大講解PATHRROT X2信道模擬器在NB-IoT測(cè)試中的應(yīng)用

本應(yīng)用指南首先回顧了窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，然后介紹了信道模擬器在NB-IoT測(cè)試中的應(yīng)用，最后介紹了使用Pathrrot X2進(jìn)行NB-IoT測(cè)試的方法。

一、引言

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的迅速發(fā)展催生了巨大的通信需求，其中基于第四代蜂窩移動(dòng)通信LTE技術(shù)的NB-IoT，在市場(chǎng)上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。NB-IoT具有廣覆蓋、大連接、 低功耗、 低成本四大特性，隨著NB-IoT終端設(shè)備的數(shù)量和密度上大幅增加，其設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)、認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)部署等面臨諸多挑戰(zhàn)。由于無(wú)線通信信道的復(fù)雜性，信道模擬器在NB-IoT基站和終端設(shè)備的評(píng)估中起著至關(guān)重要的作用。

Pathrrot X2 信道模擬器廣泛支持常用的信道模型，支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中提出的各種信道模型，特別提供專為NB-IoT設(shè)計(jì)的信道模型，為應(yīng)對(duì)NB-IoT無(wú)線信道仿真提供了強(qiáng)有力的測(cè)試手段。同時(shí)，該信道模擬器具有第三方模型接口，支持用戶自定義模型的加載，提供定制模型開(kāi)發(fā)。總之，Pathrrot X2契合NB-IoT的諸多測(cè)試要求，可以廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)與模塊測(cè)試。

本應(yīng)用指南首先回顧了NB-IoT技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，然后介紹了信道模擬器在NB-IoT測(cè)試中的應(yīng)用，最后介紹了使用Pathrrot X2進(jìn)行NB-IoT測(cè)試的方法。

二、NB-IoT技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）顧名思義就是連接物品的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)各種信息傳感設(shè)備，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程等各種需要的信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。技術(shù)的不斷發(fā)展使得基于IoT的構(gòu)建模塊在市場(chǎng)上得到越來(lái)越多的應(yīng)用，例如智能家居與智慧停車(chē)；在世界各地，以IoT為核心的智能城市的規(guī)劃與建設(shè)如火如荼。

具體來(lái)說(shuō)，IoT包括多種實(shí)現(xiàn)方法，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是其中重要分支之一。NB-IoT同時(shí)也是低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）的一種，工作于授權(quán)頻譜下，是獲得3GPP支持的窄帶蜂窩通信技術(shù)，只消耗大約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。

對(duì)于電信運(yùn)營(yíng)商而言，車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智能穿戴、智慧醫(yī)療、智慧農(nóng)業(yè)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將產(chǎn)生海量連接，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人與人之間的通信需求，據(jù)估計(jì)即將面世的智能物件數(shù)量可達(dá)300億。NB-IoT也因此具有以下幾個(gè)重要特點(diǎn)，1）廣覆蓋，室內(nèi)覆蓋增強(qiáng)，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20dB，即提升了100倍的覆蓋能力；2）大連接，單個(gè)小區(qū)支持5萬(wàn)個(gè)終端的接入，支持低延時(shí)敏感度和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；3）低功耗，終端使用壽命可達(dá)10年；4）低成本，每一終端模塊的成本不超過(guò)5美元。

和傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)相比，NB-IoT設(shè)備在數(shù)量和密度上的大幅增加，帶來(lái)了一系列的挑戰(zhàn)，研發(fā)人員必須解決這些挑戰(zhàn)，才能確保這些設(shè)備的成功實(shí)現(xiàn)。

三、信道模擬器在NB-IoT中的應(yīng)用

在原型研發(fā)階段，工程師往往習(xí)慣于采用終端（或終端模擬器）和基站（或基站模擬器）直接相連的方法來(lái)測(cè)試NB-IoT設(shè)備的功能和性能，然而NB-IoT的實(shí)現(xiàn)主要依賴于無(wú)線通信，上述方法忽略了信道的復(fù)雜性，使得終端在投放到實(shí)際場(chǎng)景中時(shí)性能變差，甚至出現(xiàn)不工作的極端現(xiàn)象；也就是說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)實(shí)際無(wú)線信道的模擬將極大地影響終端設(shè)備的工作效果。在NB-IoT的終端和基站的研發(fā)過(guò)程中應(yīng)用信道模擬器，會(huì)使測(cè)試更加接近實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，易于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而降低可能產(chǎn)生的后續(xù)成本。

根據(jù)待測(cè)設(shè)備（DUT）的不同，信號(hào)模擬器主要可以應(yīng)用于以下兩種情況。

3.1 基站和終端性能測(cè)試

a） 基站性能測(cè)試

圖1：NB-IoT基站性能測(cè)試

在實(shí)際應(yīng)用中，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積比LTE大百倍，終端所處位置條件可能比較偏僻，比如終端處于室內(nèi)角落、停車(chē)場(chǎng)或者地下管道中，并且終端由于低功耗的要求，信號(hào)發(fā)射功率、持續(xù)時(shí)間有很大差異，基站是否可以正常接收復(fù)雜環(huán)境下多樣化的終端發(fā)射信號(hào)，這是NB-IoT基站設(shè)備廠商和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商最關(guān)心的問(wèn)題之一。

如圖1所示的測(cè)試方案，通過(guò)應(yīng)用信道模擬器，設(shè)置所需的信道條件——選擇信道模型、場(chǎng)景、用戶移動(dòng)速度等，來(lái)測(cè)試NB-IoT基站在超大路徑損耗的衰落信道條件下的接收性能，如RRC協(xié)議基本功能測(cè)試、上下行吞吐量測(cè)試等。

b） 終端性能測(cè)試

圖2：NB-IoT終端基本性能測(cè)試

類似地，NB-IoT終端所處位置條件比較偏僻時(shí)，所接收到的基站信號(hào)常常較為微弱，例如當(dāng)終端位于地下管道中，隨著管道深度的增加，損耗增大，信號(hào)入射角度與頻率不同導(dǎo)致了不同程度的損耗。此時(shí)需要對(duì)終端的工作效果進(jìn)行評(píng)估，主要包括基本射頻性能測(cè)試、物理層關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試以及RRM性能測(cè)試等。如圖2所示，通過(guò)應(yīng)用信道模擬器，選擇所需的信道模型、場(chǎng)景、用戶移動(dòng)速度等，設(shè)置信道條件，來(lái)測(cè)試NB-IoT終端在超大路徑損耗條件下的基本接收性能，包含協(xié)議一致性測(cè)試、物理層關(guān)鍵技術(shù)測(cè)試、射頻性能指標(biāo)測(cè)試、衰落信道下單用戶的上下行吞吐量測(cè)試等。

c） 上下行吞吐量測(cè)試?yán)?/p>

下面給出一個(gè)利用信號(hào)模擬器進(jìn)行上下行吞吐量測(cè)試的測(cè)試?yán)?-2］。

圖3：NB-IoT吞吐量測(cè)試流程

3.2 終端功耗測(cè)試

圖4：NB-IoT終端功耗測(cè)試

NB-IoT終端由電池供電，且目標(biāo)使用壽命為10年左右，因此在研發(fā)過(guò)程中還必須專門(mén)對(duì)終端的功率進(jìn)行評(píng)估。如圖4所示為創(chuàng)遠(yuǎn)儀器基于信道模擬器給出的NB-IoT終端功耗測(cè)試方案，采用集成恒壓源和電流分析儀，具有高動(dòng)態(tài)范圍，適應(yīng)NB-IoT各種工作模式?？稍O(shè)置信道模擬器產(chǎn)生所需的信道條件，例如SCME-B信道模型、UMa NLOS場(chǎng)景、用戶移動(dòng)速度為3 km/h，測(cè)試如下幾項(xiàng)功耗：

? 待機(jī)功耗，即終端不開(kāi)啟eDRX、不開(kāi)啟PSM；

? 休眠功耗，即開(kāi)啟eDRX、開(kāi)啟PSM；

? 下載功耗，即CP模式和UP模式下，接收N字節(jié)數(shù)據(jù)包的耗電量。

圖5：NB-IoT終端待機(jī)/休眠功耗測(cè)試流程

圖6：NB-IoT終端下載功耗測(cè)試流程

四、使用Pathrrot X2 進(jìn)行信道仿真的測(cè)試

Pathrrot X2 信道模擬器是創(chuàng)遠(yuǎn)儀器基于國(guó)家科技重大專項(xiàng)成果轉(zhuǎn)化的高端無(wú)線通信測(cè)量?jī)x器，廣泛支持各類信道模型，具有射頻指標(biāo)優(yōu)異、用戶體驗(yàn)友好等特點(diǎn)，適合于在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行各種外場(chǎng)環(huán)境的模擬測(cè)試。

利用Pathrrot X2 信道模擬器，使得NB-IoT終端和基站設(shè)備的原型評(píng)估過(guò)程更接近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，有助于工程師發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，增強(qiáng)設(shè)備可用性，并有效降低可能產(chǎn)生的后續(xù)成本。通過(guò)使用信道模擬器，NB-IoT設(shè)備的開(kāi)發(fā)者不僅能獲得更快的產(chǎn)品上市時(shí)間，而且能增加設(shè)備在市場(chǎng)上成功推廣的可能性。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)：

? 優(yōu)異的射頻性能，基于創(chuàng)遠(yuǎn)儀器高性能通用儀表平臺(tái)研制，可連續(xù)覆蓋較寬頻率范圍，同時(shí)具有大動(dòng)態(tài)輸入輸出功率范圍，能夠滿足不同用戶的需求

? 支持Constant、Rayleigh、Rice等通用信道模型和ITU、3GPP等國(guó)際組織提出的標(biāo)準(zhǔn)信道模型，提供NB-IoT定制信道模型

? 獨(dú)創(chuàng)專利技術(shù)，支持高動(dòng)態(tài)雙向信號(hào)模擬

? 靈活可配的通道數(shù)，既支持SISO，也支持多端口MIMO，滿足客戶的不同需求

? 開(kāi)放性的接口，支持自定義信道模型，便于用戶進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)

? 優(yōu)異的交互體驗(yàn)，采用圖形化用戶界面，支持全觸控