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载波聚合的测试新视野
更快更复杂的并联测试

【作者: 王岫晨】2017年04月12日 星期三

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4G LTE-Advanced是3GPP开发的LTE(Long Term Evolution,长期演进计画)演进版本,旨在达到或超过国际电信联盟(ITU)的要求,建立真正的第四代无线通讯标准,即IMT-Advanced 。 3GPP标准的LTE-Advanced在第10版及其后的所有版本中定义,包括第12版。 LTE-Advanced Pro新增了许多于第13版(2016年3月公布)和后续标准中定义的多项新功能。


LTE在第三代行动通讯组织(3GPP)中已经达到成熟的阶段。目前规格上的变动目的都仅限于部分技术内容更正。在2009年底,LTE动通信系统已经开始布署如同GSM和UMTS的演进。国际电信联盟(ITU International Telecommunication Union)创立一个新的名词IMT-advanced,用来规范新的行动通信系统之能力超过目前现有符合IMT-2000的行动通信系统。特别在资料量传输速度方面要求有大幅的增加。


为了支持先进的服务及应用,资料传输率在高速移动时要求达到100Mbps,低速移动时要能达到1Gbps。在2009一整年,第三代行动通讯组织(3GPP)一直在研究如何针对LTE标准改善,以符合IMT-advanced的需求。


在2009年九月,3GPP向国际电信联盟(ITU)提出一个正式提案LTE Release 10 ,也就是LTE-Advanced应该被评估为IMT-advanced 候选标准。在2010 十月,LTE-Advanced(LTE-A)在国际电信联盟无线电通信部门(ITU-R)成功地完成评估程序符合甚至超过IMT-advanced要求,成为被承认的4G技术。


LTE-A载波聚合

LTE-Advanced第 10 版标准中主要的新功能包括载波聚合(CA)、增强的多天线技术使用、增强型上行链路,并支援中继节点(RN)。第 11 版标准接续了第 10 版的工作,并且增加了新的频段和新的频段组合,同时还支援可协调的多点运作。第 12 版标准增加了紧急和安全服务所需的 LTE 技术,并进一步开发预订于第 13 版标准发布的关键任务一键通(MC-PTT)和其他功能。


其他重要特性包括小细胞和网路浓缩、D2D、LTE TDD-FDD 运作,包括载波聚合、适用于 3GPP 节点的安全保证方法(SECAM),以及与 WiFi 的整合。 LTE-Advanced中主要技术元件包含载波聚合(CA),强化单载波多重存取技术(Enhanced SC-FDMA)、强化细胞间干扰协调技术(Enhanced ICIC)、强化MIMO架构(Enhanced MIMO schemes),以及转发机制(Relaying)。其中转发机制并没有在Release 10被定义完成,故被移到Release 11中再讨论。


3GPP标准第10版定义的载波聚合(CA)是LTE-A非常重要的新特性,可将多个LTE载波合并为一个较大的单通道频宽,以便提升新装置的资料传输速率。有些电信业者仅分配到极为有限或分段的频谱。利用载波聚合技术,他们便可因应终端用户不断升高的资料传输需求。


LTE-Advanced标准的目标之一是维持与早先的LT E版本的相容性。因此LTE-Advanced的载波聚合方式基于早期3 GPP第8版标准所定义的载波,以便让现有的LT E装置仍然能够继续正常运作,同时让新的装置能够透过载波聚合来支援更高的资料传输速率。


3 GPP第8版标准所定义的LTE载波称为子载波(CC),载波聚合支援最多5个子载波合并,以实现100MHz的理论最大频宽。大多数LTE-FDD网路业者获准使用的频谱无法支援最宽频宽,因此通常选择使用5或10MHz的频宽来执行载波聚合。在分频双工(FDD)LTE-Advanced系统中,上行链路聚合子载波数量一定要少于或等于下行链路聚合子载波数量。相聚合的两个载波,其频宽可以不同,例如5MHz载波可以与10MHz载波聚合,这是蛮常见的情形。


在分时双工(TDD)系统中,上行链路和下行链路则共用同一频段。根据第10版标准的要求,TDD系统上行链路与下行链路的聚合子载波数量以及子载波频宽必须一致。而3GPP第11版修订了上述定义:支援TDD在不同频段上,使用不同的上行链路和下行链路配置。


LTE-Advanced第10版标准定义了两类载波聚合:频段内载波聚合和频段间载波聚合。频段内载波聚合的子载波,占用同一LTE频段中的不同通道。这些通道可以是连续(相邻)通道,也可以是非连续通道,甚至是连续和非连续通道的组合(适用于3个或以上子载波聚合的情形)。


有些晶片组使用单一接收器来支援上述特性。而频段间载波聚合的子载波处于不同频段,因此需要使用两个或更多接收器来实现。这类载波聚合的成本较高,却是电信业者最喜欢使用的方式,因为这类载波聚合可以利用不同频段中的离散频谱资源。


LTE-Advanced网路支援仅下行链路聚合,或是下行与上行链路的同时载波聚合,不过初期只会在下行链路中部署载波聚合,因为下行封包资料传输的需求较为迫切。



图一 : 载波聚合可合并多个LTE载波可以提升单通道频宽,进而提高资料速率和处理速度,以极致利用可用频谱。
图一 : 载波聚合可合并多个LTE载波可以提升单通道频宽,进而提高资料速率和处理速度,以极致利用可用频谱。資料來源:qualcomm.com (资料来源:qualcomm.com)

载波聚合带来测试新挑战

载波聚合为LTE终端设备(UE)制造商带来了新的挑战:尽管载波聚合技术不会产生新的测试项目,但无疑会增加测试时间和复杂性。与其他蜂巢式行动装置一样,生产支援载波聚合的终端设备时,同样也必须在制造过程中进行校验和验证测试。对此,制造商将采取不同的测试策略。


校验频段内载波聚合装置,跟校验指定频率的LTE装置很类似。然而,制造商需要以更多步骤来校验支援聚合频宽的装置,例如必须验证装置发送多个子载波时,功率放大器的功率回退问题。验证频段内载波聚合装置时,某些制造商可能会使用多个载波进行测试,另一些制造商可能会选用单一载波来简化测试,然后使用多个载波来对样本执行抽样检测。


如果是验证频段间载波聚合装置, 则必须单独校验所有传输路径和接收路径。因此,双频段装置需进行两次完整的校验,这意味着校验时间将翻倍,导致制造成本压力大幅增加。校验后的所有传输路径和接收路径都需要接受验证,以确定装置能否正常运作。频段间载波聚合验证测试可采用序列或并联测试,取决于晶片组的功能及制造商的测试策略。


近年来,蜂巢式元件制造商倾向于透过序列非信令测试来进行校验和验证,因为这种方法可以显著缩短校验测试时间。序列验证测试不仅可以缩短测试时间,同时还可减少空中信令测试的成本。


当然,这些优势不会凭空而来,晶片组供应商必须在晶片组中添加非信令序列测试支援能力,并提供实现这些功能所需要的驱动程式和完整软体。因此测试设备必须能够执行先进的序列和单次撷取多次测量,并且必须支援必要的蜂巢式通讯格式和特性,例如LTE-Advanced载波聚合等。


结语

全球频谱资源有限,因此大多数LTE-Advanced网路业者采用频段间载波聚合技术来疏解困境。不过这项技术会增加装置的成本并缩短电池寿命。许多LTE-TDD网路业者拥有较宽的频谱资源,因此可能选择使用宽频段(高达20 MHz)的频段内载波聚合。近期,纯下行链路载波聚合备受青睐,因为其复杂性相对较低,且符合客户的封包资料使用习惯。


载波聚合允许网路业者合并使用可用的离散频谱资源,以发掘 LTE-Advanced 技术的传输速率和效率优势,但同时也产生了更严格的装置制造校验和验证要求。制造商最初可能选用序列测试法来执行载波聚合测试,以降低待测装置测试模式的复杂性,而且无需使用高效能测试设备。


不仅如此,接收器测试速度的提升有助于缩短接收器测试时间,不会因支援下行链路载波聚合而大幅增加测试工作。随着蜂巢式装置功能和复杂程度增加, 缩短测试时间的压力也变得更大,迫使业者必须选择速度更快,也更复杂的并联测试。这已经成为在LTE-Advanced测试中,相关测试设备必备的重要功能。


(本文参考资料:是德科技LTE-Advanced制造测试解决方案)


罗德史瓦兹SMW200A向量讯号产生器,与FSW讯号频谱分析仪

台湾罗德史瓦兹:「这是5G网路微波及毫米波开发的理想测试方案!」


R&S SMW200A 40GHz的机种可完全涵盖K及Ka频段,内建的基频产生器提供了160MHz RF调变频宽并具备绝佳的I/Q平坦度及误差向量振幅(EVM),因此可产生绝佳的调变讯号品质,为微波测试应用领域的首选。它亦可快速地产生连续波形(CW)讯号用以进行多载波元件的测试,及宽频QAM调变载波用以进行卫星接收器的测试。


R&S SMW200A协助开发者定义具潜力的5G无线网路存取技术,透过升级全新的频率选配,即可涵盖目前5G技术发展的频率范围。内建的基频产生器支援了所有重要的数位通讯标准,包括了LTE R8至R11。透过支援达2GHz频宽的 R&S SMW200A并搭配外部I/Q讯号产生器,则为宽频5G应用的理想选择。



图二 : 罗德史瓦兹SMW200A向量讯号产生器,与FSW讯号频谱分析仪
图二 : 罗德史瓦兹SMW200A向量讯号产生器,与FSW讯号频谱分析仪圖片來源:rohde-schwarz.com (图片来源:rohde-schwarz.com)

是德科技E6640A EXM无线测试仪

是德科技台湾区总经理张志铭:「我们可提供业界最高的测试速率!」


E6640A EXM无线测试仪同时支援序列和并联载波聚合测试流程,无需使用其他测试设备,可经济有效地因应前述测试挑战。 EXM可在小型机箱中配置多达 4 个完整的TRX测试仪,以实现高密度测试。每个测试仪都内建灵活的4埠RFIO面板,无需使用复杂且昂贵的外部切换元件。


EXM可透过一台轻巧的主机提供4台测试仪,如此可减少仪器占用的空间,并可共用单一内部控制器、时序参考和内部电源,让制造商能降低资本投资。此外,EXM采用是德科技为X系列分析仪和无线测试仪开发的量测技术。这些技术已经成为产业标准,可提供业界最高的测试速率。



图三 : 是德科技E6640A EXM无线测试仪
图三 : 是德科技E6640A EXM无线测试仪圖片來源:keysight.com (图片来源:keysight.com)

国家仪器PXIe-5668R向量讯号分析器(VSA)

国家仪器技术行销经理潘建安:「PXI平台提供最佳的量测速度与效能!」


国家仪器PXIe-5668R向量讯号分析器(VSA)提供765MHz的频宽,以及同级最佳的量测效能与速度。这款高效能微波讯号分析器可满足某些严苛的应用需求,例如无线通讯、射频积体电路(RFIC)特性测试、雷达测试、频谱监控与讯号情报等。


PXIe-5668R结合了RF量测效能、量测速度和灵活弹性。这款仪器的动态范围与频宽均领先业界,并可针对研发应用严苛的量测需求提供理想的解决方案。 PXIe-5668R属于PXI仪器的一种,优异的量测速度可满足大量制造测试的需求。这款VSA还包含可透过LabVIEW设计程式的Xilinx Kintex-7 FPGA,只要新增触发或讯号处理常式,就能客制化仪器行为,并提供许多丰富功能。



图四 : 国家仪器PXI平台
图四 : 国家仪器PXI平台圖片來源:ni.com (图片来源:ni.com)

安立知ShockLine高性能4埠向量网路分析仪

安立知:「我们可有效降低测试成本并加快上市速度!」


ShockLine MS46524B 4埠向量网路分析仪系列,具备高价值与高性能,可提供同类产品中最佳的动态范围,降低在多种测试应用 (最高92GHz) 中的测试成本并可加快上市速度。这些测试应用包括设计和制造多埠行动网路装置、行动装置、汽车电缆、高速资料互连与系统整合元件。


MS46524B 配置选项 10、选项 20 及选项 40,可具备射频微波频率功能;这些频率选项搭配强大的 ShockLine 软体,为被动元件量测提供最具成本效益的解决方案。



图五 : 安立知ShockLine高性能4埠向量网路分析仪
图五 : 安立知ShockLine高性能4埠向量网路分析仪圖片來源:anritsu.com (图片来源:anritsu.com)
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