LTE TDD测试方案介绍 - 全文

　　目前，在3G之后，各种通信技术将如何演进是业界非常关注的一个焦点，特别是对于TD-SCDMA来说，能否实现向下一代通信技术的平滑演进，决定了TD究竟具有多长时间的生命力，以及我国的自主创新战略究竟能走多远。2007年11月，3GPPRAN151会议通过了27家公司联署的LTETDD融合帧结构的建议，统一了LTE TDD的两种帧结构。融合后的LTE TDD帧结构是以TD-SCDMA的帧结构为基础的，这就为TD-SCDMA成功演进到LTE乃至4G标准奠定了基础。

　　TDD-LTE技术特点

　　LTE系统支持FDD和TDD两种双工方式。在这两种双工方式下，系统的大部分设计，尤其是高层协议方面是一致的。另一方面，在系统底层设计，尤其是物理层的设计上，由于FDD和TDD两种双工方式在物理特性上所固有的不同，LTE系统为TDD的工作方式进行了一系列专门的设计，这些设计在一定程度上参考和继承了TD-SCDMA的设计思想，下面我们对这些设计进行简要的描述与讨论。

　　无线帧结构

　　因为TDD采用时间来区分上、下行，资源在时间上是不连续的，需要保护时间间隔来避免上下行之间的收发干扰，所以LTE分别为FDD和TDD设计了各自的帧结构，即Type1和Type2，其中Type1用于FDD，而Type2用于TDD。

　　在FDD Type1中，10ms的无线帧分为10个长度为1ms的子帧，每个子帧由两个长度为0.5ms的slot组成。 在TDD Type2中，10ms的无线帧由两个长度为5ms的半帧组成，每个半帧由5个长度为1ms的子帧组成，其中有4个普通的子帧和1个特殊子帧。普通子帧由两个0.5ms的slot组成，特殊子帧由3个特殊时隙（UpPTS，GP和DwPTS）组成。

　　

　　在LTE中TDD与FDD帧结构最显著的区别在于：在TDDType2帧结构中存在1ms的特殊子帧，该子帧由三个特殊时隙组成：DwPTS，GP和UpPTS，其含义和功能与TD-SCDMA系统相类似，其中DwPTS始终用于下行发送，UpPTS始终用于上行发送，而GP作为TDD中下行至上行转换的保护时间间隔。，三个特殊时隙的总长度固定为1ms，而其各自的长度可以根据网络的实际需要进行配置。

　　上下行的时间分配

　　TDD另外一个显著区别于FDD的物理特征是，FDD依靠频率区分上下行，因此其单方向的资源在时间上是连续的；而TDD依靠时间来区分上下行，所以其单方向的资源在时间上是不连续的，时间资源在两个方向上进行了分配。

　　下图是LTE TDD中支持的7种不同的上、下行时间配比，从将大部分资源分配给下行的“9:1”到上行占用资源较多的“2:3”，在实际使用时，网络可以根据业务量的特性灵活的选择配置。这样，在资源组成上TDD与FDD所固有的不同，成为了LTE中另一部分为TDD所进行的专门设计的原因。这一部分设计主要包括“物理层HARQ的相关机制”，以及“采用频分的随机接入信道”。

　　允许同一时间上存在多个随机接入信道（频分）是TDD上下行时分的结构形成的又一设计结果。在LTEFDD的设计中，同一时刻只允许一个随机接入信道的存在，即仅在时间域上改变随机接入信道的数量。而在TDD中，时间资源已经在上下行进行了分配，同时由于不同的上下行配比的存在，可能存在上行子帧数目很少的情况（如DL:UL=9:1），因此在TDD中需要支持频分的随机接入信道，即在同一时间位置上采用不同频率的区分提供多个随机接入信道，以为系统提供足够的随机接入的容量。

　　在FDD的情况下，上、下行的资源在单方向上都是连续的，而且子帧数目相等。因此，以下行为例，在进行物理层的HARQ时，下行数据与上行的ACK/NAK之间可以建立一对一的对应关系。与此不同的是，在TDD的情况下，单方向的资源不是连续的，因此可能无法获得对应的时间上的资源。另外，上下行配比的设置可能使得上下行的子帧数目不相等，因此无法建立一一对应的关系，所以这些都需要进行针对性的设计。在LTETDD，为了解决以上问题，引入了MultipleACK/NAK的概念，即使用一个ACK/NAK完成对前续若干个下行数据的反馈，这样就解决了上下行时隙不对称带来的反馈问题。在另一个方面，同时还减小了数据的传输时延，数据无需再等待到下一个上行时隙以进行反馈了。当然，该方案可能引起的不必要的过多重传也需要引起注意。

　　

　　同步信道

　　同步信道是另一项体现不同双工方式的设计。LTE中用于小区搜索的同步信道包括“主同步信号”和“辅同步信号”。在两种帧结构中，同步信号具有不同的位置：在FDDType1中两个同步信号连接在一起，位于子帧0和5的中间位置；而TDDType2中，辅同步信号位于子帧0的末尾，主同步信号位于特殊子帧，即DwPTS的第三个符号。在两种帧结构中，同步信号在无线帧中的绝对位置不相同，更为重要的是，主、辅同步信号的相对位置不同：在FDD中两个信号连接在一起，而在TDD中两个信号之间有两个符号的时间间隔。由于同步信号是终端进行小区搜索时最先检测的信号，这样不同的相对位置的设计使得终端在接入网络的最开始阶段就可以检测出网络的双工方式，即FDD或者TDD。

　　

　　随机接入前导

　　随机接入前导（Random Access preamble）的设计是LTE对TDD的另一项特殊设计。在LTE中，随机接入序列采用如下图所示的5种随机接入序列格式。其中最后一种随机接入序列格式是TDD所特有的，由于其长度明显短于其它的4种格式，因此又称为“短RACH”。采用短RACH的原因也是与TDD关于特殊时隙的设计相关的，如同图中所描述的，短RACH在特殊时隙的最后部分（即UpPTS）进行发送，这样利用这一部分的资源完成上行随机接入的操作，避免占用正常子帧的资源。采用短RACH时，需要注意的一个主要问题是其链路预算所能够支持的覆盖半径，由于其长度要大大的小于其它格式的RACH序列，因此其链路预算相对较低，相应的适用于覆盖半径较小的场景（根据网络环境的不同，约700m～2km）。

　　

　　R&S LTE TDD测试方案

　　3GPP LTE和之前的系统在空中接口上存在很大的不同，所以对于测试就提出了新的要求。基于在3G测试领域的丰富经验和领先地位，Rohde & Schwarz 对于UMTS LTE从早期的研发阶段就开始跟踪研究，积累了丰富的经验成果，目前不仅可以为LTE FDD，而且也可以为LTE TDD无线设备研发提供了完整的测试产品线。这些产品包括功率计，频谱分析仪，信号源，无线综测仪，协议测试仪和射频一致性测试系统。设备制造商自始自终都可以依赖于Rohde& Schwarz 公司的产品和专家级的支持。Rohde& Schwarz 全球的支持网络拥有经过专业培训的应用工程师，从而可以提供全方位的客户支持。

　　由于3GPP LTE标准的发展还未最终完成， R & S公司在开发LTE选件时保持了高度的灵活性，软件会定期更新，确保测试仪表依据的标准和最新发展保持一致，使它们满足3GPP LTE 未来开发的要求。下面针对在LTE早期的研发中一些重要的测试项目进行介绍：

　　如何灵活地对LTE射频和基带信号进行模拟产生和分析，

　　如何对不同的MIMO模式进行进行测试，

　　如何在协议栈开发的早期就进行测试，使之符合一致性的要求。

　　LTE信号产生

　　LTE的测试首先需要模拟LTE射频信号，并且研究其统计特性。对于LTE下行，研究人员可以从WiMAX和WLAN等技术中参考得到OFDMA的射频特性。但是对于上行，LTE上行使用的SC-FDMA技术在其他标准中并没有使用。因此上行信号特性需要进行特别的研究。LTE信号模拟中的一些通常设置包括频率、带宽、LTE信号包含资源块的数目、天线配置、参考信号序列配置、下行同步信道配置、循环前缀长度、用户数据和调制方式的分配和L1/L2控制信道的配置的等参数。

　　选件R&S SMx-K55用于R & S公司的信号源，诸如R&S SMU200A， R&S SMJ100A 和 R&S SMATE200A就可以按照TS36.211标准规定产生LTE FDD 和 LTE TDD 上下行射频信号，用于元器件性能测试以及基站和移动终端的接收机测试。下图显示了LTE TDD信号的设置以及图形显示资源分配图。

　　此外R&S还提供了高性能的双通道基带信号源AMU200A以及AFQ100A，加上AMU-K55或者AFQ-K255选件后，就可以模拟LTE的基带信号，用于LTE研发早期基带信号的模拟。而通过一款R&S提供的EX-IQ-BOX，用户可以产生适应自己需要的数字基带信号格式。

　　这些仪表及其选件可提供信道编码，多达四路发射天线的 MIMO 预编码以及2x2 MIMO 的实时衰落模拟等功能。该软件选件直接安装在仪器上，给用户提供了多种配置的可能性，用户不仅可调用预先定义好的测试场景，快速的进行测试设置；而且还可以按照自己的需要灵活设置各种参数进行定制测试：例如参考符号，控制信道，同步信道及数据信道的参数，此外，也可独立配置各个子帧。

　　目前R&S的LTE信号模拟方案完全符合3GPP V8.40标准，包括PRACH、探测参考信号、上行链路的PUCCH编码，下行链路的PHICH和PCFICH编码，同时包含36.141标准规定的E-Test模型信道。

　　LTE信号分析

　　其次在LTE信号的射频分析方面，由于LTE信号采用了新的接入方式OFDMA，信号带宽最高可达20MHZ，这些对于信号的频域分析和调制域分析都提出了更高的要求。R&S FSQ 和 R&S FSG 信号分析仪能分析3GPP LTE 基站或者移动电话的发射机模块。信号分析选件 R&S FSQ-K101 和R&S FSQ-K105支持LTE FDD和TDD射频调制信号的测量，并以图形或表格显示结果：诸如 EVM、频率误差、频谱平坦度、I/Q 偏移、眼图、星座图及群时延等测量结果。选件 R&S FSQ-K100和R&S FSQ-K104可用于分析 3GPP LTE下行信号， 跟上行信号选件类似，该选件能在频域，时域及调制域对标准规定的所有信道带宽的3GPP LTE FDD和TDD信号进行测量。

　　如需测量LTE基带信号，不管是平衡还是非平衡的，都可使用R&S FSQ 的模拟（R&S FSQ-B71）和数字 （R&S FSQ-B17） 基带输入选件来完成。同时R&S也提供了一款EX-IQ-BOX可以适应用户自己的数字基带格式，通过和FSQ上的B17接口一起使用，可以分析LTE数字基带信号。

　　

　　此外如果想对OFDM信号进行分析的话，R&S在高端信号分析仪FSQ上开发了FSQ-K96选件，这可以满足LTE早期研发和对任意OFDM信号进行分析的需求。

　　LTE MIMO测试

　　R&S公司的射频信号发生器SMU200A，或基带信号发生器AMU200A，都可以使用单台仪表进行MIMO接收机测试。这两款信号发生器都配置两个信号源，加装R&S SMU-K74或者AMU-K74选件后，就可以实时模拟2×2MIMO系统所需的4个衰落信道，从而对2×2 的MIMO接收机进行测试。这两款仪表解决方案都支持ITU 为3GPP LTE 定义的、包含衰落路径之间的相关特性的各种衰落模式。

　　通过把两台或四台R&S的信号分析仪FSQ或FSG连接起来，R&S可以提供2x2和4x4的MIMO信号分析，此时只需在一台主控FSQ/G上配置K100（或者K104）和K102选件，就可以支持LTE FDD和LTE TDD中的三种MIMO模式：发射分集，空间复用和循环延迟分集。

　　LTE 协议测试

　　LTE协议栈的测试用来验证一些信令功能，例如呼叫建立和释放，呼叫重配置，状态处理和移动性等。和2G，3G系统的互操作性测试是对LTE的另外一个需求。此外为了保证终端的协议栈和应用可以处理高数据率的数据，需要测试验证终端吞吐量的要求。在LTE实现的早期，研发部门需要包含各个参数配置的多种测试场景来进行LTE协议栈的测试。此外LTE物理层具有很多重要功能，这包括小区搜索、HARQ协议、调度安排、链路自适应、上行时间控制和功率控制等。而且这些过程有着很严格的定时要求。因此也需要对物理层进行完全测试来保证LTE的性能。

　　基于Rohde & Schwarz 在UMTS LTE协议栈测试领域的领先地位，R&S 推出了LTE协议测试仪CMW500，它的功能强大的硬件方案可以提供的频率高达6GHz，带宽为40MHz。它不仅可以用于一致性测试，性能测试和互操作测试，而且还把它的优点扩展到产品生命周期的后续阶段，从而可以给芯片和无线设备制造商在UMTS LTE 协议一致性研发的各个阶段中带来多重好处。而且它还有一个可供选择的用于PC机上的软件方案，可以支持个人开发者在早期就进行协议开发的工作，从而有效降低UMTS LTE 无线设备整个研发过程中的成本。所以使用CMW500可以并行进行软件和硬件的协同开发、测试和优化，从而加快产品的上市时间。

　　通过在CMW500上配置CMW-KP500 MLAPI和CMW-KP501 LLAPI，R&S提供了协议栈测试所需的底层和高层两种不同编程接口，这样开发者在早期就可以对协议栈进行灵活测试，而且这样的测试是和后期的一致性测试完全兼容的，可以节省后期测试的时间和成本。