准备好采用LTE和LTE-Advanced了吗——测试设备是否就位？

长期演进（LTE）技术正迅速在全球得到普及，仅在2010年4月一个月，就有60多个LTE网络在实施部署中。LTE对测试设备能力的挑战超过自 WLAN技术实施以来的任一次技术升级和迁移。为确保明智地选购到可对这些标准进行测试的设备，不仅需要对LTE物理层同时也还要对LTE- Advanced的物理层有详尽了解。LTE和LTE-Advanced对测试设备要求的改变，是自从2000年初起引入802.11无线局域网技术以来所未有的。

　　LTE简介

　　LTE是受热捧的新的蜂窝移动通信标准，它承诺提供高速视频下载并在蜂窝网络中支持更多用户。智能手机的急剧增长在数据传输速率能力和容量两个方面显然都对现有的WCDMA（3G）网络提出了挑战。

　　3GPP在2004年开始开发LTE。2008年12月，3GPP发布了LTE标准的Release-8，它强化了上行和下行信号的空中接口定义。目前已有Release-9，但其中的空中接口没有显著变化。全球电信运营商对LTE的接受度正在快速增长，如到2010年4月为止，全球已经有超过60个 LTE部署。

　　LTE-Advanced标准在2009年提交给国际电信联盟（ITU），3GPP在2011年批准了该标准。LTE- Advanced使得LTE成为一种真正的“4G”技术，它满足1Gb/s的峰值数据速率要求。LTE-Advanced的试验业已展开，预计在未来2至 3年，会得到广泛部署。因LTE-Advanced建构于LTE之上，所以与从WCDMA过渡到LTE相比，预计LTE-Advanced的部署有望快且容易得多。

　　LTE下行信号结构

　　LTE的下行信号使用正交频分多址接入（OFDMA）调制方式，OFDMA基于802.11无线局域网。OFDM具有比扩频调制好得多的频谱效率，且同时对窄带干扰信号具有更好的抵抗力。

　　LTE采用OFDM调制（如WLAN所用），并进一步对系统进行了时间复用。时间复用技术允许系统支持更多用户，因为它支持基于实际数据使用需求共享带宽，而不是将时间全部分配给一个用户。在WCDMA系统和WLAN这两个系统中，即使只有几千位的数据需要传输，用户也100％地占有所分配信道的整个时间，从而导致整体效率要低得多。

　　

　　图1：OFDMA调制

　　图1说明了LTE系统内的OFDMA是如何工作的。频谱被分为多个子载波，每个频带的带宽为15kHz。而WLAN使用的子载波的带宽是宽得多的 312.5kHz，所以频谱效率要低。基于产生OFDM信号（图2）的DSP技术，通常会得到一个sin（x）/x或sinc（x） 函数响应。为使系统正常运行，一个子载波的空值必须与相邻子载波的峰值排列（line up）起来，这样，这两个信号就不会互相干扰。要做到这点，我们按符号速率的倒数，决定子载波的带宽。在LTE系统，符号速率是66.7？s，这相当于 15kHz的载波带宽。

　　

　　图2：OFDM信号的Sinc（x）响应

　　

　　图3：LTE的资源块定义

　　为进一步提高效率、增加用户数量，它实时分配各个子载波。这与用于WLAN的OFDM技术明显不同；在WLAN，用户在整个时间都占用一个给定信道的所有子载波。最后，LTE的每个子载波都有其自己的调制阶（可取：QPSK、16QAM或64QAM）。当考虑到将在本文后面讨论的自适应调制时，最后这一功能很重要。

　　在LTE系统内，用资源块（RB）描述下行和上行信号的时间和频率分割，如图3所示。

　　LTE系统根据数据用法分配资源块。下载视频的用户将比用手机通话的用户获得更多的资源块。每个资源块占有180kHz 频率带宽、历时0.5ms。资源块由资源元素构成，每个元素代表频谱内的1个子载波，最多可携带6位（假设采用64QAM调制）。因此，一个资源块由12 个资源元素组成，意味着在总共180kHz内有12个子载波（15kHz带宽）。

　　上行信号构造

　　因手机（UE）是由电池供电且可用功率更少，所以上行信号受到的约束更多。降耗举措要优先于最大可能的数据吞吐量。在LTE下行，采用单载波频分多址（SC-FDMA）以降低功放的功耗。因SC-FDMA的峰/均值比要低得多，所以其对线性的要求小于OFDM调制。这样就以较低的上行数据传输速率换取了更长的电池续航时间。

　　

　　图4：SC-FDMA调制与OFMDA调制的对比

　　SC-FDMA是在一个载波上串行传输数据，而OFMDA是在多个载波上并行传输数据。不同数据流的串行传输往往使总和的信号有更多的随机特性，从而降低了信号的峰/均值比。OFDMA和SCFDMA的“载波”时长都是一个时隙（0.5ms）。SC-FDMA的最小频率分配是1个资源块，也即 180kHz。

　　LTE的一个关键设计目标

　　LTE的一个关键设计目标是在支持更多用户的同时，提高从一个信道更有效地获取更多数据的能力。虽然LTE设计的许多方面都有助于实现该目标，但自适应编码、带宽调整和多输入多输出（MIMO）技术是其中三项关键举措。

　　LTE系统采用的自适应编码允许系统调整每个子载波的调制阶——在20MHz的LTE信道，有多达1200个子载波。这种技术提供了一种根据特定频率的信号质量调整每个载波上传输块的大小（即数据量）的能力。

　　图5显示了为在该信道最大限度地提高数据传输能力，一种可能的信道频率响应和相应的自适应调制编码结果。在该信道的频率响应中，人们会看到2个空值。这可能是由多普勒效应或某些窄带干扰信号引起的。在LTE系统中，UE（手机）给基站发送一个称为信道质量指示（CQI）的信号。然后基站会对信道内的子载波的调制制式进行调整（或调适）。参考图5，这些载波不是没有调制（即没有数据）就是采用的是QPSK（低阶、抗错）调制。

　　

　　图5：自适应调制编码（AMC）

　　LTE系统根据所需的数据使用情况，调整信道带宽。这与WCDMA系统形成鲜明对比，在WCDMA系统，不管数据速率，用户始终使用整个信道带宽（即5MHz）。LTE的做法显著提升了信道效率。进行简单语音通话的用户不应与收发视频流的用户占用相等的资源。

　　

　　图5：LTE中的带宽调整

　　LTE的可用带宽如表1所示。

　　

　　表1：LTE的带宽和资源块分配

　　MIMO技术是支撑LTE的最后一项关键技术。MIMO技术借助不同的物理天线发送和接收不同的数据流，以提高数据吞吐量并提高传输可靠性。MIMO系统采用了多种技术，其中可能包括传输路径分集、波束控制和波束成形。

　　路径分集利用了如下事实：多个天线的信号传输路径将遵循不同的物理路径，当一个信号因衰减等原因出现恶化时，其它信号会传输得很好并几乎“原汁原味”地达到接收器。波束控制是调整天线间信号的相位，以“引导”或将信号聚集到一个特定接收器，这样，在不增加整体发射功率的前提下，在接收器端，就得到了更好的信号强度。最后，波束成形是一种用来调整对不同天线如何进行数据编码以在信道实现最好传输的一种技术。波束成形基于如下原则：从2或多个物理上分离的天线发送的信号将经由2或多个非相关的信道传输，因此，可采用特殊的数据编码技术以最大限度地提高传输吞吐量并提升传输信号的完整性。

　　

　　测试LTE和LTE-Advanced设备

　　3GPP发布的文件TS36.521和TS36.101完善定义了LTE和LTE-advanced设备的物理层测试。当开发一种生产测试方案时，物理层测试是要考虑的主要测试。表2列出了用于LTE的关键测试。

　　

　　表2：关键的LTE物理层测试

　　比之于以前推出的蜂窝标准（即WCDMA），LTE没有引入任何真正新的测试或设备规范。发射功率、误差向量幅度（EVM）以及接收灵敏度测量对具有以前蜂窝系统测试经验的人来说，都是熟悉的。

　　由于带宽的增加，LTE和LTE-Advanced对测试提出了新的巨大挑战。图6给出了LTE和LTE-advanced的最大信道带宽。LTE的带宽是W-CDMA的4倍，而LTE-Advanced的则是W-CDMA的20倍。

　　

　　图6：LTE和LTE-Advanced的带宽

　　大量的传统测试设备甚至无法测试LTE，而目前的许多系统也不具备LTE-Advanced系统所要求的100MHz IF带宽。在为当今的LTE测试选用设备时，必须小心谨慎以确保它有能力测试2年后（或更短）就将量产上市的LTE-advanced设备。 LitePoint IQxstream就是为满足LTE-advanced设备的测试需求设计的，它具有100MHz的中频（IF）带宽。它允许IQxstream能在一次采集中捕获LTE-Advanced系统内的全部5个20MHz信道。有了这种能力，可以很容易地观察到任意信道间的任何时变特征。

　　LTE不仅对带宽提出了挑战，它还推动了对MIMO的测试要求。正确的MIMO测试要求独立地捕获并产生发送给以及来自UE（手机）的信号。 MIMO系统依赖于非关联信号，图7描绘了用LitePoint IQxstream测试仪验证2×2 MIMO UE的情况。为产生真正的非关联信号，必须采用单独的矢量信号发生器（VSG）资源。为正确传输测量结果，还要求使用单独的矢量信号分析仪（VSA）资源。设计IQxstream时，已考虑到这一要求，为正确地进行MIMO测试，它提供了2个独立的VSA和VSG资源。

　　

　　图7：使用一台IQxstream将可将MIMO LTE测试资源连接到一台LTE 2x2 MIMO设备

　　本文总结

　　LTE和LTE-Advanced给蜂窝通信系统带来巨大变化，在从GSM过渡到W-CDMA系统后的这近10年时间里，没有其它技术改变堪与之比肩。 LTE系统使用OFDM调制规则以更迅捷地将更多数据发送给更多用户。随着移动用户吁求更高的数据速率和更强健的连接以真正享有云计算和存储系统的好处，系统带宽将从最初LTE的20MHz提高到LTE-Advanced系统的100MHz。此外，LTE具有的MIMO功能将能同时提高无线链路的质量以及为先进的新应用提供更高的数据速率。测试和制造专业人士需充分了解LTE和LTE-Advanced物理层建构以确保在选购测试设备时不仅了解LTE的要求，且同时要考虑到，测试设备也还需对LTE-Advanced进行测试。