测量解决方案之 LTE-Advanced 生产测试 了解 LTE-Advanced 载波聚合下的终端生产测试 应用指南 概述 3GPP 标准第 10 版引入的载波聚合 (CA) 是 LTE-Advanced 新增的一个重要特性, 可支持多个 LTE 载波合并以增加单个信道的带宽, 从而提高数据速率和吞吐量 鉴于运营商分配到的频谱资源有限且分布零散, 载波聚合可以提供有效的方法, 帮助运营商满足日益提高的网络数据需求 LTE-Advanced 需要兼容此前的 LTE 标准 为此,LTE-Advanced 载波聚合规范也支持 3GPP 标准第 8 版定义的载波聚合方式, 可以确保现有 LTE 终端设备正常接入, 同时借助载波聚合技术提升新终端设备的数据吞吐速率 大多数 LTE-FDD 运营商获准使用的频谱无法支持最宽带宽, 因此载波聚合通常选择 5 或 10 MHz 的带宽 在频分双工 (FDD) LTE-Advanced 系统中, 上行链路聚合子载波数量必须始终少于或等于下行链路聚合子载波数量 载波带宽可以不同, 例如 5 MHz 载波可以与 10 MHz 载波聚合, 这也是常见的情形 在时分双工 (TDD) 系统中, 上行链路和下行链路共享同一频段 根据第 10 版标准的要求,TDD 系统上行链路与下行链路的聚合子载波数量以及子载波带宽都必须一致 而 3GPP 第 11 版修订了上述定义 : 支持 TDD 在不同频段使用不同的上行链路和下行链路配置 第 8 版标准中定义的 LTE 载波称为子载波 (CC) 子载波可以使用 3GPP 定义的任意 LTE 带宽 : 1.4 3 5 10 15 或 20 MHz 载波聚合支持最多 5 个子载波合并, 以实现 100 MHz 的理论最大带宽 图 1. 载波聚合简化示意图 多个 LTE 载波合并以提升单个信道带宽, 从而提高数据速率和吞吐量, 同时充分利用可用频谱
第 10 版标准定义了两类 LTE- Advanced 载波聚合 : 频段内载波聚合和频段间载波聚合 频段内载波聚合子载波占用同一 LTE 频段中的不同信道 这些信道可以是连续 ( 相邻 ) 信道, 也可以是非连续信道, 甚至是连续和非连续信道的组合 ( 适用于 3 个或以上子载波聚合的情形 )( 图 2) 部分芯片组使用单接收机方式支持上述特性 而频段间载波聚合的子载波处于不同频段 ( 图 3), 因此需要使用两个或更多接收机来实现 此类载波聚合的成本较高, 但更被运营商所需要, 因为此类聚合可以利用不同频段中的离散频谱资源 LTE-Advanced 网络支持仅下行链路聚合或下行与上行链路的同时载波聚合 下行链路载波聚合将率先部署, 因为下行分组数据传输需求更为迫切 图 2. 连续和非连续信道频段内载波聚合 图 3. 不同频段信道的频段间载波聚合 2
问题 载波聚合为 LTE 用户设备 (UE) 制造商带来了新的挑战 : 尽管载波聚合技术不会引入新的测试类型, 但无疑会增加测试耗时和测试复杂性 与其他蜂窝终端一样, 生产支持载波聚合的用户设备也必须在生产流程中执行校准和验证测试 制造商可以采取不同的测试策略 当然, 这些优势不会凭空而来, 芯片组提供商必须在芯片组中添加非信令序列测试支持能力, 并提供实现这些功能所需要的驱动程序和完整软件 测试设备必须能够执行先进的序列和单次采集多次测量, 并且必须支持必要的蜂窝通信制式和特性 如 LTE-Advanced 载波聚合 频段内载波聚合被测件校准与指定频率的 LTE 被测件校准类似 但是, 校准支持聚合带宽的被测件需要更多步骤, 例如必须验证被测件发送多个子载波时的功率放大器功率回退 验证频段内载波聚合被测件时, 一些制造商可能使用多个载波进行测试, 另一些制造商可能会选用单一载波简化测试, 然后使用多个载波对样本执行抽样检测 对于频段间载波聚合被测件, 则必须单独校准所有传输路径和接收路径 因此, 双频段被测件需要两次完整的校准, 意味着校准时间将翻倍, 制造成本压力大幅增加 校准后的所有传输路径和接收路径需要接受验证, 以确定被测件能否正常运行 频带间载波聚合验证测试可以使用顺序或并行测试技术, 这取决于芯片组的功能及制造商的测试策略 图 4. 非信令测试装置 近年来, 蜂窝器件制造商倾向于通过序列非信令测试完成校准和验证 ( 图 4) 序列方法可以显著缩短校准测试时间 序列验证测试不仅可以缩短测试时间, 而且减少空中信令测试的成本 3
测试要求 考虑到目标芯片组和测试设备的功能,LTE-Advanced 载波聚合终端制造商必须选择适合的载波聚合测试策略 测试可以顺序实施, 也可并行实施 载波聚合顺序测试不需要特殊的测试模式, 但要求终端芯片组能够在频段内 频段间 上行链路或下行链路之间切换不同的子载波 接收机或收发信机测试 顺序测试采用与标准 LTE 设备相同的测试方法, 每次测试一条路径 并行载波聚合测试要求被测设备和测试设备都支持同时配置和测试多个子载波 接收机或收发信机 显然, 并行测试可以节省时间, 但将大幅增加复杂性和成本 对于频段间载波聚合, 顺序测试方法的优势更明显 首先, 顺序测试较为简单, 被测芯片组测试模式只需支持一个收发信机路径测试 ( 图 5) 使用芯片组命令选择激活的收发信机路径 只需添加这个新命令, 即可使用现有的 LTE 终端测试方案执行测试 重复测试顺序, 完成所有收发信机路径的测试 如上所述, 顺序测试不需要复杂或昂贵的测试设备 但是, 收发信机路径增加一条, 测试时间都将随之增加一倍 仅有下行链路载波聚合的终端很可能有第二个接收机, 以获得分集或 MIMO 增益 第二接收机路径可能已经过验证, 因此载波聚合测试时间可能大幅缩减 频段内载波聚合子载波测试可以选择顺序或并行方法 如果被测芯片组仅支持下行链路频段内的载波聚合, 用一组 TRX 模块就可以完成测试 顺序测试频段内载波聚合时, 被测芯片组必须能够依次处理每个子载波 此测试设置需要一组 TRX 模块支持的分析带宽可以涵盖被测芯片单个 LTE 载波的调制带宽 顺序切换信号产生和信号分析模块, 依次完成每个子载波的测试 并行测试频段内载波聚合的方法速度较快, 但要求芯片组支持不同的测试模式, 并且需要功能更全面的测试设备 被测芯片组必须能够同时启动所有接收机或收发信机 测试设备必须包括具有足够调制带宽的矢量信号产生功能, 以处理所有子载波 ; 以及具有足够带宽和全面功能的矢量信号分析能力, 以捕获并解调和分析所有子载波 图 5. 顺序执行频段间载波聚合测试的方法相对简单, 因为被测芯片组的测试模式只需支持一个收发信机路径测试 4
测试时间很大程度上取决于接收机路径验证采用的测量技术 目前, 大多数芯片组通过单端比特误码率 (BER) 测试执行验证 即, 测试设备通过下行链路发送已知数据码型, 然后确定目标器件的接收路径误码率 测试需要捕获较多数量的数据包, 以确保测量结果的可靠性 单端 BER 测量可能会占用大部分的器件验证测试时间 如果使用上述方法测试频段内载波聚合器件, 每增加一条接收机路径都将导致测试时间加倍 然而, 市场压力迫切需要提升测试速度 通常, 被测器件 ( 芯片组 ) 会采用下行链路连续波 (CW) 信号测量信噪比 此类测量耗时极少, 可以避免长时间的接收机测试, 提升顺序测试方法的效率 并行测试频段间载波聚合的方法更为复杂 目标芯片组测试模式必须能够同时启用器件所有的收发信机路径 ( 图 6) 每条收发信机路径都需要应用相同的测试设备, 因此测试复杂性和成本将大幅增加 但并行测试的优势在于, 测试频段间载波聚合器件多台收发信机的耗时与单台收发信机测试时间相同 芯片组中新无线系统的数量不断增加, 运营商缩短测试时间的压力增大, 应用并行测试方案的可能性越来越大 图 6. 并行测试频段间载波聚合的方法更复杂, 但能够显著缩短测试时间, 因为该方法测试多个终端与测试单个终端的时间相同 5
解决方案 Agilent E6640A EXM 无线测试仪针对快速校准和非信令产线测试设计, 适用于包括 LTE-Advanced 和 802.11ac 在内的所有蜂窝和无线局域网终端设备的生产测试 EXM 在一个紧凑的机箱中集成了多达四个完整的收发模块 (TRX) 的测试仪, 可以高效的完成复杂的载波聚合测试要求 ( 图 7) 每个 TRX 都具有完整的矢量信号产生和分析能力及射频输入 / 输出 (RFIO) 端口, 频率覆盖范围高达 6 GHz, 带宽高达 160 MHz 图 7. EXM 使用紧凑的机箱, 可集成多达四个完整的 TRX 模块, 能够满足载波聚合测试要求 EXM 测试仪以 Agilent EXT 制造测试仪为基础构建, 与 EXT 兼容, 使用相同的命令结构, 并支持 EXT 广泛的测量功能 此外,EXM 可提供更高的测量速度 全面的任意波形生成功能 更大的分析仪捕获存储器 增强的排序测试能力 高性能四核控制器可以保证 EXM 在配置最多 4 个 TRX 模块时同样发挥最优性能 EXM 中, 每个 TRX 都配有独立的 4 个 RFIO 端口, 可以轻松测试支持载波聚合的 LTE-Advanced 器件 ( 图 8) 两个全双工 RFIO 端口可直接连接全双工器件, 并且支持同时测试下行链路和上行链路 两个用户可配置的半双工端口可设置为输入模式或输出模式 内置的四个 TRX 模块之间可以任意切换, 无需外部额外的切换设备即可连接多个具有多天线的被测终端 坚固耐用的 N 型连接器可用于所有射频连接,BNG 连接器可用于触发器连接, 可以确保 EXM 测试仪满足严苛的生产测试要求 图 8. EXM 中, 每个 TRX 都独立配有 4 端口 RFIO, 其中包括两个全双工端口和两个用户可配置的半双工端口 6
频段内载波聚合测试方案 EXM 支持 160 MHz 的任意波形带宽, 可用于下行链路频段内载波聚合测试 Agilent N7625B Signal Studio 软件可以创建包含多达 5 个子载波的 LTE-Advanced 波形 标准中只有在 3400 MHz 以上的频段要求支持超过 160 MHz 的带宽, 因此 EXM 可通过一个任意波形覆盖几乎所有的 LTE 载波聚合频段 凭借 160 MHz 带宽, EXM 支持最多 5 个 20 MHz 载波的连续或非连续频段内载波聚合 EXM 还支持高达 160 MHz 的射频分析带宽 ( 图 9), 可用于上行链路频段内载波聚合测试 配有单个 TRX 的 EXM 测试仪可连接两个同时支持仅下行链路载波聚合的或下行链路与上行链路同时支持频段内载波聚合的 LTE-Advanced 终端设备 ( 图 10) RFIO 1 与一个器件的主 LTE 天线端口连接,RF3 I/O 与该器件的 GPS 输入天线端口连接 RFIO 2 与另一个器件的主 LTE 天线端口连接,RF4 I/O 与该器件的 GPS 输入天线端口连接 此配置可以对两个终端执行顺序乒乓测试, 或者交替测试单接收路径, 如本例中的 GPS 接收机路径 图 9. EXM 支持包含多达 5 个连续和非连续 LTE 载波的载波聚合测试 图 10. 所有 EXM TRX 都配有独立的 4 端口 RFIO, 其中包括两个全双工端口和两个用户可配置的半双工端口 7
在此测试配置中,TRX 的信号产生功能生成频段内下行链路信号并应用于每个被测件的主 LTE 输入端口, 该 TRX 的信号分析功能捕获被测件发送的上行链路频段内载波聚合信号 ( 假设被测件支持上行链路频段内载波聚合 ) TRX 的信号产生功能还可以生成 GPS 波形, 以测试器件的 GPS 路径 测试一个被测件时, TRX 与另一个被测件将保持连接 在 TRX 不同 RFIO 端口之间切换, 可以控制第一个被测件的主 LTE 天线路径和 GPS 接收机路径顺序测试, 并在完成后切换到第二个被测件 一旦生 产流程启动, 工程师可以在测试第一个被测件的同时连接第二个被测件, 无需额外占用时间 复制图 10 显示的单个 TRX 测试配置,EXM 可以配备最多 4 个 TRX, 以连接 8 个同时支持下行链路和上行链路频段内载波聚合的 LTE-Advanced 被测件, 并行测试其中的 4 个, 并与另外 4 个交替完成测试 ( 图 11) 此测试配置中, 所有 TRX 的 RFIO 功能都用于测试被测件的单接收路径 ( 即 GPS 接收机路径 ) 和主 LTE 天线端口 测试该被测件的同时, TRX 可以连接第二个被测件 所有 4 台 TRX 可以并行执行该测试流程 同样, 在 RFIO 端口之间切换 TRX 可以让工程师顺序测试第一个被测件的主 LTE 天线路径和 GPS 接收机路径, 然后切换到第二个被测件 生产流程启动后, 工程师可以在测试一个被测件的同时连接下一个被测件, 无需额外花费时间 此配置尺寸紧凑, 支持高吞吐量, 可以实现极高的测试密度 图 11. 配备 4 个 TRX 的 EXM 可以连接 8 个 LTE-Advanced 被测件, 并行测试其中 4 个被测件, 并交替完成另外 4 个被测件的下行链路 / 上行链路载波聚合性能 8
频段间载波聚合测试方案 使用一个 TRX 可以顺序测试两个仅支持下行链路频段间载波聚合的器件 ( 图 12) EXM 提供内部 RFIO 切换功能, 无需使用外部夹具, 可以降低测试设置的复杂程度 此装置支持乒乓测试, 可以在测试第一个被测件的同时连接第二个被测件, 无需额外花费时间 图 12 所示测试流程中,EXM 通过 RFIO 2 同时测试第一个被测件的下行链路和上行链路, 然后切换发射输出到第二频段和信道, 并路由至该被测件与 RF4 I/O 连接的另一条接收路径 在此过程中, 连接第二个被测件与 TRX 的 RFIO 1 和 RF3 I/O 端口, 避免连接第二个被测件占用测试时间 完成第一个被测件的测试后, 发射切换回第一个频段和信道, 分析接收切换回 RFIO 1 切换发射输出到第二个频段和信道, 并路由至该被测件与 RF3 I/O 端口连接的第二条接收路径 测试第二个被测件的同时连接第三个被测件, 然后重复上述过程 图 12. 对于频段间载波聚合测试, 一个 TRX 可以连接并顺序测试两个被测件, 无需使用外部夹具, 因此可以简化测试 图 13. 此装置可进行频段间载波聚合乒乓测试 9
如果被测件同时支持下行链路和上行链路频段间载波聚合, 使用一台 TRX 的 RFIO 1 和 RFIO 2 端口可以顺序测试该被测件 ( 图 14) 首先使用 RFIO 2 测试第一频段和信道, 然后切换发射和分析接收到 RFIO 1, 以测试第二频段和信道 如果被测件支持任意单接收路径, 则可使用测试仪 RF3 I/O 和 RF4 I/O 端口连接发射模块与被测件的天线端口 本例中, RF3 I/O 端口与被测件的 GPS 天线端口连接 EXM 可用于并行测试支持频段间载波聚合的 LTE-Advanced 被测件 使用两个 TRX 可以并行测试一个被测件中两个频段的下行链路和上行链路 ( 图 15) 每个 TRX 都配有发射和分析接收, 可以创建两个下行链路信号, 并分析被测件中的两台上行链路发射机 在本例中,UE 1 与两个 TRX 的 RFIO 2 端口连接, 以同时测试相同频段的下行链路和上行链路 切换两个 TRX 从 RFIO 2 端口到 RFIO 1 端口, 以便对第二个被测件 (UE 2) 执行同样的测试 此类乒乓测试配置支持在测试第一个被测件的同时连接第二个被测件, 无需额外花费时间 单接收路径 ( 例如此处的 GPS 接收机 ) 也可以通过半双工端口连接 使用顺序切换方案并结合发射模块可以连接和测试两条此类的单接收路径 图 14. 一个 TRX 可顺序测试同时支持下行链路和上行链路频段间载波聚合的被测件 图 15. 使用两个 TRX 和并行测试方法, EXM 能够快速测试单个被测件中两个频段的下行链路和上行链路 10
并行测试支持下行链路频段间载波聚合的被测件时,TRX 发送的下行链路信号需要精确同步 严格同步是第 10 版标准的要求 该标准同时定义了所有子载波的单上行链路计时提前值 这意味着不同载波的基站收发信机应处于同一位置, 以避免不同的传播时延 如果根据该要求部署网络, 则生成所需下行链路信号的测试设备必须同步 EXM 可以确保两台 TRX 精确同步 同步可以内部实现, 无需外部连接 下行链路信号典型精度约为 30 ns, 优于同步要求 EXM 可以最多配置 4 个 TRX, 能够并行测试两个支持双频段间载波聚合的被测件, 并且可以在测试期间连接另外的两个此类被测件 ( 图 16) 使用图 15 显示的相同配置, 两个 TRX 通过两个收发信机可以测试一个被测件两个频段的两个信道 测试期间, 工程师可以连接另一个被测件 4 个 TRX 可以并行测试两个被测件, 并且并行测试每个被测件支持载波聚合的两个频段 如上所述,TRX 支持通过 RFIO 为每个被测件提供最多 2 个额外的单接收路径连接 本例使用了一个 RF I/O 端口来测试器件 GPS 接收路径 图 16. EXM 最多配置 4 个 TRX, 可并行测试两个频段间载波聚合终端, 同时连接另外两个终端 11
总结 全球频谱资源有限, 因此大多数 LTE-Advanced 运营商应用了频段间载波聚合, 尽管该技术会增加终端的成本并缩短电池寿命 部分 LTE- TDD 运营商拥有更宽的频谱资源, 因此可能选择宽频段 ( 高达 20 MHz) 的频段内载波聚合 近期, 仅下行链路载波聚合更受青睐, 因为该方法的复杂性相对较低, 且符合客户的分组数据使用习惯 载波聚合允许运营商将可用的离散频谱资源合并来用, 以发掘 LTE-Advanced 技术的吞吐量和效率优势, 但同时对终端生产校准和验证提出了更高的要求 制造商最初可能选用顺序测试法来执行载波聚合测试, 因为这种方法可以降低被测器件测试模式的复杂性, 而且无需高性能的测试设备 并且, 接收机测试速度的提升可以缩短接收机测试时间, 不会因支持下行链路载波聚合而大幅增加测试工作量 随着蜂窝终端功能和复杂程度的增加, 缩短测试时间的压力逐步增大, 进而推动市场选择速度更快但更复杂的并行测试 Agilent E6640A EXM 无线测试仪同时支持顺序和并行载波聚合测试流程, 无需其他测试设备, 可以高效且经济地应对上述测试挑战 EXM 可以在紧凑的机箱中配置多达 4 个完整的 TRX 测试仪, 能够实现高密度测试 每台测试仪都包括灵活的 4 端口 RFIO 面板, 无需复杂且昂贵的外部切换部件 EXM 可通过一台紧凑的主机提供 4 台测试仪, 占用空间小, 共用单一内部控制器 计时参考和内部电源, 能够帮助制造商降低资本投资 此外,EXM 采用了安捷伦为 X 系列分析仪和无线测试仪开发的 可作为行业标准的测量技术, 能够提供业内最高的测试吞吐量 强大功能加快无线设计和测试速度 安捷伦是无线测试行业的领导者, 致力于提供以应用为中心并针对现有和新兴标准优化的测试测量平台, 帮助您实现最高性能的无线器件和信元站点设计和测试 除了卓越的研发和现场支持之外, 安捷伦还可以帮助工程师洞悉不断演进的无线行业, 加快产品开发速度 如欲了解有关安捷伦测试与测量产品的更多信息, 请访问 :www. agilent.com/find/powerofwireless 相关应用 长期演进 -LTE LTE 设备的验证 集成 协议和一致性测试 LTE 生产测试设备 TD-LTE 设计和测试设备 LTE-Advanced (LTE-A) 相关安捷伦产品 Agilent EXM 无线测试仪 : www.agilent.com/find/exm 也可以搜索 : 安捷伦无线测试仪 : www.youku.com Agilent N7625B Signal Studio 软件 : www.agilent.com/find/signalstudio 更多信息 LTE-Advanced 应用和产品信息 : www.agilent.com/find/lteadvanced 12
www.agilent.com www.agilent.com/find/powerofwireless myagilent www.agilent.com/find/myagilent 个性化视图为您提供最适合自己的信息! www.lxistandard.org 局域网扩展仪器 (LXI) 将以太网和 Web 网络的强大优势引入测试系统中 安捷伦是 LXI 联盟的创始成员 3 年保修 www.agilent.com/find/threeyearwarranty 安捷伦卓越的产品可靠性和广泛的 3 年保修服务完美结合, 从另一途径帮助您实现业务目标 : 增强测量信心 降低拥有成本 增强操作方便性 安捷伦保证方案 www.agilent.com/find/assuranceplans 5 年的周密保护以及持续的巨大预算投入, 可确保您的仪器符合规范要求, 精确的测量让您可以继续高枕无忧 www.agilent.com/quality Agilent Electronic Measurement Group DEKRA Certified ISO 9001:2008 Quality Management System 安捷伦渠道合作伙伴 www.agilent.com/find/channelpartners 黄金搭档 : 安捷伦的专业测量技术和丰富产品与渠道合作伙伴的便捷供货渠道完美结合 如欲获得安捷伦科技的产品 应用和服务信息, 请与安捷伦公司联系 如欲获得完整的产品列表, 请访问 : www.agilent.com/find/contactus 请通过 Internet 电话 传真得到测试和测量帮助 热线电话 : 800-810-0189 400-810-0189 热线传真 : 800-820-2816 400-820-3863 安捷伦科技 ( 中国 ) 有限公司地址 : 北京市朝阳区望京北路 3 号电话 : (010) 64397888 传真 : (010) 64390278 邮编 : 100102 上海分公司地址 : 上海市虹口区四川北路 1350 号中信泰富申虹广场 5 楼 16-19 楼电话 : (021) 36127688 传真 : (021) 36127188 邮编 : 200080 广州分公司地址 : 广州市天河北路 233 号中信广场 66 层 07-08 室电话 : (020) 38113988 传真 : (020) 86695074 邮编 : 510613 成都分公司地址 : 成都高新区南部园区天府四街 116 号电话 : (028) 83108888 传真 : (028) 85330830 邮编 : 610041 深圳分公司地址 : 深圳市福田中心区福华一路六号免税商务大厦 3 楼电话 : (0755) 83079588 传真 : (0755) 82763181 邮编 : 518048 西安分公司地址 : 西安市碑林区南关正街 88 号长安国际大厦 D 座 5/F 电话 : (029) 88867770 传真 : (029) 88861330 邮编 : 710068 安捷伦科技香港有限公司地址 : 香港北角电气道 169 号 25 楼电话 : (852) 31977777 传真 : (852) 25069292 香港热线 : 800-938-693 香港传真 : (852) 25069233 E-mail: tm_asia@agilent.com 本文中的产品指标和说明可不经通知而更改 Agilent Technologies, Inc. 2014 出版号 : 5991-3762CHCN 2014 年 6 月印于北京