以多域模拟环境进行设备测试精确建模助NB-IoT推向市场

通讯系统的类比和数位元件相当复杂，因此精确建模便成为了解系统特性的重要关键。以近来备受关注的NB-IoT为例须在多域模拟环境下，对系统进行建模与评估。同时利用建模实例，搭配新型模拟方法，可深入研究射频收发器、先进数据机科技及非理想硬体设备。

在厘清对新标准的需求后，会由一群专家组成技术委员会，讨论与协商初步提案。完成草案后，便交给更多会员群组审查，寻求意见和最终审核。提案所有元素都会协商包括范围、主要定义和内容。

善用模拟技术加速研发

现在有越来越多人将模拟软体应用于新技术的研究，以加快制定标准，并减少硬体部署成本。窄频物联网标准，是专为物联网而设计的新型蜂巢式窄频技术，源于2014年的3GPP研究专案。第一个版本在2016年6月公布，并成为全球3GPP标准第13版内容一部分。此标准的主要目标为：改善室内覆盖范围、增加对大量低传输速率装置的支援、低延迟灵敏度、低装置耗电量、超低的设备成本、建立于LTE无线介面和网路上的最佳化网路架构。

NB-IoT规格预计将支援新式5G NB-IoT标准群播和定位，以持续演进并超越第13版。

图1 NB-IoT UL发射信号搭配15kHz副载波间隔范例，NPUSCH格式；1，12副载波与频谱遮罩。

PHY规格概说

3GPP TS 36.211第13版，V13.2.0(2016-06)为NB-IoT提供了实体通道和调变规范。新的装置类别Cat-NB1可支援数十kbps的速度与200kHz通道频宽。在此版本之前，eMTC(加强型机器类型通讯)资料速率支援高达1Mbps的可变速率，类型M1(Cat-M1)具1.4MHz的频宽。

窄频实体链路共用通道提供两种副载波间隔选择：亦即15kHz与3.75kHz。其中3.75kHz的额外选择，可为较具挑战性的位置提供更大的覆盖范围。我们可用二进位键控相移(BPSK)和正交键控相移(QPSK)，再分别搭配π/2和4π的相位旋转，进行资料副载波调变。资源单位的副载波数量选择可以是1、3、6或12，以支援单音频与多音频传输。窄频下行链路实体资源区块具有12个副载波与15kHz间隔，可提供180kHz传输频宽。为简化装置下行链路传输解码，我们选择舍弃涡轮码，改用去尾回旋编码机制。

NB-loT UL频谱

窄频下行链路实体资源区块具有12个副载波与15kHz间隔，可提供180kHz传输频宽。只支援一种QPSK调变机制。为了简化装置下行链路传输解码，我们选择舍弃涡轮码(Turbo Codes)，而改用去尾回旋编码机制(Tail Biting Convolutional Coding Scheme)。

无线电传输和接收

为了能够有效运用频谱资源，NB-IoT的设计包含三种不同运作模式：独立、频段内和保护频段。独立模式主要是将GSM载波替换成NB-IoT载波，频段内运作是在一般LTE载波内利用资源区块。而保护频段运作模式则采用LTE载波的保护频段。

对LTE服务供应商来说，频段内选项可提供最有效的NB-IoT部署。举例来说，因为NB-IoT可完全整合在现有LTE基础设施内，所以如果没有IoT讯务，便可能使用适合NB-IoT载波的实体资源区块(PRB)，而不做其他目的使用。如此即可让基地台调度器能在同一频谱中对LTE和NB-IoT讯务进行多工。

对深入参与3GPP标准化的企业来说，模拟不同操作情境下的NB-IoT和LTE共存是很常见的。图2和图3所示范例是在LTE系统为受干扰物，而NB-IoT为干扰源的情境下，频段内和保护频段运作模式的结果。考虑到NB-IoT下行链路副载波与LTE PRB正交，且两者皆从同一基地台进行传输，因此仅针对上行链路的情况进行共存评估。我们使用是德科技SystemVue通讯实体层模拟软体与其LTE-A参考资料库来建立模拟环境。

图2 LTE(10mhz)受干扰物与NB-IoT装置干扰源的频段内运作模式上行链路共存分析。刻意将两个频谱轨迹(图左)在同一张图中分离和重叠。共传送1000 LTE子讯框至传输速率分析。

图3 LTE(10MHz)受干扰物与NB-IoT装置干扰源的保护频段运作上行链路共存分析。刻意将两个频谱轨迹(图左)在同一张图中分离和重叠。总共传送了1000 LTE子讯框的传输速率分析(图右)。

各企业的模拟结果可能会因为建模方法有所不同。可能会因发生功率泄漏、调变和过滤而产生差异。但上述3GPP TR 36.802 V13.0.0模拟范例的基本结论是NB-IoT可与LTE共存。  

我们观察到以下几个重点：首先传输速率下降少于5%；再者，NB-IoT在第一个相邻LTE PRB造成一些干扰，但对其他PRB的干扰则微不足道或在可接受范围内；最后，保护频段中的共存较频段内运作模式略佳。

硬体设计考量

NB-IoT规格包括一系列设计目标：覆盖范围更大、装置电池寿命更长，以及因资料传输较小且分散而使装置成本更低。因峰值资料速率要求减少，我们得以在接收器链中采用简单的无线电与基频流程。透过NB-IoT半双工操作，便可以一个简单的开关，搭配为数较少的振荡器来产生频率，以取代常用LTE类型装置的双工滤波器。另外舍弃涡轮码而采用简单的下行链路回旋通道编码，也有利简化基频解码过程。

整个开发过程中投注了许多心血，才能实现所需的低成本、 低电源消耗设计目标。目前主要的架构竞争对象是零中频和低中频接收器，此类接收器将类比前端与数位基频信号处理整合在单一晶片上。然而，每种架构都有一些结构性问题必须解决。LO泄漏和自混合造成的直流偏移会使零中频接收机的所需信号降级。而对低中频接收机来说，不理想的硬体则会造成I和Q信号路径间的振幅与相位不符。因此会造成所需的信号降级及干扰信号泄漏。为了能够更清楚的了解各种架构的缺点，可透过我们的模拟软体，以系统模型来对架构进行审视。

在图4所示的一般低中频接收器架构中，天线中的输入射频信号会由频段选择滤波器过滤，并由低杂讯放大器进行放大。正交解调器会将射频信号降频成复合低中频信号，并以相位与正交信号代表。中频信号会通过低通滤波器(LPF)，然后由ADC进行采样。ADC取样并转换后，数位化中频信号便会降频为基频，产生数位复合信号。

图4 低中频接收器架构

只要使用适当的低中频，这种架构即可避免零中频接收器常见的直流偏移和1/f杂讯问题。但如此一来也再次产生了影像问题。在LNA(图4)后虽可达到影像取消，但是需要进行窄频滤波，因此使复杂性和设备成本显著增加。这样的影像问题可透过精密的混频技术，再搭配低中频接收器的滤波技术来处理。

图5是一个低中频架构建模的好例子，并包括非理想硬体条件的各种影响。所要信号与干扰信号皆以复合波封资料格式产生并结合，如图左侧所示。中间部分是正交解调变区块，对I/Q失配情况进行建模。解调变信号分成上下两种路径，而低通则经过滤波并转换为数位信号。图的右边可看到数位信号的I/Q不平衡补偿处理，及补偿前后进行差错向量幅度(EVM)计算与比较。这种类型的电子系统级设计(ESL)和模拟，在执行装置电路级设计前对IC设计工程师极为重要。此模拟环境可提供以下支援：

图5 低中频接收器I/Q不平衡补偿模拟配置

·类比和数位信号处理。

·结合时间和频率域特性。

·动态模拟与自调适参数更新。

·硬体缺陷建模，例如：非线性(PA)、群组延迟(滤波器)、相位杂讯(振荡器)、频率偏移、I/Q失配(调变器/解调器)、抖动以及主动元件的量子化效应。

在此案例研究中，我们采用是德科技的SystemVue通讯实体层模拟软体。

射频系统晶片方法

为了满足NB-IoT应用极富挑战性的预算需求，应开发低成本的单晶片产品以让此服务得以成功部署。功率放大器和天线开关的整合可降低前端射频元件数量，使路由得以简化。也缩小了印刷电路板(PCB)对区域的需求。单音频传输技术的应用则使具备峰值对均值功率比(PAPR)的PA成为可能。含有节能晶片PA的功率系统级射频晶片可能会在其饱和区附近运作，以得到最大输出功率，而前述应用则对此晶片的部署有所帮助。

有鉴于整合式晶片PA与外部PA各有优缺点，因此我们采用射频与基频跨域模拟技术，对非线性PA的EVM在NB-IoT上行链路所造成的影响进行分析。我们来考虑一下图6中的模拟建置。SystemVue LTE-A资料库支援单音频与多音频传输，我们使用此资料库来产生基频信号。基频信号由两个数位滤波器进行过滤，然后送至调变器以产生中心为载波频率的频谱。而后使用放大器特性模型来放大信号。可透过1dB压缩点或P1dB来设定PA的线性度。PA将信号放大后会由接收器进行解调变，以判断误差向量振福(EVM)。我们对PA的EVM与P1dB进行模拟，评估PA对传输信号品质的非线性影响。

图6 NB-IoT上行链路模拟设定

单音频传输的EVM值都很小(副载波间隔为3.75kHz时低于0.08%，间隔为15kHz时则小于0.9%)。因此我们可以得到结论，针对单音频副载波间隔，PA的非线性度对EVN所造成的影响非常小。

根据模拟结果，音频数量为3、6和12的信号，PAPR分别为4.8dB、5.7dB和5.6dB。图8显示当PA的P1dB降低时，EVM会显著增加。因此我们可以得到结论，针对多音频传输，PA的非线性度对EVM有不利影响。

图7 以3.75 kHz(图左)和15 kHz(图右)副载波进行单音频传输之回退PA的EVM与P1dB。我们采用200 kHz频宽的数位滤波器。PA的输入功率为20dBm，并故意将增益设为0以进行模拟。

图8 以15kHz副载波进行多音频传输之回退PA的EVM与P1dB。数位滤波器已经旁路。PA的输入功率为20dBm，并故意将增益设为0dB以进行模拟。

我们从这个模拟中学到在单音频传输的情况中，可将晶片内部分降低PAPR的电路移除，以大幅降低晶片设计复杂度。若考虑NB-IoT应用的主要层面，在超低功率与低成本的应用中，将只支援单音频传输的装置与晶片非线性PA加以整合会有很大的帮助。

硬体验证挑战与测试方案

NB-IoT在开发过程，将此技术实现不可或缺的，就是测试解决方案帮忙把关。这包含整个供应链，例如NB-IoT网路基础设施提供商、NB-IoT晶片开发、广大物联网器件设计和生产厂商、以及运营商和认证实验室。

对于NB-IoT网路基地台厂家，弹性化与灵活的配置与升级，对验证多种行动通讯规范非常重要，这样便可以无论在开发阶段、系统验证或生产，都能一致性使用，降低设备投资成本。广泛应用的X系列信号产生器和信号分析仪以及LTE嵌入式测量软体，提供便捷的NB-IoT应用软体升级，以完成基地台射频的NB-IoT验证测试。

对于NB-IoT终端晶片和模组厂家，和手机类产品测试不同，NB-IoT带来了一些特殊挑战，包括功耗测试要求更高、与现有LTE设备实现交互操作、提高覆盖及稳定性以及进一步降低大量产线的成本。这时需NB-IoT连线测试方案，如E7515A，帮助NB-IoT工程师在实验室中轻松重建真实场景，执行准确和可重复性的测量，所幸这类仪器可透过原LTE的测试设备升级完成，大大降低投资成本。

由于NB-IoT大量不同的设置需要进行测试，测试复杂性显著增加，在这种情况下，可借助自动化平台，例如Keysight TAP自动化测试软体平台所提供的测试流程序列及分析功能，为工程师提供数百个自动测试案例，从而极大缩短的用户的测试时间。

除此，还需考量相符性测试，需要即时提供认证是很重要的。除了利用既有系统升级外，还需考量是否使用很快能通过系统认证的相符性系统测试。Keysight T4010S优先透过既有的相符性系统，直接升级按照3GPP NB-IoT测试规范，该相符性测试系统与Keysight LTE射频和RRM案例环境一样，可以通过升级包轻松实现NB-IoT认证能力。在窄带物联网射频验证测试方面，是业界第一获得全球认证论坛(GCF)认证的测试平台(TP 195)。

图9 利用完整的测试解决方案，在不同阶段提供NB-IoT产业链所需验证方案。

NB-IoT的电流分析是物联网低功耗测试的关键，各种待机或连接状态下的电源功耗的分析可借由元件电流波形分析仪或电源分析仪有效分析。

同时，需考虑了低成本的产线测试方案，保证NB-IoT产品更快推向市场。升级Keysight E6640A非信令无线测试仪，可提供NB-IoT产线测试。

第一个NB-IoT规格在3GPP第13版中完成。其目的是提供一种低成本设备，增加覆盖区域，并提供更长的电池寿命与持续可达性。尽管NB-IoT应用已降低对性能的要求，并采用相同的LTE基础设施，但开发这些新产品仍是一项艰难的任务，需要有精确的设计目标。开发低成本设备应将所选系统规格的各种接收器拓扑结构、元件整合方法和性能评估都纳入考量。在矽前处理期间，工程师应在虚拟环境中以精密的模拟工具进行设备测试，并执行矽后验证。是德科技提供从预研模拟、设计开发到相符性验证以及大量生产的整个NB-IoT的产品生命周期的测量解决方案。