1 引言
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 系統的廣泛應用滿足了用戶對數據業務的需求，有效提高了通話質量和數據速率。然而，寬帶接入技術的出現及普及，Wi-Fi，WiMAX系統高數據速率的優勢，對UMTS系統帶來很大的沖擊。這使得UMTS系統數據速率不高、時延較長、網絡結構復雜等不足愈加明顯。因此，3GPP(3rd Generation Partnership
Project)提出的UMTS的長期演進計劃(LTE)，通過提供一個以高速率和低時延為特征的分組優化系統來保證UMTS在未來10年的競爭力和領先性。
為實現此目標，LTE系統相對于UMTS系統引進了多項關鍵新技術，這使得LTE系統在物理層技術，網絡結構及協議架構等方面都發生了相應的改進，并且核心網也需要相應的升級來支持LTE系統。因此，LTE系統不僅是對UMTS系統的演進。LTE系統中eNodeB設備的測試工作也具有更高的挑戰。測試作為移動通信產業鏈中重要的一環，位于產業鏈的上游，是整個無線通信系統正常工作與維護的根本保證。因此，對eNodeB設備的測試方法及測試用例的研究勢在必行。
2 LTE系統的核心新技術
LTE是3GPP為適應時代需求而提出的新的移動寬帶接入標準，為此3GPP規定了LTE系統的各項技術指標并引入了多項核心新技術。
LTE系統的主要技術指標與HSPA系統的對比參見表1。
表1 LTE系統的主要技術指標
為了達到高數據速率和高頻譜利用率，LTE系統在上下行分別利用了SC-FDMA和OFDM調制技術。它們將整個系統帶寬分裂為大量子載波，并支持多種調制方式如QPSK，16QAM及64QAM。LTE系統同時指定了MIMO技術的不同模式，適應于不同的信噪比條件。LTE工作頻率從700MHz到3GHz，信道帶寬從1.5MHz到20MHz，為網絡運營商提供了靈活的頻帶配置方式。LTE系統引入的核心新技術總結如下：
2.1 OFDM/OFDMA
LTE中傳輸技術采用OFDM調制技術，其原理是將高速數據流通過串并變換，分配到傳輸速率較低的若干個相互正交的子信道中進行并行傳輸。由于每個子信道中的符號周期會相對增加，因此可以減輕由無線信道的多徑時延擴展產生的時間彌散性對系統造成的影響。在OFDM符號之間插入保護間隔，使保護間隔大于無線信道的最大時延擴展，從而最大限度地消除由多徑引起的符號間干擾(ISI)。在LTE系統中采用循環前綴CP (Cyclic Prefix)作為保護間隔，CP的長度決定了OFDM系統的抗多徑能力和覆蓋能力。長CP利于克服多徑干擾，支持大范圍覆蓋，但系統開銷會相應增加，導致數據傳輸能力下降。3GPP定義了長短兩套循環前綴方案，根據具體的使用場景進行選擇；短CP方案為基本項，長CP方案用于支持LTE系統中大范圍覆蓋和多小區廣播業務。
LTE規定了下行采用OFDMA，上行采用SC-FDMA的多址方案，這保證了使用不同頻譜資源用戶間的正交性。OFDMA中一個傳輸符號包括并行傳輸的M個正交的子載波，而在SC-FDMA機制中M個正交子載波以串行方式進行傳輸，降低了信號較大的幅度波動，降低了峰功比。
此外，為了保證上行多用戶之間的正交性，要求各用戶的上行信號在CP長度的誤差范圍之內同時到達eNodeB，因此eNodeB需要根據用戶遠近位置來調整各用戶的發射時間。
LTE系統對OFDM子載波的調度方式也更加靈活，具有集中式和分布式兩種，并靈活地在這兩種方式間相互轉化。上行除了采用這種調度機制之外，還可以采用競爭(Contention)機制。
2.2 MIMO
MIMO技術是提高系統速率的主要手段，LTE系統分別支持適應于宏小區、微小區、熱點等各種環境的MIMO技術。
基本的MIMO模型是下行2×2，上行1×2天線陣列，LTE發展后期會支持4×4的天線配置。目前，下行MIMO模式包括波束成行，發射分集和空間復用，這3種模式適用于不同的信噪比條件并可以相互轉化。波束成型和發射分集適用于信噪比條件不高的場景中，用于小區邊緣用戶有利于提高小區的覆蓋范圍；空間復用模式適用于信噪比較高的場景中，用于提高用戶的峰值速率。在空間復用模式中同時發射的碼流數量最大可達4；空間復用模式還包括SU-MIMO(單用戶)和MU-MIMO(多用戶)，兩種模式之間的切換由eNodeB決定。上行MIMO模式中根據是否需要eNodeB的反饋信息，分別設置開環或閉環的傳輸模式。
2.3 E-MBMS
3GPP提出的廣播組播業務不僅實現了網絡資源的共享，還提高了空中接口資源的利用率。LTE系統的增強型廣播組播業務E-MBMS(Enhanced Multimedia Broadcast/Multicast Service)不僅實現了純文本低速率的消息類組播和廣播，更重要的是實現了高速多媒體業務的組播和廣播。為此，對UTRA做出了相應的改動：增加了廣播組播業務中心網元(BM-SC)，主要負責建立、控制核心網中的MBMS的傳輸承載，MBMS傳輸的調度和傳送，向終端設備提供業務通知；定義了相關邏輯信道用于支持E-MBMS。
從業務模式上，MBMS定義了兩種模式，即廣播模式和組播模式。這兩種模式在業務需求上不同，導致其業務建立的流程也不同。
從操作方式上，單頻網(SFN，Same Frequency Network)和非單頻網操作共存于同一小區，其中單頻網操作將支持多小區傳送；非單頻網操作只支持單小區傳送。
在網絡規劃上，3GPP定義了兩種網絡部署：一種是LTE E-MBMS與LTE 單播系統共用載波；另一種部署方式是LTE E-MBMS 采用專用下行載波。專用載波方式將以5MHz帶寬為基本項，也將支持其他帶寬的專用載波的能力，但不能支持多種帶寬共存的模式。在廣播模式下，5MHz的帶寬至少支持16個頻道，每頻道達300kbit/s的速率，小區邊緣的頻譜效率為1bit/s/Hz。
2.4 網絡結構及協議
LTE系統的網絡結構與UTRAN相比，去掉了RNC，而只由若干個eNodeB組成，簡化網絡并減少時延。多個eNodeB通過X2接口相互連接，eNodeB通過S1接口連接到演進型分組核心EPC(Evolved
Pocket Core)。具體來講， S1-MME接口連接到移動性管理實體MME(Mobile Management Entity)，S1-U接口連接到SAE網關，其中S1接口支持eNodeB和MME/SAE網關之間多對多鏈接（見圖1）。eNodeB的功能在原有NodeB功能的基礎上，增加了RNC物理層，MAC層，RRC，調度，接入控制，承載控制，移動性管理和inter-cell RRM等功能。
圖1 LTE系統的網絡結構
LTE系統的協議棧結構與URTAN同樣分為用戶面(PDCP/RLC/MAC/ PHY)和控制面(RRC)協議。層2包括媒體接入控制協議(MAC)、無線鏈路控制協議(RLC)，以及分組數據匯聚協議(PDCP)；層3包括無線資源控制協議(RRC)。空中接口的層1和層2協議在用戶設備和eNodeB中終止；控制平面中的層3協議也在用戶設備和eNodeB中終止；控制平面的非接入層(NAS)協議在用戶設備和核心網的移動管理實體(MME)中終止（見圖2）。
圖2 LTE系統協議棧結構
LTE系統中的無線資源控制(RRC)狀態相比于UTRA系統也簡化了許多，只包含RRC_IDLE，RRC_ACTIVE和RRC_DETACHED 3種。在aGW網元中，UE的上下文必須區分這3種狀態，而在E-Node B中合并了原先的多種狀態只保留RRC_ACTIVE狀態的UE上下文。
2.5 其他
為了提高小區容量及邊緣的傳輸速率，LTE系統提出了小區間干擾協調機制，并設計了靜態干擾協調以及動態干擾協調技術。在功率控制機制上，設定小區邊緣用戶的目標SINR(信噪比)低于小區中心的目標SINR，進一步減少對相鄰小區邊緣用戶干擾，從而獲得更大的系統容量。
為了實現低時延的目標，LTE系統大的小區搜索過程和隨機接入過程做了相應的簡化，并提供了更加靈活的形式。
為了實現與現有3GPP和非3GPP的兼容，LTE系統采用快速小區選擇(即快速硬切換)方法實現不同頻段之間各系統間的切換，實現更好的地域覆蓋和無縫切換；此外，核心網的設計也發生了相應的改變，增加了SAE和3GPP模塊，實現了LTE系統與3GPP和非3GPP系統的兼容。
LTE系統提出了上下行多種不同的參考信號RS (Reference signal)，不同的參考信號在子幀中有不同的位置和配置，實現不同的導頻功能，以及不同模式下的信道質量測量。
綜上所述，LTE系統相比于UTRA系統引進了多項核心新技術，發生了根本性的變革，因此對LTE系統中eNodeB設備的測試也將面臨著很多新的挑戰。在測試用例方面，將增加很多新的用例用于覆蓋并驗證LTE系統中新的技術及配置；相應地，測試方法也將發生新的變化。
3 LTE系統中eNodeB測試關注點
LTE系統獨特的特點及技術優勢實現了LTE系統的高速率、低時延和最優分組的需求。然而為了保證LTE系統中eNodeB設備真正具有這些新功能及技術指標，并實現測試有效性的提高，我們對eNodeB關鍵技術點的測試勢在必行。我們對eNodeB測試的關注點主要在于：
（1）LTE系統中子載波之間的正交性是高速率性能得以實現的前提，也是接收端正確接收的根本保證。因此，LTE系統中必須要保證OFDM子載波之間的正交性以及上行各用戶所占用子載波之間的正交性，這也將是eNodeB的測試重點之一。
（2）MIMO各種模式分別保證了LTE高峰值速率和小區邊緣的覆蓋及小區邊緣用戶的吞吐量。因此，對eNodeB設備中MIMO不同模式的測試也將是保證LTE系統的性能優勢的必要測試。
（3）LTE系統引入了多載波技術，LTE系統對信道帶寬內子載波的靈活調度及分配是保證多用戶寬帶接入的前提。因此，OFDM子載波的靈活調度及在多用戶之間的分配也是eNodeB設備的關鍵測試項之一。
（4）LTE系統小區間干擾協調機制也是LTE系統的顯著技術特征，因此驗證多個eNodeB設備之間干擾協調的測試也是必須的。
（5）對eNodeB測試還將包括驗證E-MBMS的實現及其在各個小區之間的切換。
4 LTE系統中eNodeB測試挑戰
在LTE基站eNodeB型號標準上市之前，需要進行完備的基站設備測試（包括軟件測試、硬件測試以及無線指標測試），將涵蓋LTE的協議一致性測試、無線性能指標一致性測試、無線資源管理的一致性測試和端到端的業務驗證測試等，這些組成了eNodeB認證測試的基礎。
由于LTE系統的工作頻率從700MHz跨越到3GHz，信道帶寬從1.25~20MHz靈活配置，使得eNodeB硬件的設計及測試都具有很大的挑戰；LTE系統提出了更高的性能需求指標，引入了如OFDM，MIMO等多項關鍵新技術，因此在研發過程中，eNodeB測試也將需要全新的測試平臺、測試用例及測試方法。
在eNodeB設備測試中，對上下行信道和信號的測試是必不可少的。帶有LTE選件的信號發生器可以用來產生上行信號，頻譜分析儀可以用來檢驗下行信號。MIMO是LTE系統的技術特點之一，因此信號發生器應支持MIMO制式和多徑衰落。物理信道和數據傳輸的測試也可利用信號發生器和頻譜分析儀完成。完整的LTE測試還將包括協議和物理層的測試，這個過程需要上下行的交互，例如HARQ，RACH過程。系統級的測試環境是真實的終端和eNodeB通過真實的無線環境連接在一起，eNodeB還將連接到真實的核心網實體。在測試初期，LTE協議測試也可以采用模擬的終端和核心網實體，采用信道模擬器模擬設備在實際網絡環境中的性能，實現對小區中央及邊緣位置的信號強度的模擬，從而減小實地測量的需求。LTE的協議層測試與傳統網絡的不同之處在于，無線資源控制(RRC)狀態，以及aGW網元和eNodeB對UE上下文RCC狀態的保留。因此，為了能夠測試這些不同的特征，需要靈活的測試設備，并提供一個可編程界面，能夠設置RRC的模式。
LTE系統將與其他標準在很長一段時間內共存，為了達到很好的地域覆蓋，LTE系統與2G，3G基站以及非3GPP系統之間的融合以及無縫切換變得至關重要。eNodeB必須支持與GSM(全球移動通信系統)/EDGE(增強型數據速率GSM演進技術)，TD-SCDMA，WCDMA/HSPA，cdma2000，1×RTT/EV-DO等相互之間的切換。這就必然要求測試環境能夠利用或完全模擬這些網絡間的漫游切換以實現對eNodeB的測試。此外，LTE是一個全IP核心網，需要端到端應用程序測試，并且由于LTE系統將支持更豐富的業務應用，例如VoIP，FTP或多媒體數據流等，因此對于業務應用的測試也較以前更加重要、復雜。完備的eNodeB測試環境如圖3所示。如果采用模擬的測試環境，則還需要相應的應用程序作為支撐，如LTE
終端/核心網的加載測試應用程序等，模擬的完全測試環境如圖4所示。因此，eNodeB全備的測試環境及測試內容將包括：
圖3 LTE eNodeB 設備測試完整環境
圖4 LTE基站設備測試的模擬測試環境
（1）連接所有的網絡單元并驗證所有的接口。
●eNodeB設備測試：eNodeB作為被測設備，利用真實的eNodeB，MMEs，aGW 和UE或采用模擬的設備。
●互操作性測試：LTE MME 與UTRAN 和GERAN 網絡。
（2）語音、多媒體和數據業務綜合的實際網絡環境。
●語音業務AMR NB/WB，G.711，G.723，G.726，G.729。
●視頻業務 H.261，H.263，MPEG-2，MPEG-4。
●IPv4，PIv6，IPSec。
●QoS (quality of service)分析。
●QoE (quality of equipment) 測量。
（3）對eNodeB設備的軟件、硬件及無線指標測試。
（4）負面測試：驗證系統在錯誤條件下的行為。
（5）安全性驗證。
5 LTE系統中eNode B的測試用例及測試方法
為了保證無線通信系統的正常運行，必須對基站設備進行覆蓋各個方面的測試。完整的基站設備測試包括無線指標測試、軟件測試和硬件測試，其中軟件測試又包括基本接口測試，操作維護測試以及功能測試（見圖5）。無線指標測試、軟件測試以及硬件測試彼此相互補充，缺一不可，共同決定著無線通信系統基站設備使用性能的驗證。LTE系統中eNodeB設備的全備性測試也包括上述幾類測試內容。
圖5 基站設備測試的分層結構
基站的完全測試會根據不同通信系統的特征而有不同的測試方法和測試用例，但由于無線通信系統具有相似的通信功能，基站設備具有相似的功能模塊及操作維護機制，并且無線電波具有固有的無線電磁波特性，因此基站設備的完全測試具有相同的基本測試原理，存在著部分通用的測試方法和測試用例。由于LTE系統中eNode B具有一些前所未有的性能和技術特點，因此在測試用例及相應測試方法上也具有獨特的需求。
5.1 無線指標測試
無線指標測試包括發射端和接收端的測試。在發射端，考察信號的調制質量、發射功率、占用帶寬和帶外諧雜波抑制等。由于發射信號調制質量的好壞會影響接收端的解調能力，因此必須對調制質量進行全方位的評估，包括調制幅度誤差、發射頻率誤差以及相位噪聲。在接收端，測量接收機在各種干擾情況下的接收靈敏度。LTE系統作為無線通信系統的一種，eNodeB的無線指標測試包括無線通信系統所要求的上述常規測試用例。
由于LTE系統采用了OFDM/OFDMA技術，把信道帶寬劃分為了很多正交子載波，在測試過程中，用戶所使用的OFDM子載波在信道帶寬中的不同位置可能會導致測試結果的不同，例如，濾波器的非理想特性使得信道帶寬邊緣處的子載波相比處于中間位置的子載波會受到較大的干擾。因此，在上行測試用例中占用資源塊的位置必須有多種配置以實現對整個信道帶寬所有子載波的覆蓋，測試是否所有子載波都滿足規范要求無線性能指標。
OFDM子載波間的正交性是LTE系統得以實現的前提保證，因此在無線指標測試中將全面考察OFDM子載波正交性，OFDM符號同步程度以及采樣同步情況。這些特征將共同影響信號的調制質量。在單載波網絡中，影響調制質量的因素主要是射頻單元器件的非理想特性，由于OFDM系統不可避免地存在子載波正交性、符號同步及采樣同步的誤差，使得LTE系統中的信號調制質量相比于單載波網絡會更加惡化。因此，調制質量將成為基站設備測試中最為重視的測試項之一。
下文將以調制質量的測試作為討論重點，首先分析調制質量誤差產生的原因，以及影響調制質量測量結果的因素，并在此基礎上提出有效的測試方法建議。
通常用來表征系統調制質量的參數為誤差矢量幅度(EVM)，3GPP定義了LTE系統中EVM測試項為符號EVM，符號EVM的測試將考慮具體的信道配置情況，分析信號失真對不同傳輸速率下的專用物理信道的影響。
設Z為實際發射的符號矢量；S為理想基準信號矢量，則幅度誤差為
，相位誤差為Φ；根據余弦定理，誤差矢量誤差的表達式為：
（1）
從而單個符號的EVM為： 
(2)
EVM的最終測量值為： 
(3)
綜上可知，EVM的大小由相位噪聲和幅度誤差的大小共同決定（見圖6）。
圖6 誤差矢量幅度及相關矢量歸一化示意圖
在單載波網絡中， EVM產生的原因是因為在射頻單元器件中存在本振泄露、本振相位噪聲和功放非線性失真。
圖7描述了基站設備中常用的微波放大器的幅相轉移特性。由圖可見，輸出信號的相位隨輸入信號功率的增大會產生嚴重的相位失真。因此，不同振幅的電平將產生不同的相位偏移，造成不同程度的相位失真，從而影響EVM的測量值。
圖7 實際測量的微波放大器的幅相特性
EVM并不是一個獨立的技術指標，它除了由實際電路的非理想因素決定之外，還受發射功率，本振電平功率的影響。為了有效評估硬件設備的非理想因素，需要將EVM指標與功率結合起來考慮，實現對調制質量的高效測試。
為了保證LTE系統的正常工作并為高速率傳輸提供保障，在eNodeB設備的無線指標測試中，應充分重視有效的EVM指標測量方法，因此本文對相關的測試方法提出了新的建議。
在射頻單元的功率效率測試用例中，應在滿足規范要求的EVM指標的條件下，計算射頻單元的功率效率，這避免了犧牲功率效率，降低相位失真程度而換取EVM指標的提高。在最大發射功率、總功率的動態范圍以及頻率模版、鄰信道泄露功率比的測試用例中，應在滿足規范要求的EVM指標的條件下，分別測試上述用例。在EVM指標的測試用例中，為了保證測試結果的有效性，并能真實反映硬件設備的非理想特征，應在保證功率效率的前提下，規定本振功率，測量EVM指標是否滿足規范要求。表2表示了本文所建議的各項測試用例的新測試方法。
表2 LTE系統中關鍵無線指標測試用例及測試方法
LTE系統由于采用了多載波調制技術，使得EVM指標相對于單載波網絡更加難以改善。子載波的頻譜相互重疊的特點對子載波間的正交性提出了嚴格的要求，信道中存在的多普勒頻移，以及發射機與接收機本振之間的頻差，都會引起頻率偏移，導致子載波間的正交性遭到破壞，產生子載波間干擾(ICI)。由于OFDM符號周期較長，對本振相位噪聲更為敏感。本振的相位噪聲會導致子載波間正交性的喪失，它將引入公共相位誤差(CPE)和子載波間干擾(ICI)，導致LTE系統性能下降。這些都將進一步惡化EVM指標。因此，3GPP對于EVM的指標要求也略微不如UTRA嚴格：基于QPSK調制信號的EVM指標從17.5%增加到18.5%，基于16QAM調制信號的EVM指標從12.5%增加到13.5%。此外，LTE系統中EVM的值更依賴于在放大器輸入端OFDM符號的輸入功率，而與子載波的調制方式無關；但不同的調制方式對接收端的靈敏度影響不同；因此上述QPSK和16QAM的EVM指標略有差別，但各調制方式的EVM指標不會有太大差異。
5.2 軟件測試
基站設備的軟件測試內容包括基站與外部設備的接口測試，基本功能測試以及操作維護測試。接口測試包括基站設備與核心網之間的接口測試，以及基站設備之間的接口測試。接口的功能是正確傳遞用戶，基站以及核心網之間的交互信息，并建立無線接入承載，處理用戶上下文。基本功能測試包括物理層及高層關鍵技術的測試和性能測試（如峰值吞吐量和時延測試等）。此外，基站設備作為一項產品，操作維護系統是必不可少的。操作維護系統將包括可視化圖形界面和完善的用戶操作手冊。對基站設備的操作維護測試就是對上述操作維護系統的功能分別進行測試，驗證操作維護系統的功能完備性。
eNodeB的軟件測試也包括上述幾項測試內容，但由于接口測試和操作維護測試與傳統網絡基本相似，因此本節將針對eNodeB的測試關注點介紹基本功能測試的測試用例及測試方法。eNodeB的基本功能測試包括基本業務測試和特性測試，其中基本業務測試的測試方法與傳統網絡相同，由于eNodeB又具有了傳統RNC的部分功能，因此基本業務測試的關注點在于eNodeB的功能實現。eNodeB的特性測試的具體測試用例及方法實例如表3所示。
表3 LTE系統中基本功能測試的關鍵測試用例及測試方法
5.3 硬件測試
在通常情況下，基站設備最重要的硬件組成部分是基帶單元和射頻單元，此外還包括操作維護平臺以及可調電源等。基站設備的硬件測試主要包括基帶單元和射頻單元的功能測試。基帶單元的測試包括，基帶單元所支持的最大扇區數或基帶單元所能支持的射頻單元的最大數目；基帶單元所支持的調制方式是否滿足系統需求；對于同步通信系統，需要驗證不同基站設備的基帶單元之間是否同步，是否與GPS同步等。射頻單元的測試包括，射頻單元的工作頻帶和帶寬，在該工作頻帶和帶寬內是否能建立與終端的無線鏈接，是否能調度該帶寬內的資源；射頻單元的總射頻輸出功率是否滿足規范的規定值；射頻單元的功率效率等。此外，硬件測試還包括基帶單元與射頻單元之間接口測試。
LTE的提出使網絡運營商面臨著eNodeB站點選擇及配置的嚴峻問題，因此eNodeB與2G，3G基站共站、共址成為了最優解決方案。但是，eNodeB與2G，3G基站之間的干擾問題成為了亟待解決的關鍵性問題。因此，在LTE系統中eNodeB的硬件測試中，共站、共址條件之間的抗干擾性能是重要的測試項之一。此外，有研究提出，在多種通信制式共存條件下，建議采用軟件配置實現不同的無線通信制式，提高硬件資源的利用率，實現各種通信制式的靈活配置，降低了重復建站的工程量。
eNodeB設備的硬件測試還應包括安全性和健壯性的通用測試項。其中，安全性是指基站設備的設計具備安全性，不會對操作人員帶來身體傷害；健壯性是指基站設備在一些惡劣環境中正常工作。
6 結束語
本文分析了eNodeB的無線指標測試，硬件測試和軟件測試的測試用例和測試方法，重點研究了無線指標測試中的EVM指標；分析了EVM產生的原因以及影響EVM指標的客觀因素，在此基礎上，提出了將EVM指標與功率相結合的有效測試方法，并建議了相關測試項與EVM測試相結合的具體測試方法，實現了對EVM的有效測試并保證eNodeB在正常工作過程中的性能。