终端LTE-A测试解决方案

王　健　罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司

罗德与施瓦茨技术专栏

终端LTE-A测试解决方案

王健罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司

编者按：随着移动互联网应用的丰富和普及，终端用户数据量呈现爆发式增长，各大运营商在完成4G LTE网络设施部署后，又马不停蹄地演进至4G+LTE-A，无线应用和网路基础设施有着类似于路→车→更宽路→更多车的相互促进作用。为了能够充分发挥LTE-A网络的高速能力，终端侧也需要相应进行技术升级。罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司王健所撰《终端LTE-A测试解决方案》一文根据接收和发射两方面详细介绍了罗德与施瓦茨公司的终端LTE-A测试解决方案。可供相关技术人员参考。

1　引言

随着移动互联网应用的丰富和普及，终端用户数据量呈现爆发式增长，各大运营商在完成4GLTE网络设施部署后，又马不停蹄地演进至4G+LTE-A，无线应用和网路基础设施有着类似于路→车→更宽路→更多车的相互促进作用。为了能够充分发挥LTE-A网络的高速能力，终端侧也需要相应进行技术升级。本文根据接收和发射两方面详细介绍了罗德与施瓦茨公司的终端LTE-A测试解决方案。

2　UE发射测试

移动互联网在人们生活中变得越来越重要，而社交网络已成为个人必备的沟通工具，从最初的文字、图片发展到视频上传，网络的上行流量大幅度增加。例如，在一些大型聚会、演唱会等特定场景下，大家忙着上传照片和视频，此时上行速率快就会使网络体验大大提升。在企业用户中，视频监控、远程医疗、即拍即传等业务也逐步成熟。这些需求对网络上行带宽的要求也越来越高。4G时代，上行体验已成为保障用户体验的关键一环。

用于提升上行速率的LTE-A技术包括高阶调制、载波聚合和多天线MIMO，下面依次介绍UL64QAM、ULCA、ULMIMO以及其它LTE-A特性的测试方法。

2.1UL64QAM发射测试

64QAM高阶调制技术特别适合应用于小基站覆盖或宏基站密集部署的区域，相比16QAM将提升50%的数据吞吐量，明显提升小区中心用户的上行频谱效率，而且手册外围硬件改动最少。严格意义上来说，UL64QAM并不能算LTE-A新技术，早在3GPPR8的UECat.5等级就有要求上行支持UL64QAM，但目前市面上绝大多数手机属于Cat.4等级，上行最高支持16QAM，因此只能说64QAM是在LTE-A时代才开始加入的LTE技术。为了验证LTE芯片中新增的64QAM新特性，R&S高端频谱分析仪FSW已提前作好了准备，LTE选件集成了UL64QAM分析能力，仪表自身又具备极低的残余EVM值，保证了测试结果的准确度（见图1、2）。

图1　FSW测试上行64QAM信号

图2　FSW独有的多标准无线分析（MSRA）界面

2.2ULCA发射测试

中国移动早在2014年开始就呼吁业界能够推出满足上行CA的TD-LTE手机，提升用户体验。并于2015年在5个城市联合基站设备商华为和终端芯片商高通开展LTETDD上行载波聚合4G+规模外场测试，这也意味着LTETDD上行载波聚合技术即将迎来大规模的商用。

引入ULCA技术给终端射频研发和测试带来了新的挑战，如需要验证手机功放（PA）在更高的带宽2× 20M=40MHz工作时的ACLR、SEM、CCDF和EVM等指标，以及两载波之间时延差是否满足协议规范要求。R&S FSW具备独有的多标准无线同时分析（MSRA）功能，只需发起一次IQ数据抓取就能获得全部带宽内的IQ数据，然后打开多个LTE窗口同时进行上行解调，保证了两载波的EVM测量值来自于同一时刻（见图3）。

图3　FSWUL2CCCA同时解调分析界面

FSW还支持LTE UL CA的Time Alignment测试，便于测试用于聚合的不同载波到达天线口的时延差。如图4中CC1频点是2585MHz，CC2频点是2605MHz。

图4　FSW的ULCA载波间时延差界面设置界面

2.3UL2×2/4×4MIMO测试

ULMIMO意味着终端同时发起两个并发数据流传输，相比于3GPP R8/9对应的上行单天线发射（SIMO），ULMIMO通过采用上行SUMIMO技术，终端的多根天线在相同的时间资源和频率资源上发送不同的编码信号，网络侧通过MIMO检测技术对信号进行检测（见图5）。因此，该技术能在不增加系统带宽的情况下将上行传输速率提高了一倍，有效地提升了频谱利用效率与用户体验。

罗德与施瓦茨公司提供了非常简洁的多天线MIMO测试解决方案，只需要一台多通道示波器R&S RTO1044，再搭配PC上运行的LTE上行分析软件就能快速地完成MIMO信号质量测试。目前，该测试方案支持2×2MIMO以及4×4MIMO测试。

图6是上行UL2×2MIMO测试结果界面。

2.4LTE-A上行其他新特性测试

为了提高上行信号传输效率，在LTE-AR10协议中上行增加了对分簇的PUSCH，PUSCH与PUCCH一子帧内同时传输的支持（见图7）。

图5　R&SRTO1044进行ULMIMO信号分析测试连接图

图6　LTE分析软件完成UL 2×2MIMO分析

这里需要特别注意的是信号互调，PUCCH信道分布在载波频率左右边缘，高互调出现场景包括PUCCH和PUSCH同时发射，以及PUSCH两簇同时传输，尤其是当PUSCH块所占RB数比较小即带宽比较窄时影响特别明显，带来了ACLR和SEM测量结果恶化。同时，由于LTE-A的eSC-FDMA物理层的变化还带来了更高的峰均比（PAR），功放需有更多的功率回退才能获得相同的线性度。为了保证满足终端测试规范对最大输出功率和线性度的同时要求，这些都对终端射频设计提出了更大的挑战。

图7　LTE-A上行PUSCH+PUCCH同时发射带来互调影响

R&S高端频谱仪FSW有着业界最大的动态范围，3GHz频率范围内有着高达+25dBm的三阶互调截止点（TOI），高线性度意味着频谱仪在测量中引入的影响越小，保证了测量结果的准确性。

FSW上行LTE解调选件已支持PUCCH和PUSCH同时传输测试，支持多簇的PUSCH测试，图8是一个典型PUCCH+PUSCH的EVM和星座图测量界面。

2.5ET和DPD测试

终端待机时间是影响用户感受的一个重要因素，其中无线发射功放（PA）在所有耗电器件中占有较大比重，提高PA效率将会一定程度上增加手机待机时间，提升终端用户感受。传统的手机PA采用的是平均功率跟踪（APT）技术，在发射信号具备较高峰均比如LTE时，从PA电压到输出信号包络之间的功率（见图9）最后转化成了热量，而不是有用的无线发射功率。ET技术正是改善了APT技术中PA供电电压无法实时跟踪射频信号包络的不足，使无用功率变得最小，提高了功放效率。图10为ET/ET+DPD测试连接示意图。

图8　eSC-FDMA解调界面

R&S高端矢量信号源SMW200A单表具备LTE/ UMTS等射频信号和包络跟踪信号同时输出能力，并且非常方便去调整射频和包络两者之间的时延差用于适配不同器件的延时，这些都是竞争对手无法做到的。R&S高端频谱仪FSW除了有多窗口切换功能支持ACLR和EVM等参数测量以外，还支持功放电压和电流超高速测量用于计算功放实时功耗，极大地方便了功放的功率附加效率（PAE）测试。

图9　ET节电原理示意图

图10　ET/ET+DPD测试连接图

终端如果ACLR发射性能不能满足指标要求，通常会利用DPD技术加以改善。FSW还支持对功放的AM/PM测量并反馈给SMW做实时的AM/PM补偿，方便对功放的非线性参数建模和性能考量。

在13届GTI Workshop中，作为少数几个受邀参展的展商之一，R&S联合ET芯片提供商R2展出了基于SMW和FSW的ET测试解决方案，现场收获了很大的关注度（见图11、12）。

图11　R&S测试仪表+R2评估板测试演示

3　UE接收测试

图12　ET和APT效率比较

3.1PDSCH256QAM解调译码验证

在3GPP R12之前，LTE下行数据一直只采用QPSK、16QAM和64QAM3种调制方式，随着小基站的规模部署，在小范围区域内终端能够获得比以往更好的信噪比，这使得在下行引入更高阶调制成为可能。相对于64QAM，在相同的技术条件下，采用256QAM技术可以使无线吞吐速率增长30%，显著提升频谱效率，3GPP组织也在LTER12中正式加入对下行256QAM的支持。

为了满足终端对下行256QAM新调制方式测试需求，R&S高端矢量信号源SMW200A发布了LTER12选件K113，在其中加入了PDSCH的256QAM调制类型选择（见图13、14）。

图13　SMW200A设置256QAMPDSCH

图14　单台SMW可实现5载波的带内聚合或双频段带间载波聚合

通过结合三载波聚合及256QAM高阶调制技术，SMW还可以支持速度高达600Mbit/s的LTECat.11终端测试。

3.2DLCA接收测试

为了应对4G用户爆发增长带来的流量激增，各运营商以载波聚合等提升用户感知的LTE-A新技术牵引4G网络的建设和业务发展，载波聚合作为LTE-A的最为重要的关键技术之一，其通过将多个连续或者非连续LTE载波聚合在一起同时进行数据传输，从二载波聚合到三载波聚合，以及未来更多载波聚合，成倍提升网络传输速率。

2015年中国三大运营商已全面进入4G+时代，Cat.6网络已投入商用，这也就是运营商通常所称的“4G+”网络，使得网络都具备了双载波2CC聚合的能力。中国移动最近联合华为在上海成功完成TD-LTE下行三载波和上行两载波CA技术的商用部署。

支持4G+不仅是运营商和网络侧，更对终端提出了全新的要求，终端要支持4G+，虽然随着无线互联网丰富应用带来的LTE手机日益普及，但目前市面上绝大部分LTE手机都是仅支持到3GPPR9协议，属于Cat.4等级，即最高速率下行150Mbit/s，上行50Mbit/s，目前也仅只有少部分手机如iPhone6s具备Cat.6能力。

Rohde&Schwarz矢量信号源R&SSMW提供了多达5载波的下行载波聚合，并且直接具备双射频输出端口，支持带内（Intra-band）和带间（Inter-band）载波聚合，轻松实现像中国移动的D频段带内3CC聚合、F+2D跨频段聚合，以及像中国电信的1.8G+2.1GFDD-LTE2CC聚合（见图15）。R&SSMW如果再搭配矢量上变频器R&SSGT，更可实现像韩国运营商SK运营的800MHz+1.8G+2.1G3CC载波聚合。

图15　1×SMW+N×SGT实现多频段载波聚合能力

3.34×4MIMO接收性能验证

4×4 MIMO作为LTE关键技术之一，在3GPPR8就已经定义了4×4 MIMO技术，相比于2×2MIMO，其频谱效率提升了一倍，可以给网络运营商带来非常可观的收益。技术实现上基站侧不不存在问题，但由于终端的成熟度及兼容性，该技术之前一直未得到规模商用。

目前，LTE手机通常只有两根接收天线，以往普遍的看法是认为在手机这么紧凑的空间里是不可能实现满足隔离度要求的4根接收天线。目前，通过革新的天线技术1，可以实现手机4天线，并能保证天线间足够的隔离度，保证MIMO效率，显著提升数据速率和整体性能，并在Deutsche Telekom网络中实测吞吐率获得显著提升。

目前，已知终端芯片厂商如GCT，Qualcomm的芯片都已支持4×4MIMO，获得Cat.5对应的300Mbit/s下行数据吞吐率。对于终端芯片研发过程中的4×4 MIMO接收性能验证，R&S矢量信号源SMW200A+ 2×SGT提供了基站四天线以及4×4MIMO空间信道衰落模拟能力，帮忙客户更好地验证在各类衰落场景下的4×4MIMO吞吐率（见图16）。

SMW200A的4×4MIMO界面框图如图17所示。

3.4CA+MIMO接收性能验证

通过采用DL3CC或4CC载波聚合技术，并结合DL2×2MIMO，终端可获得高达450Mbit/s或者600Mbit/s的极高吞吐率，满足手机Cat.9或Cat.12等级要求。图18是采用一台SMW200A实现了带间的4CC CA，并且每个CC都支持2×2 MIMO；图19是SMW单表实现4CC+2×2MIMO模拟。

3.5小区间切换验证

图16　SMW+SGT×2实现4×4MIMO接收性能验证

SMW200A内置多个基带模块，用于模拟如相邻的几个LTE基站，或者模拟多模场景中的TD-LTE基站+TD-S基站，用于手机的小区间切换功能验证。图20就是构建了强弱两个LTE基站，每个基站都通过4×2MIMO同终端连接。

如图21所示，满足该场景的测试也仅需要一台SMW200A就能轻松完成2个4×2MIMO的模拟，帮助终端芯片厂商验证LTE芯片小区间切换性能。

4　结束语

图17　SMW4×4MIMO内部模块框图

图18　4CC+2×2MIMO测试结构框图

终端上引入LTE-A收发新技术将显著改善频谱效率，增加上下行数据吞吐率，提升用户感受，并间接促进无线互联网的进一步普及。为了验证终端LTE-A新特性，罗德与施瓦茨公司提供了完备的发射和接收测试解决方案，助力终端厂商完善各项功能测试，早日推出成熟的商用芯片和终端（见表1）。

［1］http://www.skycross.com/news-and-events/press-release/ mwc-2014-4×4-mimo.

［2］Rohde&Schwarz Application Note1MA169.LTE-Advanced Technology Introduction.https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl _downloads/dl_application/application_notes/1ma169/1MA169_3e_LTE-Advanced_technology.pdf.

图19　SMW单表实现4CC+2×2MIMO模拟

图20　双小区4×2MIMO场景

［3］Rohde&Schwarz Application Note1MA232.LTE-Advanced（3GPP Rel.11）Technology Introduction.https://cdn.rohdeschwarz.com/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1ma232/1MA232_1e_LTE_Rel11_technology.pdf

［4］Rohde&Schwarz Application Note1MA252.LTE-Advanced（3GPPRel.12）Technology Introduction White Paper.https://cdn. rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1ma252/1MA252_2e_LTE_Rel12_technology.pdf.

［5］Rohde&Schwarz Application Note 1MA166.Testing LTEAdvanced.https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl _application/application_notes/1ma166/1MA166_ 3e_LTE_A_Testing.pdf.

［6］Rohde&Schwarz Application Note1GP104.Envelope Tracking and Digital Pre-Distortion Test Solution for RF Amplifiers. https://cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1gp104/1GP104_1E_ET_DPD_testing_for_amplifiers.pdf.

［7］Rohde&Schwarz Application Note 1EF86.Testing LTE MIMO Signals using a R&S®RTO Oscilloscope.https://cdn. rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1ef86/1EF86_1E.pdf.

图21　双小区4×2MIMO的SMW实现

表1　终端LTE-A测试项

［8］Rohde&Schwarz Application Note 1GP99.Simulating Fading with R&S® Vector Signal Generators.https://cdn.rohdeschwarz.com/pws/dl_downloads/dl_application/application_notes/1gp99/1GP99_0E_Simulating_Fading_w_RS_Sig-Gens.pdf.

［9］Rohde&Schwarz Application Note 1GP106.Multi-Channel Signal Generation Applications with R&S®SMW200A.https:// cdn.rohde-schwarz.com/pws/dl_downloads/dl_application/ application_notes/1gp106/1GP106_0E_Multi-Channel_Sig-Gen_Applications_with_SMW.pdf.