LTE系统核心技术剖析及eNodeB测试方案探讨

1 引言

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 系统的广泛应用满足了用户对数据业务的需求，有效提高了通话质量和数据速率。然而，宽带接入技术的出现及普及，Wi-Fi，WiMAX系统高数据速率的优势，对UMTS系统带来很大的冲击。这使得UMTS系统数据速率不高、时延较长、网络结构复杂等不足愈加明显。因此，3GPP(3rd Generation Partnership Project)提出的UMTS的长期演进计划(LTE)，通过提供一个以高速率和低时延为特征的分组优化系统来保证UMTS在未来10年的竞争力和领先性。

为实现此目标，LTE系统相对于UMTS系统引进了多项关键新技术，这使得LTE系统在物理层技术，网络结构及协议架构等方面都发生了相应的改进，并且核心网也需要相应的升级来支持LTE系统。因此，LTE系统不仅是对UMTS系统的演进。LTE系统中eNodeB设备的测试工作也具有更高的挑战。测试作为移动通信产业链中重要的一环，位于产业链的上游，是整个无线通信系统正常工作与维护的根本保证。因此，对eNodeB设备的测试方法及测试用例的研究势在必行。

2  LTE系统的核心新技术

LTE是3GPP为适应时代需求而提出的新的移动宽带接入标准，为此3GPP规定了LTE系统的各项技术指标并引入了多项核心新技术。

LTE系统的主要技术指标与HSPA系统的对比参见表1。

表1  LTE系统的主要技术指标



为了达到高数据速率和高频谱利用率，LTE系统在上下行分别利用了SC-FDMA和OFDM调制技术。它们将整个系统带宽分裂为大量子载波，并支持多种调制方式如QPSK，16QAM及64QAM。LTE系统同时指定了MIMO技术的不同模式，适应于不同的信噪比条件。LTE工作频率从700MHz到3GHz，信道带宽从1.5MHz到20MHz，为网络运营商提供了灵活的频带配置方式。LTE系统引入的核心新技术总结如下：

2.1  OFDM/OFDMA

LTE中传输技术采用OFDM调制技术，其原理是将高速数据流通过串并变换，分配到传输速率较低的若干个相互正交的子信道中进行并行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展产生的时间弥散性对系统造成的影响。在OFDM符号之间插入保护间隔，使保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，从而最大限度地消除由多径引起的符号间干扰(ISI)。在LTE系统中采用循环前缀CP (Cyclic Prefix)作为保护间隔，CP的长度决定了OFDM系统的抗多径能力和覆盖能力。长CP利于克服多径干扰，支持大范围覆盖，但系统开销会相应增加，导致数据传输能力下降。3GPP定义了长短两套循环前缀方案，根据具体的使用场景进行选择；短CP方案为基本项，长CP方案用于支持LTE系统中大范围覆盖和多小区广播业务。

LTE规定了下行采用OFDMA，上行采用SC-FDMA的多址方案，这保证了使用不同频谱资源用户间的正交性。OFDMA中一个传输符号包括并行传输的M个正交的子载波，而在SC-FDMA机制中M个正交子载波以串行方式进行传输，降低了信号较大的幅度波动，降低了峰功比。 此外，为了保证上行多用户之间的正交性，要求各用户的上行信号在CP长度的误差范围之内同时到达eNodeB，因此eNodeB需要根据用户远近位置来调整各用户的发射时间。

LTE系统对OFDM子载波的调度方式也更加灵活，具有集中式和分布式两种，并灵活地在这两种方式间相互转化。上行除了采用这种调度机制之外，还可以采用竞争(Contention)机制。

2.2  MIMO

MIMO技术是提高系统速率的主要手段，LTE系统分别支持适应于宏小区、微小区、热点等各种环境的MIMO技术。 基本的MIMO模型是下行2×2，上行1×2天线阵列，LTE发展后期会支持4×4的天线配置。目前，下行MIMO模式包括波束成行，发射分集和空间复用，这3种模式适用于不同的信噪比条件并可以相互转化。波束成型和发射分集适用于信噪比条件不高的场景中，用于小区边缘用户有利于提高小区的覆盖范围；空间复用模式适用于信噪比较高的场景中，用于提高用户的峰值速率。在空间复用模式中同时发射的码流数量最大可达4；空间复用模式还包括SU-MIMO(单用户)和MU-MIMO(多用户)，两种模式之间的切换由eNodeB决定。上行MIMO模式中根据是否需要eNodeB的反馈信息，分别设置开环或闭环的传输模式。

2.3  E-MBMS

3GPP提出的广播组播业务不仅实现了网络资源的共享，还提高了空中接口资源的利用率。LTE系统的增强型广播组播业务E-MBMS(Enhanced Multimedia Broadcast/Multicast Service)不仅实现了纯文本低速率的消息类组播和广播，更重要的是实现了高速多媒体业务的组播和广播。为此，对UTRA做出了相应的改动：增加了广播组播业务中心网元(BM-SC)，主要负责建立、控制核心网中的MBMS的传输承载，MBMS传输的调度和传送，向终端设备提供业务通知；定义了相关逻辑信道用于支持E-MBMS。

从业务模式上，MBMS定义了两种模式，即广播模式和组播模式。这两种模式在业务需求上不同，导致其业务建立的流程也不同。

从操作方式上，单频网(SFN，Same Frequency Network)和非单频网操作共存于同一小区，其中单频网操作将支持多小区传送；非单频网操作只支持单小区传送。

在网络规划上，3GPP定义了两种网络部署：一种是LTE E-MBMS与LTE 单播系统共用载波；另一种部署方式是LTE E-MBMS 采用专用下行载波。专用载波方式将以5MHz带宽为基本项，也将支持其他带宽的专用载波的能力，但不能支持多种带宽共存的模式。在广播模式下，5MHz的带宽至少支持16个频道，每频道达300kbit/s的速率，小区边缘的频谱效率为1bit/s/Hz。

2.4  网络结构及协议

LTE系统的网络结构与UTRAN相比，去掉了RNC，而只由若干个eNodeB组成，简化网络并减少时延。多个eNodeB通过X2接口相互连接，eNodeB通过S1接口连接到演进型分组核心EPC(Evolved Pocket Core)。具体来讲， S1-MME接口连接到移动性管理实体MME(Mobile Management Entity)，S1-U接口连接到SAE网关，其中S1接口支持eNodeB和MME/SAE网关之间多对多链接（见图1）。eNodeB的功能在原有NodeB功能的基础上，增加了RNC物理层，MAC层，RRC，调度，接入控制，承载控制，移动性管理和inter-cell RRM等功能。



图1  LTE系统的网络结构

LTE系统的协议栈结构与URTAN同样分为用户面(PDCP/RLC/MAC/ PHY)和控制面(RRC)协议。层2包括媒体接入控制协议(MAC)、无线链路控制协议(RLC)，以及分组数据汇聚协议(PDCP)；层3包括无线资源控制协议 (RRC)。空中接口的层1和层2协议在用户设备和eNodeB中终止；控制平面中的层3协议也在用户设备和eNodeB中终止；控制平面的非接入层(NAS)协议在用户设备和核心网的移动管理实体(MME)中终止（见图2）。



图2  LTE系统协议栈结构

LTE系统中的无线资源控制(RRC)状态相比于UTRA系统也简化了许多，只包含RRC_IDLE，RRC_ACTIVE和RRC_DETACHED 3种。在aGW网元中，UE的上下文必须区分这3种状态，而在E-Node B中合并了原先的多种状态只保留RRC_ACTIVE状态的UE上下文。

2.5  其他

为了提高小区容量及边缘的传输速率，LTE系统提出了小区间干扰协调机制，并设计了静态干扰协调以及动态干扰协调技术。在功率控制机制上，设定小区边缘用户的目标SINR(信噪比)低于小区中心的目标SINR，进一步减少对相邻小区边缘用户干扰，从而获得更大的系统容量。

为了实现低时延的目标，LTE系统大的小区搜索过程和随机接入过程做了相应的简化，并提供了更加灵活的形式。

为了实现与现有3GPP和非3GPP的兼容，LTE系统采用快速小区选择(即快速硬切换)方法实现不同频段之间各系统间的切换，实现更好的地域覆盖和无缝切换；此外，核心网的设计也发生了相应的改变，增加了SAE和3GPP模块，实现了LTE系统与3GPP和非3GPP系统的兼容。

LTE系统提出了上下行多种不同的参考信号RS (Reference signal)，不同的参考信号在子帧中有不同的位置和配置，实现不同的导频功能，以及不同模式下的信道质量测量。

综上所述，LTE系统相比于UTRA系统引进了多项核心新技术，发生了根本性的变革，因此对LTE系统中eNodeB设备的测试也将面临着很多新的挑战。在测试用例方面，将增加很多新的用例用于覆盖并验证LTE系统中新的技术及配置；相应地，测试方法也将发生新的变化。

3  LTE系统中eNodeB测试关注点

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，并实现测试有效性的提高，我们对eNodeB关键技术点的测试势在必行。我们对eNodeB测试的关注点主要在于：

（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，这也将是eNodeB的测试重点之一。[page]

（2）MIMO各种模式分别保证了LTE高峰值速率和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不同模式的测试也将是保证LTE系统的性能优势的必要测试。

（3）LTE系统引入了多载波技术，LTE系统对信道带宽内子载波的灵活调度及分配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也是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也是必须的。

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

4  LTE系统中eNodeB测试挑战

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），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1.25~20MHz灵活配置，使得eNodeB硬件的设计及测试都具有很大的挑战；LTE系统提出了更高的性能需求指标，引入了如OFDM，MIMO等多项关键新技术，因此在研发过程中，eNodeB测试也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。完整的LTE测试还将包括协议和物理层的测试，这个过程需要上下行的交互，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协议测试也可以采用模拟的终端和核心网实体，采用信道模拟器模拟设备在实际网络环境中的性能，实现对小区中央及边缘位置的信号强度的模拟，从而减小实地测量的需求。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)/EDGE(增强型数据速率GSM演进技术)，TD-SCDMA，WCDMA/HSPA，cdma2000，1×RTT/EV-DO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也较以前更加重要、复杂。完备的eNodeB测试环境如图3所示。如果采用模拟的测试环境，则还需要相应的应用程序作为支撑，如LTE 终端/核心网的加载测试应用程序等，模拟的完全测试环境如图4所示。因此，eNodeB全备的测试环境及测试内容将包括：



图3  LTE eNodeB 设备测试完整环境



图4  LTE基站设备测试的模拟测试环境

（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，PIv6，IPSec。

●QoS (quality of service)分析。

●QoE (quality of equipment) 测量。

（3）对eNodeB设备的软件、硬件及无线指标测试。

（4）负面测试：验证系统在错误条件下的行为。

（5）安全性验证。

5  LTE系统中eNode B的测试用例及测试方法

为了保证无线通信系统的正常运行，必须对基站设备进行覆盖各个方面的测试。完整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（见图5）。无线指标测试、软件测试以及硬件测试彼此相互补充，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。LTE系统中eNodeB设备的全备性测试也包括上述几类测试内容。




图5  基站设备测试的分层结构

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，存在着部分通用的测试方法和测试用例。由于LTE系统中eNode B具有一些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。

5.1  无线指标测试

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，把信道带宽划分为了很多正交子载波，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无线性能指标。

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器件的非理想特性，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。

下文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)，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。

设Z为实际发射的符号矢量；S为理想基准信号矢量，则幅度误差为，相位误差为Φ；根据余弦定理，误差矢量误差的表达式为：（1）

从而单个符号的EVM为： (2)

EVM的最终测量值为：  (3)

综上可知，EVM的大小由相位噪声和幅度误差的大小共同决定（见图6）。



图6  误差矢量幅度及相关矢量归一化示意图

在单载波网络中， EVM产生的原因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。[page]

图7描述了基站设备中常用的微波放大器的幅相转移特性。由图可见，输出信号的相位随输入信号功率的增大会产生严重的相位失真。因此，不同振幅的电平将产生不同的相位偏移，造成不同程度的相位失真，从而影响EVM的测量值。



图7  实际测量的微波放大器的幅相特性

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。为了有效评估硬件设备的非理想因素，需要将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，因此本文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。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。表2表示了本文所建议的各项测试用例的新测试方法。

表2  LTE系统中关键无线指标测试用例及测试方法



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，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)。由于OFDM符号周期较长，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%。此外，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；但不同的调制方式对接收端的灵敏度影响不同；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。

5.2  软件测试

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和性能测试（如峰值吞吐量和时延测试等）。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，因此本节将针对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。eNodeB的特性测试的具体测试用例及方法实例如表3所示。

表3  LTE系统中基本功能测试的关键测试用例及测试方法



5.3  硬件测试

在通常情况下，基站设备最重要的硬件组成部分是基带单元和射频单元，此外还包括操作维护平台以及可调电源等。基站设备的硬件测试主要包括基带单元和射频单元的功能测试。基带单元的测试包括，基带单元所支持的最大扇区数或基带单元所能支持的射频单元的最大数目；基带单元所支持的调制方式是否满足系统需求；对于同步通信系统，需要验证不同基站设备的基带单元之间是否同步，是否与GPS同步等。射频单元的测试包括，射频单元的工作频带和带宽，在该工作频带和带宽内是否能建立与终端的无线链接，是否能调度该带宽内的资源；射频单元的总射频输出功率是否满足规范的规定值；射频单元的功率效率等。此外，硬件测试还包括基带单元与射频单元之间接口测试。

LTE的提出使网络运营商面临着eNodeB站点选择及配置的严峻问题，因此eNodeB与2G，3G基站共站、共址成为了最优解决方案。但是，eNodeB与2G，3G基站之间的干扰问题成为了亟待解决的关键性问题。因此，在LTE系统中eNodeB的硬件测试中，共站、共址条件之间的抗干扰性能是重要的测试项之一。此外，有研究提出，在多种通信制式共存条件下，建议采用软件配置实现不同的无线通信制式，提高硬件资源的利用率，实现各种通信制式的灵活配置，降低了重复建站的工程量。

eNodeB设备的硬件测试还应包括安全性和健壮性的通用测试项。其中，安全性是指基站设备的设计具备安全性，不会对操作人员带来身体伤害；健壮性是指基站设备在一些恶劣环境中正常工作。

结束语

本文分析了eNodeB的无线指标测试，硬件测试和软件测试的测试用例和测试方法，重点研究了无线指标测试中的EVM指标；分析了EVM产生的原因以及影响EVM指标的客观因素，在此基础上，提出了将EVM指标与功率相结合的有效测试方法，并建议了相关测试项与EVM测试相结合的具体测试方法，实现了对EVM的有效测试并保证eNodeB在正常工作过程中的性能。