LTE及LTE-A信号产生方案
1 引言
按照3gpp的规范，目前lte至lte-a主要分为三个版本，分别是release 8，release 9，release 10。也就是说，3gpp从release 8开始引入lte标准；release 9相对于release 8来说，在物理层定义上，增加了“定位参考信号”、“广播多播单频网”、“双流波束赋型”等特性；在release 10里面，物理层上又增加了“载波聚合”、“共享信道分簇”等特性，lte release 10也被称之为lte-advanced 或者 lte-a。
对于网络设备厂商来说，无论是在研发阶段还是生产阶段，基站和直放站等设备的射频测试采用的都是矢量信号源和信号分析仪的方法。以lte基站射频测试为例，厂商利用矢量信号源产生lte上行信号，模拟终端发射上行信号用来对基站进行接收特性测试和性能测试，利用信号分析仪测试lte基站发射的下行信号射频指标。
对于芯片和终端厂商来说，在研发初期，同样会用到矢量信号源和信号分析仪。与基站测试类似，芯片和终端厂商利用矢量信号源生成lte下行信号，模拟基站的发射信号，用来测试终端的接收灵敏度、吞吐率等特性。信号分析仪则用来测试终端发射的上行信号射频指标。
由此可知，矢量信号源和信号分析仪作为通用的射频测试仪器，广泛应用于lte和lte-a设备的射频测试。
2 lte及lte-a信号产生方案
上文说到需要利用矢量信号源产生lte/lte-a的上行或下行信号用来测试lte设备的接收性能。下面以3gpp的lte/lte-a规范文档为依据，简要介绍如何利用r&s的信号源smu200a来产生lte/lte-a测试信号。
首先，以lte release 8的网络设备射频测试为例，主要根据规范3gpp 36.141的第七章和第八章进行测试。其中，第七章是基站接收测试，需要信号源能够产生有用lte信号、白噪声信号、干扰信号，信号源smu200a能够在一台源内部同时实现所需的所有三种信号。第八章属于基站性能测试部分，主要考察了基站在典型衰落场景下的工作性能和混合自动重传等功能。以3gpp 36.141 8.2.2“上行时延调整”测试例为例，该测试例的背景是将两个模拟终端信号输入基站，这两个终端一个是固定终端，另一个是移动终端，移动终端与基站之间的延时是不停变化的，基站为了能够正确的接收移动终端发射的数据包，需要将“混合自动重传（harq）”信息发送给移动终端，移动终端根据基站的反馈信号做发射时间的自动调整，同时两个终端的信号上都加载有加性高斯白噪声信号，此时观测基站吞吐率的变化是否满足规范要求。3gpp给出的测试框图如图1所示。
图1 上行时延调整测试例连接框图
根据图1显示，要完成该项测试，需要：两台信号源，一台模拟固定终端，一台模拟移动终端，而且模拟移动终端的信号源需要能够接收基站发出的harq信息并进行正确响应；噪声信号发生器，用于产生噪声信号；衰落模拟器，用于模拟移动终端与基站之间的时延变化特性。r&s的信号源smu200a具有很高的集成度，在一台信号源内部可以实现两路独立的信号发射，并且在信号源内部模拟衰落特性和加性高斯白噪声信号，即一台信号源内部实现上述所有功能。单台信号源smu200a测试上行时延调整的配置界面如图2所示。
图2 smu200a测试上行时延调整配置界面
然后，lte release 8的后续演进是lte release 9，从信号物理层方面来看，release 9主要在下行链路方向做了改进，主要增加了三个特性：“positioning reference signal（定位参考信号）”、“dual layer beamforming（双流波束赋形）”、“mbms single frequency network（广播多播单频网业务）”，r&s的信号源smu200a能够产生完全符合上述所有新特性的lte信号。以定位参考信号的产生为例，信号源smu200a允许用户根据3gpp的规范修改多项参数，如发射周期、带宽、功率等。图3显示了smu200a产生顶位参考信号的配置界面和定位参考信号的分布图。
图3 利用smu200a产生lte定位参考信号
最后，针对lte release 10版本，也就是我们所说的lte-a，3gpp在下行链路和上行链路两个方向都做了改进，增加了“carrier aggregation（载波聚合）”、“enhanced multiple antenna technologies（支持下行8天线，支持上行4天线）”、“uplink multiple access（支持pusch分簇，支持pusch/pucch同时发送）”等特性。r&s的信号源smu200a已经能够满足lte release 10大部分新特性。
例如在lte-a的下行方向，需要实现载波聚合，r&s的信号源smu200a可以设置多达5个lte载波，每个载波的参数可以单独设定，完全可以满足lte-a的要求。smu200a lte-a 载波聚合的配置界面如图4所示。
图4 利用smu200a产生lte-a 5载波聚合信号
再例如lte-a的上行方向， 要求能够实现pusch分簇，并且支持pusch/pucch同时发送，图5是r&s的信号源smu200a产生lte-a信号时，同时生成的资源分布图，通过该图能够看到，smu200a能够轻松实现这些特性。
图5 利用smu200a产生lte-a 上行信号
上文介绍了smu200a能够产生符合lte至lte-a各个版本的上下行信号。此外，smu200a还提供基带算法验证功能。目前，国内lte release 8的设备已经比较成熟，各厂商已经开始lte release 9 和 release 10的研发工作，而在研发初期，基带算法研发人员对3gpp规范给出的算法理解可能会有偏差，r&s的信号源smu200a为此提供了数据验证功能，研发人员可以将自己做的数据向量与信号源做的数据向量进行比对，smu200a可以在9个不同的数据处理节点位置产生数据向量用于比对，这有助于研发人员快速定位问题。图6显示了smu200a能够在9个不同的数据处理产生数据向量。
图6 利用smu200a在不同节点产生数据向量
通过上述描述可以看出，r&s的高端信号源smu200a不但具有很高的集成度，能够在一台源内部实现诸多功能，而且正在快速的跟进3gpp lte-a的新规范，以满足客户的多种需求。
3 lte及lte-a信号分析方案
本文主要介绍了lte/lte-a信号的产生方案，实际测试中，我们还需要有仪器能够对被测设备发射的lte/lte-a信号进行分析，下面我们就简要介绍一下r&s公司提供的lte/lte-a射频发射测试方案。
r&s公司提供的多种信号分析仪fsw，fsq，fsv等都可以对lte/lte-a信号进行解调，以lte-a为例，图7中显示的是对上一节中smu200a产生的lte-a信号的测试结果，发射配置是pucch和pusch同时发射，且pusch分簇发射。从图7中可以看到，信号分析仪能够正确解调出pusch和pucch信号的功率、evm等指标。
图7 lte-a信号射频测试结果示例
除了可以对lte/lte-a信号进行解调，r&s的信号分析仪还可以面对更复杂的测试。例如目前无线通信网络的发展趋势是既要支持多种制式共存，又要节约成本，所以多模基站技术的得到了快速发展。为此，3gpp专门颁布了3gpp 37.xxx系列标准文档，规定了对多模基站和终端的要求。以多模基站为例，3gpp的文档规定基站要能支持同时发射两种或者两种以上的无线通信信号，这就为测试测量仪器带来了新的挑战。
针对上述多模设备的测试需求，有些厂商采用轮循测试的方法，即打开多个测量窗口，对不同载波不同制式的信号一个一个的进行测试，这样的测试方法不但测试周期长，而且基站处于多制式同时发射状态，但仪器并没有对多制式信号进行同时分析，所以容易错过由于多制式信号共同发射造成的非正常干扰，造成测试结果与实际基站性能不一致。
r&s新一代信号分析仪fsw可以很好地解决多模基站的上述发射测试问题，fsw内部可以保存多达400兆个采样点，可以一次性完成多种不同制式的信号数据采集工作，然后进行信号分析。这样的话，基站出于多种制式同时发射状态，信号分析仪也处于多种信号同时采集-分析的状态，保证了多个信号分析的完整性。图8是fsw在分析多制式信号时的显示界面。
图8 多制式信号分析显示结果
4 结束语
本文简要介绍了r&s公司信号源和信号分析仪在lte和lte-a测试中的典型应用，而且可以看出r&s的信号源和信号分析仪一直在密切跟踪3gpp lte 新的规范，即使针对多模基站的复杂测试，也能够轻松应对。
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对于网络设备厂商来说，无论是在研发阶段还是生产阶段，基站和直放站等设备的射频测试采用的都是矢量信号源和信号分析仪的方法。以lte基站射频测试为例，厂商利用矢量信号源产生lte上行信号，模拟终端发射上行信号用来对基站进行接收特性测试和性能测试，利用信号分析仪测试lte基站发射的下行信号射频指标。
对于芯片和终端厂商来说，在研发初期，同样会用到矢量信号源和信号分析仪。与基站测试类似，芯片和终端厂商利用矢量信号源生成lte下行信号，模拟基站的发射信号，用来测试终端的接收灵敏度、吞吐率等特性。信号分析仪则用来测试终端发射的上行信号射频指标。
由此可知，矢量信号源和信号分析仪作为通用的射频测试仪器，广泛应用于lte和lte-a设备的射频测试。
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上文说到需要利用矢量信号源产生lte/lte-a的上行或下行信号用来测试lte设备的接收性能。下面以3gpp的lte/lte-a规范文档为依据，简要介绍如何利用r&s的信号源smu200a来产生lte/lte-a测试信号。
首先，以lte release 8的网络设备射频测试为例，主要根据规范3gpp 36.141的第七章和第八章进行测试。其中，第七章是基站接收测试，需要信号源能够产生有用lte信号、白噪声信号、干扰信号，信号源smu200a能够在一台源内部同时实现所需的所有三种信号。第八章属于基站性能测试部分，主要考察了基站在典型衰落场景下的工作性能和混合自动重传等功能。以3gpp 36.141 8.2.2“上行时延调整”测试例为例，该测试例的背景是将两个模拟终端信号输入基站，这两个终端一个是固定终端，另一个是移动终端，移动终端与基站之间的延时是不停变化的，基站为了能够正确的接收移动终端发射的数据包，需要将“混合自动重传（harq）”信息发送给移动终端，移动终端根据基站的反馈信号做发射时间的自动调整，同时两个终端的信号上都加载有加性高斯白噪声信号，此时观测基站吞吐率的变化是否满足规范要求。3gpp给出的测试框图如图1所示。
图1 上行时延调整测试例连接框图
根据图1显示，要完成该项测试，需要：两台信号源，一台模拟固定终端，一台模拟移动终端，而且模拟移动终端的信号源需要能够接收基站发出的harq信息并进行正确响应；噪声信号发生器，用于产生噪声信号；衰落模拟器，用于模拟移动终端与基站之间的时延变化特性。r&s的信号源smu200a具有很高的集成度，在一台信号源内部可以实现两路独立的信号发射，并且在信号源内部模拟衰落特性和加性高斯白噪声信号，即一台信号源内部实现上述所有功能。单台信号源smu200a测试上行时延调整的配置界面如图2所示。
图2 smu200a测试上行时延调整配置界面
然后，lte release 8的后续演进是lte release 9，从信号物理层方面来看，release 9主要在下行链路方向做了改进，主要增加了三个特性：“positioning reference signal（定位参考信号）”、“dual layer beamforming（双流波束赋形）”、“mbms single frequency network（广播多播单频网业务）”，r&s的信号源smu200a能够产生完全符合上述所有新特性的lte信号。以定位参考信号的产生为例，信号源smu200a允许用户根据3gpp的规范修改多项参数，如发射周期、带宽、功率等。图3显示了smu200a产生顶位参考信号的配置界面和定位参考信号的分布图。
图3 利用smu200a产生lte定位参考信号
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图6 利用smu200a在不同节点产生数据向量
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图8 多制式信号分析显示结果
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