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      NB-IoT終端射頻測(cè)試全接觸
      ——CMW測(cè)試方案簡(jiǎn)介

      2018-04-08 06:14:26劉軼旻羅德與施瓦茨中國(guó)科技有限公司
      信息通信技術(shù)與政策 2018年3期
      關(guān)鍵詞:窄帶信令載波

      劉軼旻 羅德與施瓦茨(中國(guó))科技有限公司

      1 引言

      NB-IoT(NarrowbandIoT)是未來(lái)智能社會(huì)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的重要支撐技術(shù),它從設(shè)計(jì)之初就得到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。隨著技術(shù)路線圖的確定和產(chǎn)業(yè)鏈上下游的充分發(fā)展,NB-IoT技術(shù)已在世界多地呈現(xiàn)出高速成長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。在我國(guó),3家主要電信運(yùn)營(yíng)商都已積極投入資源參與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和試驗(yàn)工作,并逐步開(kāi)展了商業(yè)運(yùn)營(yíng)。從終端角度來(lái)說(shuō),已有不少物聯(lián)網(wǎng)模組企業(yè)推出了較為成熟的產(chǎn)品,終端品種將越來(lái)越豐富。根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn),隨之而來(lái)的NB-IoT終端產(chǎn)品測(cè)試問(wèn)題將成為業(yè)內(nèi)各單位需要共同應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn),國(guó)內(nèi)權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)中國(guó)泰爾實(shí)驗(yàn)室已在2017年年底宣布開(kāi)展NB-IoT終端的入網(wǎng)準(zhǔn)入測(cè)試。因此,無(wú)線終端產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員很有必要深入學(xué)習(xí)和掌握這門新技術(shù)的規(guī)范化測(cè)試方法以及測(cè)試工具的使用。

      2 技術(shù)特點(diǎn)

      NB-IoT主要技術(shù)特點(diǎn)如下:

      (1)NB-IoT相比其他技術(shù)有著小帶寬(180kHz,含保護(hù)帶寬為200kHz),高靈敏度(應(yīng)對(duì)諸多極限連接場(chǎng)景),大容量、多連接(每小區(qū)可容納5萬(wàn)個(gè)連接),極低功耗(電池壽命需要達(dá)到數(shù)年以上),允許高時(shí)延(最大可到10s),低成本(單模塊幾美元)等突出特點(diǎn)。

      (2)NB-IoT和LTE有著密切的關(guān)系,其底層形態(tài)和協(xié)議棧結(jié)構(gòu)與LTE有很多共同之處,核心網(wǎng)絡(luò)則繼承和發(fā)展了LTE的EPC模式。

      (3)使用FDD的半雙工模式,目前已分配的工作頻段包括1、2、3、5、8、11、12、13、17、18、19、20、21、25、26、28、31、66、70等??瑟?dú)立部署,也可在LTE系統(tǒng)的保護(hù)頻帶上部署,還可以在LTE已規(guī)劃頻段內(nèi)部署。

      (4)射頻傳輸總帶寬為180kHz,即LTE1個(gè)RB的寬度;下行采用OFDMA多址方式,子載波間隔15kHz,QPSK調(diào)制方式;上行采用SC-FDMA方式,支持15和3.75kHz兩種子載波間隔,根據(jù)上行方向共享傳輸信道格式的不同,上線支持單載波(SingleTone)和多載波(Multi-tone)調(diào)度方式,分別使用BPSK和QPSK調(diào)制方式,對(duì)應(yīng)不同工作場(chǎng)景。

      (5)下行方向時(shí)域采用了和LTE相類似的“符號(hào)—時(shí)隙—子幀—幀”結(jié)構(gòu),另外還設(shè)計(jì)了一個(gè)“超幀”概念,包括1024個(gè)幀,時(shí)長(zhǎng)約3h左右;上行方向如果采用15kHz信道間隔,則時(shí)頻結(jié)構(gòu)與下行類似,如果采用3.75kHz信道間隔,則時(shí)隙長(zhǎng)度擴(kuò)展成了2ms,即15kHz信道間隔時(shí)的4倍,而每時(shí)隙內(nèi)符號(hào)數(shù)保持不變。

      (6)上行方向的功率控制,除了考慮小區(qū)允許最大發(fā)射功率的限制,還需要考慮分配給終端的子載波個(gè)數(shù)、開(kāi)環(huán)起始目標(biāo)功率及路損的影響,受開(kāi)環(huán)功率控制的影響較大。

      (7)下行信道有窄帶物理廣播(NPBCH)、窄帶物理下行共享(NPDSCH)和窄帶物理下行控制(NPDCCH)等;上行信道有窄帶物理隨機(jī)接入(NPRACH)和窄帶物理上行共享(NPUSCH)。下行物理層信號(hào)有窄帶主輔同步和窄帶參考信號(hào),上行物理層有解調(diào)參考信號(hào)。

      (8)考慮到低成本、低功耗、大連接,且移動(dòng)性管理場(chǎng)景需求不強(qiáng)烈的特點(diǎn),NB-IoT在RRC層信令、系統(tǒng)消息、尋呼過(guò)程、接入過(guò)程、數(shù)據(jù)鏈路構(gòu)成和傳輸方式等方面都進(jìn)行了很多簡(jiǎn)化;為增強(qiáng)覆蓋性能,還設(shè)計(jì)了雙向重復(fù)傳輸(Repetition)模式,最大允許200次重傳。

      (9)支持功耗節(jié)省模式(PowerSavingMode)和增強(qiáng)型不連續(xù)接收(eDRX),以減小電池的消耗。

      (10)下行方向速率最大可達(dá)250kbit/s,上行方向速率最大可到20kbit/s。

      3 射頻測(cè)試需求

      NB-IoT在3GPP規(guī)范體系的R13版本中正式推出,其終端射頻一致性測(cè)試要求并未單獨(dú)發(fā)布,而是與eMTC、V2X等新技術(shù)一起包括在LTE終端測(cè)試規(guī)范TS36.521當(dāng)中,并隨該規(guī)范的不斷更新而持續(xù)完善。通過(guò)研讀R14版本規(guī)范(2017年9月發(fā)布)可知。

      對(duì)發(fā)射機(jī)測(cè)試,需要考察時(shí)域的最大/最小功率、最大功率回退、配置功率、開(kāi)關(guān)時(shí)間模板(含接入信道)以及功率控制等指標(biāo);調(diào)制域的EVM和頻率誤差、載波泄露與帶內(nèi)發(fā)射等指標(biāo);頻域的鄰道泄露功率、頻譜發(fā)射模板、占用帶寬、帶外雜散發(fā)射和LTE帶內(nèi)共存等指標(biāo)。

      對(duì)接收機(jī)則需要分別考察靜態(tài)和衰落條件下的表現(xiàn)。靜態(tài)信道下,接收機(jī)測(cè)試包括了重傳和非重傳條件下的絕對(duì)靈敏度、最大輸入電平、鄰道抑制、帶內(nèi)和帶外阻塞、雜散響應(yīng)和寬帶互調(diào)等指標(biāo)。衰落信道下,接收機(jī)測(cè)試考察終端對(duì)NPDSCH和NPDCCH信道的解調(diào)能力,具體包括LTE帶內(nèi)部署、單獨(dú)部署和LTE帶間部署情況;基站單天線和分集發(fā)射共4種不同場(chǎng)景。以上大多數(shù)收發(fā)測(cè)試用例都會(huì)根據(jù)上行信號(hào)的調(diào)制方式、子載波間隔等預(yù)置條件的不同而進(jìn)行多次測(cè)試。

      4 其他典型實(shí)驗(yàn)室測(cè)試需求

      除上述射頻一致性測(cè)試要求之外,根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需要,開(kāi)發(fā)人員通常還要完成以下復(fù)雜測(cè)試任務(wù):

      (1)NB-IoT只設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用,IP層的相關(guān)功能、業(yè)務(wù)能力的驗(yàn)證就顯得非常必要。

      (2)NB-IoT終端對(duì)電池壽命的要求非??量?,必須進(jìn)行精確的電流測(cè)試以保證設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)。

      (3)NB-IoT作為全新的接入網(wǎng)技術(shù),協(xié)議棧只能逐漸地成熟完善,早期與信令消息相關(guān)的測(cè)試和問(wèn)題定位的需求很迫切。

      (4)NB-IoT終端可能攜帶敏感信息,即如何保障IP系統(tǒng)的安全、如何對(duì)抗“黑客”的入侵。

      5 CMW測(cè)試方案簡(jiǎn)介

      NB-IoT終端的一個(gè)基本定位是“低成本”,但是從上面的說(shuō)明可以看到,NB-IoT相關(guān)的射頻測(cè)試要求卻非常高,這就意味著需要投入足夠的資源才能從測(cè)試的角度保證產(chǎn)品性能的可靠。如何平衡研發(fā)、生產(chǎn)的測(cè)試投入與經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)出之間的關(guān)系,難度不小,用戶希望的是使用適當(dāng)?shù)耐顿Y就能獲得功能強(qiáng)大的NB-IoT測(cè)試平臺(tái)。

      Rohde&Schwarz公司的CMW500射頻測(cè)試儀恰恰為所有這些需求都提供了良好的解決方案。CMW500不僅支持主流的2/3/4G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)和WLAN、藍(lán)牙這些短距無(wú)線連接技術(shù),現(xiàn)又將其測(cè)試能力擴(kuò)展到了NB-IoT和eMTC等物聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù)領(lǐng)域。在LTE時(shí)代,CMW500憑借優(yōu)異的表現(xiàn)而成為產(chǎn)業(yè)界事實(shí)的標(biāo)桿。而對(duì)NB-IoT技術(shù),用戶只需在CMW500平臺(tái)上做一定的軟硬件升級(jí),即可獲得全面的終端測(cè)試能力??紤]到LTE和NB-IoT高度融合的特性,在一個(gè)平臺(tái)上平穩(wěn)升級(jí)的方案,無(wú)論在能力的兼容、可靠性和精度的保證,還是既有投資的保護(hù),都是一個(gè)非常好的選擇。CMW500的最新固件版本已支持NB-IoT的信令和非信令測(cè)試,尤其需要指出的是,它的信令(基站模擬)功能非常優(yōu)秀,用它可以簡(jiǎn)化測(cè)試,幫助用戶驗(yàn)證更多的問(wèn)題,CMW500是目前市場(chǎng)上僅有的幾種支持NB-IoT信令模式的儀表之一。

      通過(guò)儀表的用戶界面和實(shí)測(cè)結(jié)果可以看到,CMW500支持設(shè)定NB-IoT基站的基礎(chǔ)參數(shù),主要包括:

      ●頻段、信道;雙工方式;子載波間隔(15或3.75kHz);小區(qū)ID;部署模式(單獨(dú)部署、LTE保護(hù)帶內(nèi)或LTE頻段共存部署);終端側(cè)接收到的NRS參考信號(hào)的強(qiáng)度等。

      ●可支持單純的射頻測(cè)試連接(僅底層協(xié)議)和數(shù)據(jù)應(yīng)用模式連接(含IP等高層協(xié)議)。在射頻測(cè)試連接模式下,可設(shè)置不同類型鏈路類型,如專門用于發(fā)射、接收測(cè)試的“ULRMC”和“DLRMC”模式,載波數(shù)量和其起始位置、調(diào)制指數(shù)等信息可以調(diào)節(jié);針對(duì)數(shù)據(jù)應(yīng)用模式,可設(shè)置有收發(fā)雙向數(shù)據(jù)的用戶自定義模式,以便同時(shí)連續(xù)調(diào)度上行和下行數(shù)據(jù),相對(duì)“UL RMC”和“DLRMC”更加靈活。

      ●NPRACH/NPUSCH信道功率控制相關(guān)設(shè)置,如空口NB-IoT參考信號(hào)強(qiáng)度、期望的初始接入信號(hào)強(qiáng)度、NPUSCH的P0期望功率和路損因子α等參數(shù)。

      ●網(wǎng)絡(luò)PLMN設(shè)置;安全相關(guān)設(shè)置,包括測(cè)試USIM卡相關(guān)參數(shù);網(wǎng)絡(luò)側(cè)加擾的打開(kāi)或關(guān)閉。

      ●NPDSCH和NPUSCH重復(fù)模式的設(shè)置。

      ●可支持PSM模式和eDRX相關(guān)參數(shù)設(shè)置(見(jiàn)圖 1)。

      圖1 NB-IoT基站高級(jí)設(shè)置菜單

      從測(cè)量能力上可以看到,CMW500的NB-IoT測(cè)試應(yīng)用工具具備如下功能:

      ●終端基本信息的獲取,如注冊(cè)狀態(tài),IMEI/IMSI等身份信息,終端能力等級(jí);默認(rèn)承載的建立和IP地址的分配(見(jiàn)圖2)。

      ●終端與儀表之間交互的所有信令消息,可通過(guò)CMWmars工具記錄、查看和分析(見(jiàn)圖3)。

      ●發(fā)射機(jī)、接收機(jī)射頻測(cè)試,可針對(duì)功率(包括功率回退、配置功率、開(kāi)關(guān)時(shí)間模板等)、調(diào)制性能(EVM、Frequency/Phase Error、IBE等)、頻譜(頻譜模板、占用帶寬)、BLER和物理層吞吐量等基礎(chǔ)指標(biāo)進(jìn)行全方位測(cè)量。可針對(duì)NPUSCH和NPRACH兩種信道分別進(jìn)行測(cè)試(見(jiàn)圖4、5、6)。目前,CMW500配合信號(hào)源、頻譜儀等設(shè)備,可以完成上述3GPP測(cè)試規(guī)范中第6、7章的24個(gè)用例的測(cè)試,覆蓋面達(dá)到86%。

      圖2 NB-IoT基站基礎(chǔ)設(shè)置以及數(shù)據(jù)應(yīng)用模式(Data Application)連接下終端身份信息的獲取,IP地址的分配

      ●可以根據(jù)NPUSCH信道觸發(fā)測(cè)量,測(cè)試更精準(zhǔn);不僅可以給出單純的數(shù)值形式結(jié)果,還可提供豐富的圖形結(jié)果,信息量豐富。

      ●IP層相關(guān)測(cè)試,CMW500支持通過(guò)控制面(C-Plane)和用戶面(U-Plane)承載IP數(shù)據(jù),使用者可以運(yùn)行PING以及Iperf灌包等IP層工具驗(yàn)證終端業(yè)務(wù)能力,并通過(guò)CMW500提供的IP抓包和IP安全分析工具來(lái)進(jìn)行問(wèn)題定位和網(wǎng)絡(luò)安全性能驗(yàn)證(見(jiàn)圖7、8、9)。

      ●非信令測(cè)試模式下,ARB信號(hào)源可播放使用R&SWinIQSIM2軟件工具制作的非信令波形文件,發(fā)射機(jī)測(cè)量工具可脫離信令模塊單獨(dú)工作,滿足生產(chǎn)線相關(guān)的模塊校準(zhǔn)和驗(yàn)證測(cè)試要求,節(jié)省投資。

      ●配合使用CMWrun自動(dòng)化測(cè)試軟件,可高效完成終端射頻測(cè)試,腳本編輯方便,用戶界面友好(見(jiàn)圖10)。

      圖3 正常注冊(cè)過(guò)程中,NB-IoT終端和CMW500之間的信令交互

      ●配合使用R&SRT-ZVC多通道功率探頭和CMWrun自動(dòng)化測(cè)試軟件,可進(jìn)行NB-IoT終端,尤其是在使用真實(shí)電池的情況下,電流的變化情況,CMW500模擬網(wǎng)絡(luò)各種行為,并提供準(zhǔn)確的信令動(dòng)作觸發(fā)RT-ZVC的測(cè)量,以便記錄下注冊(cè)、發(fā)起數(shù)據(jù)連接等關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)功耗的變化,測(cè)試全程自動(dòng)化進(jìn)行(見(jiàn)圖11)。

      圖4 發(fā)射機(jī)測(cè)試,NPUSCH信道測(cè)試結(jié)果

      圖5 發(fā)射機(jī)測(cè)試,NPRACH信道測(cè)試結(jié)果

      圖6 接收機(jī)測(cè)試,包括BLER和吞吐量等指標(biāo)

      圖7 NB-IoT的數(shù)據(jù)應(yīng)用模式連接下,從CMW500向終端發(fā)起PING測(cè)試,可見(jiàn)PING時(shí)延在2s以上,符合NB-IoT低速連接的技術(shù)特點(diǎn)

      圖8 數(shù)據(jù)應(yīng)用連接下的Iperf灌包測(cè)試,可見(jiàn)左側(cè)有極低的綠色上行速率,表明CMW500接收到了終端發(fā)出的UPD數(shù)據(jù)包

      圖9 使用IP安全分析工具,記錄下NB-IoT終端訪問(wèn)的真實(shí)網(wǎng)站的位置信息

      面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,Rohde&Schwarz公司已做好準(zhǔn)備,CMW500射頻測(cè)試儀將用優(yōu)秀的表現(xiàn),繼續(xù)為用戶的測(cè)試工作提供可靠、準(zhǔn)確的保障。Rohde&Schwarz公司愿和業(yè)內(nèi)同仁一起攜手,為我國(guó)NB-IoT產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

      圖10 CMW500 NB-IoT射頻測(cè)試腳本覆蓋發(fā)射、接收測(cè)量

      圖11 RT-ZAC多通道探頭與CMW500配合測(cè)量NB-IoT終端的電流消耗

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