信道损伤仿真。

      安捷伦N7625B Signal Studio是一个基于PC的强大的LTE TDD信号产生软件，结合使用安捷伦N5182A/62A MXG或E4438C ESG矢量信号发生器，还有N5106A PXB MIMO接收机测试仪可以产生基于标准的TD-LTE信号。Signal Studio支持3GPP09-Mar(09年3月)发布的LTE TDD标准，提供产生PDSCH、PHICH、PCFICH、PBCH、PDCCH、PUCCH、PRACH等多个信道以及发射DL和UL信号的能力。这些产品所提供的基本性能将很好的适用于测试基站和移动手机的部件，比如功率放大器和滤波器，而高级接收机测试性能则支持传输层编码、4X4 MIMO预编码和衰落。

      安捷伦89600 VSA软件提供RF和基带全面的TD-LTE信号分析工具和物理层测试以及LTE接收机和部件的故障诊断。TD-LTE作为一个单独的选件，包括对下行 (OFDMA)、上行 (SC-FDMA) 和MIMO的分析。VSA软件提供了一系列业界领先的性能，EVM < -50 dB(取决于硬件)，带宽支持1.4 MHz到20MHz。调制格式包含BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、CAZAC、OSxPRBS、TDD DL/UL配置(0-6)和特殊子帧长度(0-8)以及2X2 MIMO。该VSA 软件可以连接并配合用于安捷伦30多种产品，包括频谱和信号分析仪、示波器和逻辑分析仪等。它可以测量LTE从基带到射频系统的各个阶段的数字或模拟信号。它支持结合安捷伦EXA和MXA信号分析仪的2X2 MIMO分析，基于VXI的矢量信号分析和一系列示波器。它还支持与安捷伦ADS TD-LTE无线库的连接。

      总体上说，LTE特别是TD-LTE，带给了开发者、设计者以及测试厂商新的挑战包括新的RF调制方案、MIMO天线配置、更高的系统带宽和容量以及低延迟、数字及RF域的新测量方法，还有如何让系统和测试开发者通过学习快速掌握这些测试要点等等。分析指出，预计未来五年内将有3千万到8千万的LTE用户以及超过1千亿美元的业务收入，这些都要求LTE技术必须成功地推出。