TD-LTE基站射頻一致性測試研究和應用

桂 麗，夏駱輝

（中國信息通信研究院 北京100191）

1 引言

隨著國內外運營商4G網絡的相繼部署，LTE基站作為4G網絡無線接入是決定其部署的重要因素[1]。LTE基站對射頻參數性能指標是衡量其性能指標的決定要素之一，射頻參數的設置將直接影響著運營商4G網絡的容量、覆蓋、服務質量（quality of service,QoS）等關鍵性能。因此，研究LTE基站射頻參數對網絡的影響、基站射頻指標的制定、網絡性能的提高以及用戶業務感知的提升具有積極的作用。

本文通過對基站射頻測試內容的研究，對TD-LTE基站（eNode B）射頻一致性測試的相關測試項進行歸納總結，分析其測試項的實際物理意義以及對運營商實際網絡部署的影響。除此之外，結合實際TD-LTE基站測試中的經驗，提出了TD-LTE基站射頻一致性測試的解決方案并對測試結果進行深入分析。

本文首先介紹TD-LTE基站的功能架構和作用；其次，對目前國內外TD-LTE基站射頻一致性測試的標準發展狀況進行總結；然后，分析并評估LTE基站射頻參數對網絡性能的影響；最后，提出可行的TD-LTE基站射頻測試方案，并對實際測試結果進行驗證分析。

2 TD-LTE基站系統結構

TD-LTE基站是E-UTRAN（evolved universal terrestrial radio access）唯一的無線接入節點網元，具有3GPP UTRAN（universal terrestrial radio access）的Node B的功能和無線網絡控制器（radio network controller,RNC）的大部分功能，主要包括S1、X2接口管理、小區管理、用戶設備（user equipment,UE）管理、系統信息廣播和移動性管理等功能。與3G無線接入節點Node B相比，eNode B還集成了部分類似RNC的無線資源控制功能；eNode B直接接入核心網演進分組核心（evolved packet core,EPC），使得網絡結構扁平化，進而減少了協議開銷，提高傳輸效率，降低傳輸時延，有效提升用戶體驗。

典型eNode B架構具有分布式特性，主要由兩個部分組成，分別為基帶控制單元（base band unit,BBU）和射頻拉遠單元（radio remote unit,RRU）。BBU主要提供BBU和RRU通信的物理接口，完成兩者之間的信息交互；提供與RRU之間的Ir接口；完成上下行數據處理功能；完成操作維護和信令處理功能；提供系統時鐘。RRU主要用于接收射頻信號，對信號進行處理后發送給BBU；接收BBU發送的下行基帶數據，將該數據處理后在發射頻段進行發射。BBU和RRU之間采用Ir接口相連，便于射頻模塊的拉遠部署。

典型的BBU和RRU內部硬件架構如圖1所示。其中，BBU中控制與時鐘板主要實現主控功能，并完成RRC協議處理，時鐘板提供系統時鐘和射頻校準時鐘。基帶處理板實現對基帶的處理、與RRU的基帶射頻接口，其中一個BBU可包含多個基帶處理板槽位。因此，BBU可以與多個RRU相連。通用時鐘接口板提供全球定位系統（global positioning system,GPS）輸入接口。此外，還包括告警模塊、電源模塊和風扇模塊等，為BBU整體正常運轉提供有效支撐。RRU主要包含4個部分：電源、濾波器、收發信板和功放，是產生基站射頻信號的主要模塊。

圖1 eNode B架構示意

3 TD-LTE基站射頻測試相關標準

目前TD-LTE基站射頻一致性測試標準主要包括第三代合作伙伴計劃 （The 3rd Generation Partnership Project,3GPP）和中國通信標準化協會 （China Communications Standards Association,CCSA）制定的相應國際和行業標準。

3 GPP中TD-LTE基站射頻測試相關指標主要包括E-UTRA基站技術要求[2]和測試方法[3]，該標準是3GPP組織針對TD-LTE基站射頻測試制定的國際標準，是基站射頻指標的最基本要求，由于沒有考慮我國不同制式共存的特殊需求，需要在對3GPP標準研究的基礎上，針對現有網絡不同測試指標的影響進行深入分析。

CCSA中TD-LTE基站射頻測試相關指標主要包括TD-LTE數字蜂窩移動通信網基站設備技術要求[4]和測試方法[5]，是目前TD-LTE移動通信基站入網測試所依照的測試標準。在射頻一致性測試方面有別于3GPP相關標準之處在于，考慮到我國蜂窩移動通信的頻段劃分相關情況，在不同制式共存的相關測試項方面予以進一步明確詳細規范。

此外，由于運營商或者企業在基站設備研發或者選型階段，對設備的射頻性能有著較3GPP或行業標準更嚴格的需求。因此，針對運營商或者企業不同需求所制定的企業標準也是基站設備所需依照的標準。

4 TD-LTE基站射頻測試研究

TD-LTE基站射頻一致性測試主要包含發射機測試和接收機測試兩部分，如圖2所示。發射機部分主要是對輸出功率、信號質量以及非期望輻射3個方面分別進行檢測；接收機部分包含4個測試項，具體介紹如下。

4.1 輸出功率測試

輸出功率測試主要是對基站功率發射狀況進行測量，主要包括的測試項及其定義如下。

圖2 TD-LTE基站射頻一致性測試

·常規環境/極限環境基站輸出功率：指當發射機在特定參考條件下基站天線連接器測量的單載波平均功率。

·總功率動態范圍：指在特定參考條件下，一個正交頻分復用符號的最大和最小發射功率的差值。

上述測試項主要是對基站中RRU功放的性能以及BBU控制與時鐘板和基帶處理板控制RRU發出功率的準確性進行評估。在實際使用中，上述測試對網絡的影響主要體現在基站的最大輸出功率直接影響到小區下行覆蓋范圍；而在極限環境下對基站輸出功率的考察主要是對基站可靠性、頑健性進行評估，特別是在溫度進行變化時基站內部的溫補曲線是否隨溫度變化產生作用，使得基站輸出功率在極端環境下能滿足需求；此外，總功率動態范圍直接體現基站對資源調度的能力，如果調制信號最大或最小輸出功率無法滿足要求，則基站輸出信號無法滿足需求，易產生波形失真等問題，導致基站無法正常工作。

4.2 信號質量測試

信號質量測試是對基站發射機發射調制信號在頻域、時域以及功率上的準確性，主要包括的測試項及其定義如下。

·頻率誤差：對基站實際發射頻率和被分配頻率差別的度量。

·矢量幅度誤差（error vector magnitude,EVM）：測量符號經過均衡器后，測量符號和參考符號之間的差別。EVM的測試結果是平均矢量誤差功率與平均參考功率比值的平方根。

·時間對齊誤差：在發射分集或空間復用環境下，信號從兩個或多個天線發射，發射的信號都應時間對齊。該測試項在發射分集和空間復用環境下被定義為從兩個天線端口發射信號之間的時延。

·下行參考符號（reference symbol,RS）功率：下行RS功率是下行參考符號的資源成分功率。下行RS絕對功率在下行共享信道 （downlink shared channel,DL-SCH）中有所顯示，絕對精度是指在DL-SCH信號指示的下行RS功率和基站天線連接器處下行RS功率的最大差值。

發射機信號質量測試項主要是對基站BBU控制與時鐘板和基帶處理板對于信號發射處理能力，以及配合RRU發射信號的準確性。實際使用中，上述測試對網絡的影響體現在：頻率誤差體現基站在頻域上的資源調度，頻率誤差指標直接影響接收機，甚至影響整個系統各子載波的正交性；EVM是對下行信號信噪比的評估，其性能影響到網絡的吞吐量，但是為優化EVM而提升功率將導致運營成本的增加，因此，需要綜合考量網絡覆蓋和運營成本因素；時間對齊誤差衡量各通道時延一致性，影響基站與終端之間的同步；下行RS信號被終端用于下行解調，下行RS功率大小將影響到網絡覆蓋和小區之間的干擾。

4.3 非期望輻射測試

非期望輻射測試主要是對基站發射機在指定頻率范圍內、外的輻射情況進行測量，主要包括的測試項及其定義如下。

·占用帶寬：指一段頻率范圍，平均功率在該范圍低頻率以下和高頻率以上的泄露值應等于總平均發射功率的0.5%。

·鄰道功率泄露比（adjacent channel leakage ratio,ACLR）：指制定信道頻率中心濾波后平均功率與相鄰信道頻率中心濾波后平均功率的比值。

·工作頻段非期望輻射：指工作頻段非期望輻射規定的是下行工作頻段最低頻率邊沿以下10 MHz為起點，到最高頻率邊沿以上10 MHz。

·發射機雜散輻射：雜散輻射主要是由于非期望發射機效應，如諧波輻射、寄生發射、互調產物和變頻產物等產生，但不包括帶外輻射。該測試項主要包含一般頻段雜散和共存、共址雜散。

非期望輻射測試項主要是對基站中調制過程以及發射機非線性產生的無用發射進行評估，此外，考察RRU的濾波器能否將諧波發射、寄生發射、互調產物以及變頻產物有效濾除。實際使用中，上述測試對網絡的影響主要體現在，占用帶寬反映基站發射機支持的單載波帶寬以及雜波數目，如果占用帶寬過大，將對相鄰信道產生同頻干擾；ACLR反映基站在鄰道上雜散輻射情況，保證鄰信道的其他通信系統以及工作在相鄰信道的小區不會因為該基站的無用發射受到影響；工作頻段非期望輻射主要考察基站在工作頻段對其他系統的干擾；發射機雜散輻射主要考察發射機對其他系統造成的干擾，一般頻段雜散是不考慮其他系統的最低要求，共存雜散考察與其他系統共存時是否會造成系統的電磁兼容性降低以及影響共存系統的接收性能，共址雜散指標主要保護共址部署時其他系統的性能。

4.4 接收機測試

接收機測試主要是對接收機覆蓋能力以及抗干擾能力進行評估，主要的測試項及其定義如下。

·靈敏度：參考靈敏度測試規定了一個參考靈敏度功率水平，該功率為在特定參考測量信道上的吞吐量滿足特定的需求時，天線連接處接收功率的最小平均值。

·鄰道選擇性（adjacent-channel selectivity，ACS）：指接收機接收一個有用信號時，在分配信道頻率的鄰道存在干擾信號，測量此時接收機的接收能力是否滿足要求。

·信道內選擇性（in-channel selectivity,ICS）：用于檢測當存在一個較大功率譜密度的干擾信號時，接收機在指定資源塊上接收有用信號的能力。

·動態范圍：指接收機接收一個有用信號時，在接收信道帶寬內存在一個干擾信號，此時測量接收機的接收能力，即吞吐量是否滿足要求。

接收機測試項主要是對基站接收機對信號解調的能力以及RRU濾波器對干擾的抑制能力。實際使用中，上述測試對網絡的影響體現在：靈敏度是對基站上行覆蓋性能的直接反映，良好的接收機靈敏度可有效降低上行接收信號信噪比需求；鄰道選擇性體現接收機對鄰道干擾的抑制能力，將直接影響到接收機與其他系統共存時的接收性能；信道內選擇性體現接收帶內信號的能力，當多終端共存時，該指標影響到接收機的解調能力；動態范圍指接收信號能被檢測且不失真的功率范圍，該范圍反映接收機接收強弱信號的能力范圍。

5 基站射頻測試方法與應用

通過上述介紹可知，每項測試分別從不同角度反映了基站射頻性能。如何準確地測量出上述射頻指標并對其加以評估成為基站射頻指標測試實踐的目標。下面將介紹基站射頻一致性測試環境搭建及配置；基于該環境對部分射頻測試項進行驗證并依照行業標準進行判定；此外，針對基站射頻測試結果進行對比，以此來表明不同基站在射頻指標上存在的差異。

5.1 測試環境和配置

測試主要包括發射機和接收機測試，整個基站射頻測試環境在屏蔽室中進行搭建，主要是為了保證整個檢測環境不受到外部信號的影響。

發射機測試連接如圖3所示。主要通過射頻電纜將被測RRU和BBU與頻譜分析儀表相連，基站控制端主要按照要求將基站配置成測試所需模式。接收機測試連接如圖4所示。該測試環境主要包括兩個信號源分別用于產生有用信號和干擾信號，并通過合路器接入RRU，基站控制端用于按照測試需求配置基站，此外對基站的吞吐量進行統計。在測試前，需要對整個測試系統進行校準，以保證測量結果的準確性。

圖3 基站射頻一致性發射機測試連接

圖4 基站射頻一致性接收機測試連接

5.2 測試內容

對于發射機射頻指標測試，本測試主要針對兩款工作頻段分別為2 575～2 635 MHz和2 635～2 655 MHz的基站進行工作頻段非期望輻射和ACLR，配置基站采用E-TM1.1配置基站發射，具體配置內容參見3GPP標準36.141，測試頻點為低頻點，系統帶寬為20 MHz。對于接收機射頻指標測試，本測試主要針對兩款工作頻段分別為2 320～2 370 MHz和2 575～2 635 MHz的基站進行靈敏度、ACS和ICS測試，有用信號按照3GPP中FRC A1-3配置，具體配置內容參見3GPP標準36.141[3]。射頻指標主要依照《YD 2572-2013 TD-LTE數字蜂窩移動通信網 基站設備測試方法（第一階段）》中關于發射機和接收機的無線指標規定進行判定。

5.3 測試結果

5.3.1 發射機射頻指標

（1）工作頻段非期望輻射

工作頻段非期望輻射的測試結果見表1。

表1分別針對工作頻段為2 575～2 635 MHz和2 635～2 655 MHz的兩款TD-LTE基站的工作頻段非期望輻射進行測量，兩款基站的發射功率分別為41.76 dBm和46 dBm。該測試項對向低、向高偏離中心頻點10.050～15.050 MHz、15.050～20.050 MHz和20.500～22.500 MHz頻段中峰值功率進行測量，保證上述6個頻段內的峰值功率低于相應限值，具體限制可參見《YD 2572-2013 TD-LTE數字蜂窩移動通信網基站設備測試方法（第一階段）》，結果表明兩款基站均符合行業標準中該測試項的要求，判定為合格。由于工作頻段非期望輻射測試結果與功率和濾波器的范圍相關，結果中兩款基站的左端峰值功率即前3行測試數據比較來看，發射功率較大基站的峰值功率比功率較小基站的峰值功率均偏大；而右端峰值功率即后3行測試數據主要受到濾波器的影響，工作頻段為2 635～2 655 MHz的基站由于帶寬僅為20 MHz，右端測量頻段落于工作頻帶以外，因此測得峰值功率較2 575～2 635 MHz的峰值功率小。

（2）ACLR

ACLR的測試結果見表2。

表2中對上述兩款TD-LTE基站的ACLR測試結果進行對比。該測試項的測量帶寬為20 MHz，該測試項主要針對工作頻段外20 MHz和40 MHz的輻射情況進行測量，測試結果為在指定信道頻率上平均功率與相鄰信道頻率上平均功率的比值不得大于44.2 dB。從表2測試結果可看出，兩款基站差別不大，工作頻段為2 635～2 655 MHz的基站略優，測試結果均在63 dB以上，判定結果為合格。該指標的結果主要取決于基站系統底噪，而該底噪主要來源于設備物理原器件設計，功率大小對其影響不大。

表1 工作頻段非期望輻射測試結果

5.3.2 接收機射頻指標測試結果

測試頻點為低頻點。測試中虛擬資源塊偏移量以資源塊個數為單位，以工作頻段最低20 MHz帶寬的最低沿為起始點計算偏移。

（1）靈敏度

靈敏度的測試結果見表3。

表3 靈敏度測試結果

表4 ICS測試結果

表3分別針對工作頻段為2 320～2 370 MHz和2 575～2 635 MHz TD-LTE基站的靈敏度進行測量。測試中通過信號源在工作頻段的低頻點，即2 330 MHz和2 585 MHz兩個頻點上分別發射功率大小為-100.8 dBm的TD-LTE調制信號，此時觀察基站對于該信號的接收情況，查看是否有分組丟失情況發生，如果分組丟失率大于5%即判定結果為不合格。上述測量中，兩款基站在信號大小為-100.8 dBm時，分組丟失率均為0%，因此結論為合格。為了測量基站靈敏度的極限值，筆者將信號源發射信號的功率降低，兩款基站分別在信號功率為-105.4 dBm和-105.2 dBm時出現分組丟失率大于5%的情況。

（2）ICS

ICS測試結果見表4。

表4中對上述兩款TD-LTE基站的ICS測試結果進行對比。測試中通過信號源分別發射有用信號和干擾信號。虛擬資源塊偏移量為信號的偏移位置，單位為資源塊個數，有用信號和干擾信號均為TD-LTE調制信號，有用信號功率為-97.1 dBm，干擾信號功率為-77 dBm，有用信號和干擾信號發射后觀察基站對于有用信號的接收情況，查看是否有分組丟失情況發生，如果分組丟失率大于5%即判定為不合格。上述測試中，基站分組丟失率為0%，因此判定結論為合格。為了測量ICS測試項的極限值，將信號源中干擾信號的發射功率提高，即加大帶內干擾強度，工作頻段為2 320～2 370 MHz的基站干擾信號在有用信號右側和左側，功率極限值分別為-54.26 dBm和-57.36 dBm時，出現分組丟失率超過5%的現象；而工作頻段為2 575～2 635MHz的基站功率極限值分別為-45.96 dBm和-46.86 dBm。

表5 ACS測試結果

（3）ACS

ACS測試結果見表5。

表5中對上述兩款TD-LTE基站的ACS測試結果進行對比。有用信號中的虛擬資源塊偏移量為有用信號位置，單位為資源塊個數，帶寬為20 MHz，功率為-94.80 dBm；干擾信號均緊鄰有用信號，帶寬為5 MHz，功率為-52 dBm。兩種信號均為TD-LTE調制信號。當信號源發射兩種信號后，觀察基站對于有用信號的接收情況，是否有分組丟失情況出現，分組丟失率大于5%即為不合格。上述測試中，基站分組丟失率為0%，因此判定為合格。為了測量ACS測試項的極限值，將信號源中干擾信號的發射功率提高，即加大帶外干擾強度，工作頻段為2 320～2 370 MHz的基站干擾信號在有用信號左側和右側，功率極限值分別為-38.00 dBm和-39.30 dBm時，出現分組丟失率超過5%的現象；而工作頻段為2 575～2 635 MHz的基站功率極限值分別為-36.20 dBm和-36.10 dBm。

ICS和ACS的測量結果可看出，工作頻段為2 575～2 635 MHz的基站優于工作頻段為2 320～2 370 MHz的基站，但是從數據結果可知兩者ACS大致差別為3 dB，而ICS則為9 dB，可見ICS受干擾的影響更大，即干擾如果出現在帶內對基站吞吐量的影響更大。這是由于帶外干擾可以通過物邏輯濾波器進行抑制，但對于帶內干擾則主要通過信號處理模塊對干擾進行濾除。

6 結束語

本文對TD-LTE基站系統的內部結構進行分析，然后，對TD-LTE基站射頻一致性測試內容進行深入研究，對發射機、接收機測試項進行分類，并分別介紹其定義及其對網絡部署時的影響。最后，針對上述測試項本文提出TD-LTE基站射頻一致性測試方法和實現，并基于該測試環境對基站進行測試，最后對測試結果進行分析以說明不同基站在射頻指標上體現出的差異。

1 王映民，孫韶輝.TD-LTE技術原理與系統設計.北京：人民郵電出版社,2010 Wang Y M,Sun S H.TD-LTE Principles and System Design.Beijing:Posts&Telecom Press,2010

2 3GPP TS36.141 V9.8.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA):Bases Station(BS)Conformance Testing,2012

3 3GPP TS36.104 V9.8.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA):Bases Station(BS)Radio Transmission and Reception,2011

4 工業和信息化部.YD 2571-2013 TD-LTE數字蜂窩移動通信網基站設備技術要求（第一階段）,2013 MIIT.YD 2571-2013 TD-LTE Digital Cellular Mobile Telecommunication Network-Technical Requirement of eNode B Equipment(Phase 1),2013

5 工業和信息化部.YD 2572-2013 TD-LTE數字蜂窩移動通信網基站設備測試方法（第一階段）,2013 MIIT.YD 2572-2013 TD-LTE Digital Cellular Mobile Telecommunication Network-Test Method of eNode B Equipment (Phase 1),2013