通信測試技術(shù)論文(2)
通信測試技術(shù)論文
通信測試技術(shù)論文篇二
第5代移動通信測試技術(shù)
摘要：針對第五代移動通信(5G)技術(shù)發(fā)展的趨勢，分析了5G的發(fā)展為測試系統(tǒng)帶來的新需求和挑戰(zhàn)。針對挑戰(zhàn)，提出了可持續(xù)發(fā)展的測試生態(tài)系統(tǒng)的概念，從軟件和硬件兩個(gè)方面具體探討了“以軟件為核心”和“以大規(guī)模多輸入多輸出空口(MIMO OTA)為基礎(chǔ)”兩大特征。在以軟件為核心測試方式部分詳細(xì)探討了基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的知識產(chǎn)權(quán)部署到測試管腳(IP to the PIN)和支持并行測試和海量信號處理的異質(zhì)計(jì)算兩項(xiàng)技術(shù)。
測試生態(tài)系統(tǒng);異質(zhì)計(jì)算架構(gòu);大規(guī)模多輸入多輸出空口測試
目前亟需研究適合5G總體目標(biāo)的評估指標(biāo)體系及評估方法;根據(jù)5G無線網(wǎng)絡(luò)和傳輸關(guān)鍵技術(shù)的特征[3]，研究5G仿真方法;通過并行計(jì)算、圖形處理器、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)硬件板卡等加速方法和動態(tài)建模等手段，建設(shè)5G測試平臺和進(jìn)行5G候選關(guān)鍵技術(shù)評估;研究5G移動通信網(wǎng)絡(luò)和傳輸技術(shù)的評估與測試方法，完成對5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)評估與測試研究[1-3]。
1 5G測試需求與挑戰(zhàn)
(1)大規(guī)模多輸入多輸出多通道測試需求
中國5G技術(shù)定義未來5G基站側(cè)協(xié)作天線數(shù)不少于128個(gè)。這種大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)對天線數(shù)量的要求大大超過傳統(tǒng)技術(shù)對天線數(shù)目的要求，天線個(gè)數(shù)上升到百位級，無論是測試通道數(shù)，多通道間的同步、隔離，多通道數(shù)據(jù)的存儲都對測試提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)與考驗(yàn)。
(2)高速、海量數(shù)據(jù)測試需求
中國5G技術(shù)定義未來5G頻譜及功率效率較4G提升10倍。同時(shí)，5G時(shí)期移動視頻、網(wǎng)頁瀏覽以及P2P業(yè)務(wù)等將成為移動數(shù)據(jù)的主要部分，因此，終端設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)急速增長。如何實(shí)時(shí)捕獲、分析、存儲和管理這些海量數(shù)據(jù)是對5G測試系統(tǒng)的考驗(yàn)。
(3)多應(yīng)用場景與多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共存測試需求
未來5G中不但包括現(xiàn)有3G、4G等無線接入技術(shù)，還可能將增添諸如設(shè)備間直接通信(D2D)、機(jī)器間通信(M2M)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。5G的高融合性不但是多種接入技術(shù)的融合，也意味著應(yīng)用場景也將豐富多樣[4]。同樣測試系統(tǒng)所支持的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用場景也將隨之大幅增加。
(4)高頻段和綠色通信測試需求
目前，6 GHz以下低頻段基本被分配完畢，三星公司率先在28 GHz高頻段上進(jìn)行了研究[5]。同時(shí)未來無線通信中更加注重對能耗的分析[6-7]，國際上已經(jīng)開展諸多綠色通信的前期研究[8-11]。因此，5G技術(shù)不但對高頻段技術(shù)測試，也對系統(tǒng)能耗測試提出了相應(yīng)需求，所以，5G測試技術(shù)所支持的范圍較前幾代有了很大的擴(kuò)展。
每一代移動通信的技術(shù)發(fā)展都有一個(gè)生命周期，在周期內(nèi)發(fā)展和演進(jìn)直至被新技術(shù)吸收或淘汰。同樣測試技術(shù)也要支持通信技術(shù)的整個(gè)生命周期的測試需求。由于被測技術(shù)的飛速發(fā)展，測試技術(shù)或系統(tǒng)也不再是一個(gè)一成不變的系統(tǒng)，取而代之的是一個(gè)無論在硬件還是在軟件方面都超前被測技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展和演進(jìn)的集成測試平臺。5G集成測試平臺是一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的測試生態(tài)系統(tǒng)，它將繼承可擴(kuò)展性、靈活性、可自定義等的優(yōu)點(diǎn)。
其中，“以軟件為核心”和“支持大規(guī)模天線空口(OTA)”測試是這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵特征。
2 以軟件為核心的測試
生態(tài)系統(tǒng)
如何跟上多種通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)快速發(fā)展的步伐、如何提高高昂的測試預(yù)算性價(jià)比、如何靈活而可重定義測試需求或方法、如何有效利用多核技術(shù)、如何采用實(shí)時(shí)處理技術(shù)提高測試吞吐量等問題的參考答案都會聚焦到“以軟件為核心”的解決方案上。
2.1 基于FPGA的IP to the PIN技術(shù)
幾十年來，電子和通信行業(yè)一直追求：設(shè)計(jì)與測試齊頭并進(jìn)的理想狀態(tài)。鑒于設(shè)計(jì)和測試領(lǐng)域的不同，這個(gè)目標(biāo)一直難以達(dá)到。在設(shè)計(jì)階段，最新的電子設(shè)計(jì)自動化(EDA)軟件被應(yīng)用于系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)，而測試領(lǐng)域則略顯獨(dú)立和滯后。因此，當(dāng)針對最新的以軟件為中心的電子通信設(shè)備時(shí)，還需要重新尋找測試解決方案。
采用系統(tǒng)級的方法，設(shè)計(jì)和測試的概念融為一體，以及將軟件架構(gòu)向FPGA擴(kuò)展是平衡兩個(gè)領(lǐng)域發(fā)展，提高通信測試效能的有效手段之一。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與測試集成的方法是將設(shè)計(jì)的知識產(chǎn)權(quán)(IP)內(nèi)核同時(shí)部署到被測設(shè)備(DUT)與集成測試平臺上，這種部署過程被稱為知識產(chǎn)權(quán)部署到測試管腳(IP to the Pin)，因?yàn)樗箿y試者自定義的軟件IP能夠盡可能地接近集成測試平臺的硬件I/O引腳。這些軟件IP可以包括：數(shù)據(jù)采集、信號生成、數(shù)字協(xié)議、數(shù)學(xué)運(yùn)算、射頻及實(shí)時(shí)信號處理等。
無論是單個(gè)設(shè)備的原始數(shù)據(jù)處理吞吐量還是功耗，F(xiàn)PGA均已勝過數(shù)字信號處理器、傳統(tǒng)處理器甚至圖形處理器。
IP to the Pin技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)可用“V型圖”來表示，如圖1所示。設(shè)計(jì)的每個(gè)階段都有相對應(yīng)的驗(yàn)證或測試階段。通過共享IP，設(shè)計(jì)和測試團(tuán)隊(duì)可以沿著V圖兩個(gè)邊分別前進(jìn)，從最頂層的建模、設(shè)計(jì)到最底層的實(shí)現(xiàn)，在每個(gè)階段進(jìn)行對應(yīng)的測試。
2.2 支持并行測試和海量信號處理
的異質(zhì)計(jì)算技術(shù)
異質(zhì)計(jì)算架構(gòu)是一個(gè)用于在不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間分配數(shù)據(jù)處理任務(wù)以及程序執(zhí)行任務(wù)的系統(tǒng)，讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)來處理最恰當(dāng)?shù)臏y試和計(jì)算任務(wù)。這項(xiàng)技術(shù)用來應(yīng)對5G移動通信與日俱增的復(fù)雜測試計(jì)算量;用于存儲和處理MIMO以及大規(guī)模天線(Massive MIMO)在射頻后端的海量數(shù)據(jù);用于多節(jié)點(diǎn)同時(shí)頻譜感知與探測，以及物理(PHY)層與媒體訪問控制(MAC)層的協(xié)同測試。例如，采用異質(zhì)計(jì)算架構(gòu)的MIMO RF測試系統(tǒng)，可以使用一個(gè)中央處理器(CPU)來控制程序的執(zhí)行，采用FPGA進(jìn)行在線的解調(diào)，同時(shí)采用圖形處理器(GPU)進(jìn)行多天線測試參數(shù)的計(jì)算，最后將所有的處理結(jié)果存儲在遠(yuǎn)程服務(wù)器上。一種可適用于5G通信測試的異質(zhì)計(jì)算架構(gòu)如圖2所示。 伴隨著5G移動通信的高帶寬、高速率的飛速發(fā)展，異質(zhì)計(jì)算架構(gòu)和多核并行編程技術(shù)相結(jié)合將會是5G測試應(yīng)對海量數(shù)據(jù)處理和提高測試并行化所不可或缺的主要技術(shù)。
3 大規(guī)模天線空口測試技術(shù)
為了滿足極高吞吐量的需求，第5代移動通信將采用大規(guī)模天線技術(shù)，天線特性成為影響無線系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。目前，MIMO OTA測試技術(shù)已經(jīng)開始在包括第3代移動通信合作計(jì)劃(3GPP)組織、歐洲科學(xué)和技術(shù)合作(COST2100)組織和移動通信和因特網(wǎng)協(xié)會(CTIA)在內(nèi)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織和機(jī)構(gòu)中研究及討論，其中，3GPP TR 37.976對各種MIMO OTA技術(shù)備選測試方案進(jìn)行了總結(jié)。以下分別說明了3種不同的MIMO OTA測試方案[12]：
(1)基于吸波暗室的測試方案
基于吸波暗室的測試方案或者稱之為空間衰落模擬(SFE)的測試方案。該方案將射頻信道模擬器連接到一個(gè)圓環(huán)探頭陣列，即多探頭測試，從而在被測物位置可重復(fù)地模擬產(chǎn)生復(fù)雜的多徑衰落的無線環(huán)境。
(2)混響室測試方案
混響室測試方案采用一個(gè)獨(dú)立的混響室或者是一個(gè)連接信道模擬器的混響室?；祉懯业哪康脑谟谠诒粶y物(DUT)周圍產(chǎn)生一個(gè)統(tǒng)計(jì)上的均勻功率分布，而天線和信道模擬器可用于生成所需的延遲特性?；祉懯覝y試方案受限于有限的不同衰落環(huán)境的模擬能力，所以只能對終端提供有限的性能評估。
(3)兩階段法
兩步法測試流程如圖3所示。兩步法測試方案包含兩個(gè)測試階段。第一階段，在各向同性的環(huán)境下，使用傳統(tǒng)的吸波暗室為基礎(chǔ)的測試系統(tǒng)和一個(gè)綜測儀測量復(fù)雜的有源天線陣列;第二階段，通過下述兩種手段把天線陣列的信息與信道模型結(jié)合起來：使用信道模擬器進(jìn)行傳導(dǎo)測試，或利用測試地得到的天線陣列信息通過理論計(jì)算得到一個(gè)理論上的信道容量性能。因此，在這一點(diǎn)上，兩階段方法只能獲得有限的數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究以得到準(zhǔn)確的性能指標(biāo)。
大規(guī)模天線OTA測試技術(shù)中關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何在電波暗室中產(chǎn)生一個(gè)最接近真實(shí)環(huán)境的空間、角度和極化行為的射頻信道模型，這種復(fù)雜性使得MIMO OTA測試平臺研發(fā)需要大量場地和設(shè)備資金的投入，這對于廣大的終端設(shè)備廠商而言，成本過于昂貴。在討論的3種MIMO OTA測試方案中，兩步測試方案是一種快速、精確、經(jīng)濟(jì)又高效的MIMO OTA測試方法，研究表明，相對于傳統(tǒng)的多探頭測試方案，兩步法僅簡化了接收分集性能而非信道相關(guān)特性，獲得的測試結(jié)果也基本一致[13];其次，兩步法可重復(fù)利用測試得到的天線方向圖模擬二維或三維的信道模型，而不需要重復(fù)使用電波暗室測試，進(jìn)而提高了測試的靈活性，另外，兩步法可充分利用LTE階段建設(shè)的測試平臺資源迅速擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)MIMO OTA測試，是一種快速經(jīng)濟(jì)的測試解決方案。
4 結(jié)束語
本文根據(jù)5G移動通信的技術(shù)特征，分別從軟件和硬件兩個(gè)方面分析了應(yīng)對的測試解決方案和方法。這些方法主要集中在物理層和射頻部分，未涉及協(xié)議的測試方法的討論。
致謝：
本文的撰寫得到了上海無線通信研究中心徐景研究員、西安交通大學(xué)任品毅教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)周武教授的支持和幫助。
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