LTE终端的应用设计和测试的技术挑战

随着首批LTE网络已投入使用，运营商将业务重心转向大规模提供移动宽带业务。但是，在让用户获得下一代蜂窝技术的全部好处之前，仍然有一些问题需要克服？除了技术问题以外，在LTE业务的一些更广泛方面仍有一些问题待解决。本文从测试工程师的角度来讨论这些挑战。不过在讨论用户端设备（UE）设计和测试的技术挑战之前，先从更广阔的视野来看看一些潜在问题。

在本文撰写时，LTE终端的正式认证尚未开始。主要认证机构（GCF、PTCRB）计划在2010年12月推出用于协议、RF及无线资源管理的一致性测试方案。但由于一些市场已开始销售LTE终端，所以不得不担心这些终端将来是否能够通过这些一致性测试。

对于支持高数据率（下行链路为100Mbps，上行链路为50Mbps）的LTE Category 3终端，回程容量（backhaul capacity）是否能够应付呢？从长远来看，随着LTE用户数量的增加，小区中所有用户在无线网络上的带宽共享将成为一个重要因素。如果小区中用户数量太多，那么性能就可能受到影响。此外，随着活动用户数量的增加，小区边缘性能将受到更高信噪比（SNR）的影响。

对于潜在的全球移动数据网络，还要满足数据用户对全球漫游的期望。尽管这在技术上是可行的，但漫游数据业务收费过高的问题还需要加以解决。另一方面，对网络运营商来说，统一费率数据方案已成为一个问题，因为提供的是不断变化且肯定不断增加的数据量，而获得的却是固定的收入。

由于LTE是CDMA2000网络运营商（如Verizon Wireless）的下一代技术选择，所以与3GPP2 CDMA2000高费率分组数据业务的互通是一个明确要求。在LTE无线网络接口处合并3GPP和3GPP2网络拓扑是一个有意义的进展，这需要进行周密的测试，以确保其运行达到预期目标。

对网络运营商来说，维持同时使用IP网络和传统电路交换网络的语音业务将会是一大挑战。主流网络运营商在2010年移动通信世界大会（Mobile World Congress 2010）上宣布的有关VoLTE（语音LTE）标准化的协议，将在很大程度上解决这个问题。但是，使用3GPP的IMS（IP多媒体子系统）技术仍然需要进行大规模部署。

测试挑战和需求

满足LTE终端设备的严格要求的关键在于将设计分成子系统，并制定一个允许在测试完整终端之前对每个设计部分进行彻底检验的测试计划。如果不采用这种模块化方案，则问题的诊断可能拖到项目的最后阶段，以致难以管理最终发布阶段，包括现场试验及一致性测试。

无论终端设计是从头开始、基于较早前的设计还是使用第三方集成组件，都需进行多项关键性能测量。其中一些测量（如最大输出功率、功率控制和接收机灵敏度）是早前技术已经熟悉的，但由于所用的传输方式（下行链路中为OFDMA，上行链路中为SC-FDMA）不同，所以需要新的测量设备来支持这些测试。

其它一些测量是LTE特有的。例如，对于OFDMA传输方式，子载波误差向量幅度（EVM）变成调制器性能的一项重要测试。随着700MHz模拟TV频谱的可供使用，LTE将以低于GSM或WCDMA的频率来部署，从而得到大很多的带宽：20MHz/700MHz=2.8%。相比之下，对于典型的WCDMA终端为：5MHz/2100MHz=0.24%。这会对一些调制器架构带来挑战，因为它会导致小区边缘处的EVM值较高，所以在设计阶段要特别注意这一点。

由于一些测试（如功率控制）的动态性质，所以需要使用信令协议来建立测量条件。这就要求测试设备必须包括协议栈和模拟演进型节点B（eNB）基站。由于这些测量通常是由RF工程师而不是协议专家来执行的，所以所用的测试设备必须易于配置，使工程师能够将精力集中于测量本身。

协议测试

协议栈开发者面临的主要挑战之一是确保状态变化响应要求得到满足。虽然LTE规范已经将终端设备的可能状态数量减少到RRC_IDLE和RRC_CONNECTED，但是在需要发送数据时，从一种状态变为另一种状态所需的时间将构成时延预算的一大部分。

在RRC_IDLE模式下，终端设备尽可能将自身处于低功耗状态，以确保出色的电池寿命，接收机被周期性地激活以检查寻呼消息。当数据传输时间预定后，终端必须处于唤醒状态并快速同步其上行链路。

在协议测试过程中，用于生成测试用例的工作量常常与创建协议栈的工作量一样多，所以拥有全面而高效的测试设施很重要。为能够细分测试，重要的是能够测量用户平面和控制平面中的每个子层。协议测试诊断功能在查找故障时很重要。通常，这包括带时间戳的消息日志记录和解码。但重要的是这也可以用于每个子层，以提供跟踪信令消息流程细节的功能（从MAC PDU直到RRC消息），从而确保定时要求得到满足。

要想能够为每个层创建测试情景，就必须拥有对测试设备的详细控制，但这需要尽可能地易于使用，以避免痛苦的学习过程。图形化测试描述（例如由场景向导所提供的）提供了定义新测试的最清晰方法（图1）。

图1：图形化测试描述（例如由场景向导所提供的）提供了定义新测试的最清晰方法

性能测试

一旦RF、基带、协议栈和应用层实现集成，接下来就需要对整体终端性能进行全面测试。在此阶段期间，必须查出和消除数据传输瓶颈，以最大化数据吞吐量——包括在正常和极端温度及电源电压条件下。另外还需要在满负荷条件下测量功耗、热特性、电磁兼容性（EMC）、发射及磁化率。一般情况下，这需要使用2x2下行链路多输入多输出（MIMO）技术。

测试设备要能够在小区之间无缝交接数据，同时尽量减小对数据吞吐率的影响，就像要能在不同无线接入技术之间进行交接数据，同时保持数据连接一样。已有多家供应商推出了设计紧凑、灵活和模块化的测试仪器。例如，Aeroflex的LTE测试产品就支持用于测试LTE终端性能的所有功能.

虽然LTE物理层使用循环前缀来增加对多径效应的抵制，但需要对之进行测试，以确保正确运行。将此测试留到现场试验阶段会增加开发风险。幸运的是，测试设备供应商提供了内建衰落模拟器和噪声发生器的工具，用来在实验室中模拟实际信号条件。

LTE终端的一个重要性能参数是其实现和保持与下行链路信号同步的能力。LTE OFDMA传输方式使用频率间隔为15 kHz的子载波。接收机也必须对子载波处于精确调谐状态，即使存在多普勒频移效应也不例外。不同步会导致子载波间的相互干扰，从而降低信噪比。要检验终端的行为，同样必须能够在实验室中模拟多普勒频移效应。

本文小结

下一代移动终端需要提供能够满足网络运营商的希望与期待的移动宽带体验，因此必须使用逐层方案来测试新的LTE终端，建立起基于实际信号条件的端到端测试场景。确保终端性能在整个小区内得到保持将是最艰巨的挑战，特别在小区内用户数量增加以及由此而产生的信号噪声电平上升的情况下。

LTE终端测试不仅要精确和高效，还要覆盖全面的测试范围——包括RF、协议和系统级测试。测试设备厂商正在提供这一功能，新型及升级型仪器、测试仪和系统已陆续上市。以尽可能高效的方式实现高数据吞吐量和低时延（就功耗和RF频谱使用而言）是引入LTE技术的主要目的，但只有在开发和部署阶段进行周密的测试才能实现这一目标。

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