LTE系統核心技術剖析及eNodeB測試方案探討
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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。
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