LTE TDD測(cè)試介紹及Rohde & Schwarz 解決

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(gè)焦點(diǎn)，特別是對(duì)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(zhǎng)時(shí)間的生命力，以及我國(guó)的自主創(chuàng)新戰(zhàn)略究竟能走多遠(yuǎn)。2007年11月，3GPPRAN151會(huì)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(duì)這些設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要的描述與討論。

無線幀結(jié)構(gòu)

因?yàn)門DD采用時(shí)間來區(qū)分上、下行，資源在時(shí)間上是不連續(xù)的，需要保護(hù)時(shí)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(gè)長(zhǎng)度為1ms的子幀，每個(gè)子幀由兩個(gè)長(zhǎng)度為0.5ms的slot組成。 在TDD Type2中，10ms的無線幀由兩個(gè)長(zhǎng)度為5ms的半幀組成，每個(gè)半幀由5個(gè)長(zhǎng)度為1ms的子幀組成，其中有4個(gè)普通的子幀和1個(gè)特殊子幀。普通子幀由兩個(gè)0.5ms的slot組成，特殊子幀由3個(gè)特殊時(shí)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(gè)特殊時(shí)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(shí)間間隔。，三個(gè)特殊時(shí)隙的總長(zhǎng)度固定為1ms，而其各自的長(zhǎng)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(shí)間分配

TDD另外一個(gè)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(shí)間上是連續(xù)的；而TDD依靠時(shí)間來區(qū)分上下行，所以其單方向的資源在時(shí)間上是不連續(xù)的，時(shí)間資源在兩個(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)間上存在多個(gè)隨機(jī)接入信道（頻分）是TDD上下行時(shí)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(shí)刻只允許一個(gè)隨機(jī)接入信道的存在，即僅在時(shí)間域上改變隨機(jī)接入信道的數(shù)量。而在TDD中，時(shí)間資源已經(jīng)在上下行進(jìn)行了分配，同時(shí)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(shí)間位置上采用不同頻率的區(qū)分提供多個(gè)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(shí)，下行數(shù)據(jù)與上行的ACK/NAK之間可以建立一對(duì)一的對(duì)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(duì)應(yīng)的時(shí)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(duì)應(yīng)的關(guān)系，所以這些都需要進(jìn)行針對(duì)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(gè)ACK/NAK完成對(duì)前續(xù)若干個(gè)下行數(shù)據(jù)的反饋，這樣就解決了上下行時(shí)隙不對(duì)稱帶來的反饋問題。在另一個(gè)方面，同時(shí)還減小了數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延，數(shù)據(jù)無需再等待到下一個(gè)上行時(shí)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(hào)”和“輔同步信號(hào)”。在兩種幀結(jié)構(gòu)中，同步信號(hào)具有不同的位置：在FDDType1中兩個(gè)同步信號(hào)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(hào)位于子幀0的末尾，主同步信號(hào)位于特殊子幀，即DwPTS的第三個(gè)符號(hào)。在兩種幀結(jié)構(gòu)中，同步信號(hào)在無線幀中的絕對(duì)位置不相同，更為重要的是，主、輔同步信號(hào)的相對(duì)位置不同：在FDD中兩個(gè)信號(hào)連接在一起，而在TDD中兩個(gè)信號(hào)之間有兩個(gè)符號(hào)的時(shí)間間隔。由于同步信號(hào)是終端進(jìn)行小區(qū)搜索時(shí)最先檢測(cè)的信號(hào)，這樣不同的相對(duì)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(cè)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(duì)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(zhǎng)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(shí)隙的設(shè)計(jì)相關(guān)的，如同圖中所描述的，短RACH在特殊時(shí)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(shí)，需要注意的一個(gè)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(zhǎng)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(duì)較低，相應(yīng)的適用于覆蓋半徑較小的場(chǎng)景（根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同，約700m～2km）。

R&S LTE TDD測(cè)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(duì)于測(cè)試就提出了新的要求?；谠?G測(cè)試領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)先地位，Rohde & Schwarz 對(duì)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L(zhǎng)TE FDD，而且也可以為L(zhǎng)TE TDD無線設(shè)備研發(fā)提供了完整的測(cè)試產(chǎn)品線。這些產(chǎn)品包括功率計(jì)，頻譜分析儀，信號(hào)源，無線綜測(cè)儀，協(xié)議測(cè)試儀和射頻一致性測(cè)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(jí)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(shí)保持了高度的靈活性，軟件會(huì)定期更新，確保測(cè)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(duì)在LTE早期的研發(fā)中一些重要的測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行介紹：

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

如何對(duì)不同的MIMO模式進(jìn)行進(jìn)行測(cè)試，

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

LTE信號(hào)產(chǎn)生

LTE的測(cè)試首先需要模擬LTE射頻信號(hào)，并且研究其統(tǒng)計(jì)特性。對(duì)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(duì)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(hào)特性需要進(jìn)行特別的研究。LTE信號(hào)模擬中的一些通常設(shè)置包括頻率、帶寬、LTE信號(hào)包含資源塊的數(shù)目、天線配置、參考信號(hào)序列配置、下行同步信道配置、循環(huán)前綴長(zhǎng)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R&S SMx-K55用于R & S公司的信號(hào)源，諸如R&S SMU200A, R&S SMJ100A 和 R&S 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(hào)，用于元器件性能測(cè)試以及基站和移動(dòng)終端的接收機(jī)測(cè)試。下圖顯示了LTE TDD信號(hào)的設(shè)置以及圖形顯示資源分配圖。

此外R&S還提供了高性能的雙通道基帶信號(hào)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(hào)，用于LTE研發(fā)早期基帶信號(hào)的模擬。而通過一款R&S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(hào)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(shí)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(cè)試場(chǎng)景，快速的進(jìn)行測(cè)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(cè)試：例如參考符號(hào)，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(gè)子幀。

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

LTE信號(hào)分析

其次在LTE信號(hào)的射頻分析方面，由于LTE信號(hào)采用了新的接入方式OFDMA，信號(hào)帶寬最高可達(dá)20MHZ，這些對(duì)于信號(hào)的頻域分析和調(diào)制域分析都提出了更高的要求。R&S FSQ 和 R&S FSG 信號(hào)分析儀能分析3GPP LTE 基站或者移動(dòng)電話的發(fā)射機(jī)模塊。信號(hào)分析選件 R&S FSQ-K101 和R&S FSQ-K105支持LTE FDD和TDD射頻調(diào)制信號(hào)的測(cè)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(shí)延等測(cè)量結(jié)果。選件 R&S FSQ-K100和R&S FSQ-K104可用于分析 3GPP LTE下行信號(hào)， 跟上行信號(hào)選件類似，該選件能在頻域，時(shí)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(hào)進(jìn)行測(cè)量。

如需測(cè)量LTE基帶信號(hào)，不管是平衡還是非平衡的，都可使用R&S FSQ 的模擬(R&S FSQ-B71)和數(shù)字 (R&S FSQ-B17) 基帶輸入選件來完成。同時(shí)R&S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(hào)。

此外如果想對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行分析的話，R&S在高端信號(hào)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(duì)任意OFDM信號(hào)進(jìn)行分析的需求。

LTE MIMO測(cè)試

R&S公司的射頻信號(hào)發(fā)生器SMU200A，或基帶信號(hào)發(fā)生器AMU200A，都可以使用單臺(tái)儀表進(jìn)行MIMO接收機(jī)測(cè)試。這兩款信號(hào)發(fā)生器都配置兩個(gè)信號(hào)源，加裝R&S SMU-K74或者AMU-K74選件后，就可以實(shí)時(shí)模擬2×2MIMO系統(tǒng)所需的4個(gè)衰落信道，從而對(duì)2×2 的MIMO接收機(jī)進(jìn)行測(cè)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(tái)或四臺(tái)R&S的信號(hào)分析儀FSQ或FSG連接起來，R&S可以提供2x2和4x4的MIMO信號(hào)分析，此時(shí)只需在一臺(tái)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(cè)試

LTE協(xié)議棧的測(cè)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(dòng)性等。和2G，3G系統(tǒng)的互操作性測(cè)試是對(duì)LTE的另外一個(gè)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(cè)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(gè)參數(shù)配置的多種測(cè)試場(chǎng)景來進(jìn)行LTE協(xié)議棧的測(cè)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(shí)間控制和功率控制等。而且這些過程有著很嚴(yán)格的定時(shí)要求。因此也需要對(duì)物理層進(jìn)行完全測(cè)試來保證LTE的性能。

基于Rohde & Schwarz 在UMTS LTE協(xié)議棧測(cè)試領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，R&S 推出了LTE協(xié)議測(cè)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(cè)試，性能測(cè)試和互操作測(cè)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(gè)階段中帶來多重好處。而且它還有一個(gè)可供選擇的用于PC機(jī)上的軟件方案，可以支持個(gè)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(gè)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(cè)試和優(yōu)化，從而加快產(chǎn)品的上市時(shí)間。

通過在CMW500上配置CMW-KP500 MLAPI和CMW-KP501 LLAPI，R&S提供了協(xié)議棧測(cè)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(duì)協(xié)議棧進(jìn)行靈活測(cè)試，而且這樣的測(cè)試是和后期的一致性測(cè)試完全兼容的，可以節(jié)省后期測(cè)試的時(shí)間和成本。