LTE-V2X終端實驗室射頻、性能測試方法研究

杜 昊，呂玉琦，丁啟楓

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

LTE-V2X技術和802.11P技術是目前國際上兩種主流的V2X（vehicle to everything）應用技術。

其中，LTE-V2X技術能夠在高速移動環(huán)境中提供低時延、高可靠、高速率、安全的通信能力。LTE-V2X通信的基本元素包括：車載單元（On board unit，OBU）、行人（Pedestrian，P）、用戶類型路邊單元（UE-type Road Side Unit，UE-type RSU）、基站類型路邊單元（eNode B-type Road Side Unit，eNode B-type RSU）、基站（E-UTRAN）等。具體通信模式包括V2V（Vehicle-to-Vehicle）、V2I（Vehicle-to-Infrastructure）和 V2P（Vehicle-to-Pedestrian）等。

LTE-V2X設備的網絡連接模式，按照通信方式不同可以分為直連模式和網聯(lián)模式：直連模式是不經過基站的通信模式，稱為PC5口通信模式；網聯(lián)模式是經過基站的通信模式，稱為UU口通信模式。由于現階段實驗室測試在組網方面的局限性，無法完整的體現V2X網絡，因此本文主要討論針對PC5口通信模式的測試方法研究。LTE-V2X的國際標準發(fā)展歷程是3GPP在R12和R13中推出了D2D通信模式。2015年年初，3GPP在D2D通信模式的基礎上，正式啟動基于LTE-V2X的技術需求和標準化研究。2015年初，3GPP需求工作組開展了LTE-V2X需求研究，于2016年3月結項；2016年年初，3GPP架構工作組啟動LTE-V2X架構研究，于2016年12月結項；2015年7月，3GPP無線技術工作組開始LTE-V2X空口技術研究，于2016年6月結項；2015年12月，3GPP啟動基于LTE PC5接口的V2V項目，于2016年9月結項；2016年6月，3GPP啟動基于LTE的V2X業(yè)務項目，于2017年3月結項。在測試標準方面，2018年7月，由國家無線電監(jiān)測中心檢測中心牽頭編寫的《基于長期演進技術（LTE）的車聯(lián)網終端射頻和通信性能》系列團體標準正式發(fā)布。[1]

作為LTE-V2X終端設備研發(fā)階段及正常組網工作的技術保證及必要條件，需進行相對全面的實驗室性能測試；同時，由于LTE-V2X設備是與安全相關的無線電設備，按照我國無線電設備的管理規(guī)定及相關技術要求，需對其射頻特性進行測試。以上的實驗室測試將為LTE-V2X終端的外場測試、商用及生態(tài)圈的完善做好技術準備工作。

1 實驗室射頻測試

LTE-V2X終端的實驗室射頻測試是驗證LTEV2X設備使用頻率和射頻相關指標的基礎工作。在工作頻率和設備技術要求方面，我國于2018年10月正式發(fā)布了《車聯(lián)網（智能網聯(lián)汽車）直連通信使用5905-5925MHz頻段的管理規(guī)定（暫行）》，可作為此項測試的指標依據。LTE-V2X終端射頻指標總體要求是：對于使用5905-5925MHz頻段的OBU終端和RSU終端，一方面要求能夠產生符合標準要求的有用信號，另一方面要求把無用發(fā)射控制在一定水平之內。[2]

1.1 測試項目及技術指標

LTE-V2X終端實驗室射頻測試項目分為5個部分，技術要求參考標準3GPP TS 36.101，測試項目如下：

（1）最大發(fā)射功率。確定終端的發(fā)射功率是否符合標準要求。如果終端最大發(fā)射功率過大，會對其他信道或系統(tǒng)造成干擾，最大發(fā)射功率過小會造成系統(tǒng)覆蓋范圍減少。按照3GPP標準要求，LTEV2X系統(tǒng)的OBU終端和RSU終端的發(fā)射功率應在23dBm±2dB范圍內。

在我國，無線電發(fā)射設備需要符合我國的無線電管理規(guī)定。根據《車聯(lián)網（智能網聯(lián)汽車）直連通信使用5905-5925MHz頻段的管理規(guī)定（暫行）》，針對LTE-V2X終端直連通信設備發(fā)射功率測試有效全向輻射功率（Ef fect ive Isot ropic Radiated Power，EIRP）。[3]

表1 設備發(fā)射功率限值

（2）頻率范圍。頻率范圍是指設備工作時發(fā)射信號的頻率范圍。設備占用頻率范圍由功率包絡占用的最低頻率（fL）和最高頻率（fH）決定。LTE-V2X系統(tǒng)的頻率使用范圍限值為5905MHz-5925MHz。

（3）占用帶寬。占用帶寬用于檢驗發(fā)射機的發(fā)射帶寬是否超出其正常工作的頻譜范圍，以避免對其他通信系統(tǒng)的干擾。LTEV2X系統(tǒng)的OBU和RSU終端占用帶寬應小于或等于20MHz。

（4）頻譜發(fā)射模板。針對LTE-V2X直連通信終端設備，頻譜發(fā)射模板是測量偏移載波中心頻率為0-25MHz的頻譜雜散能量。

具體指標要求見表2：

表2 設備頻譜發(fā)射模板

（5）雜散發(fā)射。發(fā)射機的雜散輻射是指除帶外雜散以外由諧波發(fā)射、寄生發(fā)射、互調產物及頻率轉移產物等產生的非期望發(fā)射，需要進行嚴格的限制，否則會對其他用戶的系統(tǒng)造成嚴重的干擾。

在我國，根據《車聯(lián)網（智能網聯(lián)汽車）直連通信使用5905-5925MHz頻段的管理規(guī)定（暫行）》，通用無用發(fā)射要求應符合表3要求：

表3 設備雜散發(fā)射限值

1.2 測試方法

LTE-V2X終端射頻測試配置如圖1所示，占空比測試配置如圖2所示。射頻測試中，所有測試項的配置不變。

圖1 實驗室射頻測試配置

圖2 設備占空比測試配置

1.2.1 發(fā)射功率測試方法

（1）配置被測設備，使其工作在3GPP T S 36.101要求Power Class3最大輸出功率狀態(tài)下。

（2）通過適當的衰減器，將被測設備連接到一個匹配的二極管檢波器或同等裝置上。二極管檢波器的輸出端應連接到一個示波器或同等功率測量設備的垂直通道上。二極管檢波器和示波器的組合應能夠準確地復現發(fā)射機輸出信號的占空比。

（3）將頻譜儀中心頻率設置為被測設備的工作頻率，使用RMS檢波方式，RBW（Resdut ion Bandwidth，分辨率帶寬）設置為100kHz，VBW（Video Bandwidth，視頻帶寬）設置為3倍或10倍于RBW，掃頻寬度為2倍的標稱帶寬。

（4）記錄最大功率輸出數值“A”和占空比，根據式（1）得到等效全向輻射功率。

式中，P表示等效全向輻射功率，單位dBm；A表示測得的輸出功率，單位dBm；x表示發(fā)射機輸出信號占空比。

1.2.2 頻率范圍測試方法

（1）配置被測設備，使其工作在最大輸出功率狀態(tài)下；

（2）將頻譜儀中心頻率設置為被測設備的工作頻率，使用RMS檢波方式，根據被測設備信號帶寬調整適當的RBW和VBW數值；

（3）設置被測設備工作在最低工作頻率，記錄小于此工作頻率且功率譜密度為80dBm/Hz（EIRP）的對應的頻點fL；

（4）被測設備設置為最高工作頻率，記錄大于此工作頻率且功率譜密度為80dBm/Hz（EIRP）的對應的頻點fH；fL應大于頻率范圍最低限值，fH應小于頻率范圍最高限值。

1.2.3 占用帶寬測試方法

（1）配置被測設備，使其工作在最大輸出功率狀態(tài)下。

（2）調整頻譜儀內部衰減器，確保其工作在線性動態(tài)范圍內。

（3）將頻譜儀中心頻率設置為被測設備的工作頻率，使用RMS檢波方式，RBW設置為100kHz，VBW設置為3倍或10倍于RBW，掃頻寬度為2倍的標稱帶寬。

（4）記錄發(fā)射信號99%能量的帶寬，此值不得超過給定限值。

1.2.4 頻譜模板測試方法

（1）配置測試設備，使其工作在最大輸出功率等級狀態(tài)下。

（2）將頻譜儀中心頻率設置為被測設備的工作頻率，使用有效值檢波方式。

（3）按照規(guī)定的測試帶寬設置頻譜儀，讀取對應頻段的最大電平，此值不得超過給定的限值。

1.2.5 雜散發(fā)射測試方法

（1）配置被測設備，使其工作在最大輸出功率狀態(tài)下。

（2）調整頻譜儀內部衰減器，確保其工作在線性動態(tài)范圍內。

（3）頻譜儀軌跡保留方式設置為最大保持，檢波方式為峰值檢波，并且根據技術要求設置相應的起始頻率、終止頻率和測量帶寬。

（4）記錄免測頻段以外高于限值要求的任何有效雜散頻譜分量。

2 實驗室通信性能測試

在實驗室環(huán)境下測試LTE-V2X終端設備的系統(tǒng)級通信性能，對LTE-V2X系統(tǒng)V2V/V2I鏈路的覆蓋范圍、時延性能參數和車輛及行人安全息息相關，在外場測試條件不滿足或LTE-V2X設備裝車之前對其通信性能進行實驗室測試十分必要。[4]

2.1 測試項目

LTE-V2X終端和設備實驗室性能測試項包括：規(guī)定覆蓋范圍下，LTE-V2X系統(tǒng)的時延和分組丟失率。

（1）時延。時延是指從數據分組到達發(fā)送側應用層服務數據單元入口開始，到數據分組到達接收側應用層服務數據單元出口截止所經歷的單向傳輸時間。

（2）分組丟失率。分組丟失率是指在一定覆蓋范圍（如端到端距離為100m）和信道質量條件下（如SNR=0dB或者其他），接收機丟失應收到數據分組的概率。分組丟失率=1-（小于最大時延門限接收到的數據分組/總發(fā)送數據分組）。

2.2 測試條件

測試設備指根據LTE-V2X系統(tǒng)OBU/RSU接口開發(fā)，在上位機運行的測試軟件。測試設備可實時監(jiān)控V2V/V2I的通信狀態(tài)，并擁有發(fā)送日志或接收日志的記錄功能。發(fā)送數據應包括：數據分組序號、發(fā)送時間戳、發(fā)射功率、UEID、負載內容長度、負載地理信息、發(fā)送端行駛方向及速度等內容。接收數據應包括：接收時間戳、本地MAC地址、校驗信息、接收端地理信息、接收端行駛方向和速度、發(fā)送端的數據分組內容等內容。

同時，LTE-V2X設備通信采用單天線發(fā)送、雙天線接收模式，如有其他天線模式應特別說明。

2.3 技術指標

LTE-V2X終端設備實驗室性能測試技術指標如表4所示。

在實驗室測試過程中，需按照標準要求使用信道模擬器在實驗室環(huán)境下模擬實際信道環(huán)境，信道模擬器參數設置如表5所示。如測試過程中有特殊要求，需特殊設置信道模擬器參數。

表4 實驗室性能測試技術指標

表5 實驗室性能測試信道模擬器參數設置

2.4 測試方法

LTE-V2X終端性能實驗室測試配置如圖3所示。測試配置由2臺測試設備、2臺OBU/RSU、射頻線、信道模擬器、可調衰減器和屏蔽箱組成。實驗室模擬場景包括城區(qū)LOS場景、城區(qū)NLOS場景和高速LOS場景。屏蔽箱用于減小信號射頻泄露和旁路傳導對通信鏈路的影響。

圖3 實驗室性能測試配置圖

測試步驟如下：

① 基于屏蔽室內引入的GPS信號，對LTEV2X終端設備OBU/RSU或OBU/OBU進行同步；

② 按照圖3所示配置圖搭建測試環(huán)境，為OBU/RSU配置相應的工作功率、頻率、帶寬等配置；

③ 為信道模擬器設定不同的參數模擬不同的通信場景，參數設置見表5；

④ 參照表5設置V2V/V2I的通信距離、相對速度；

⑤ 設置V2V/V2I的信噪比，范圍[-4，4]；

⑥ 由發(fā)送端測試設備發(fā)送數據，初始發(fā)送分組時間為隨機值，所述隨機時間在[0ms，100ms），同時記錄發(fā)送日志；

⑦ 發(fā)送端測試設備控制發(fā)送端OBU/RSU發(fā)送數據，數據通信時間不小于200s，發(fā)送數據分組樣本量不低于2000分組；可根據測試具體要求調整數值；

⑧ 接收端OBU/RSU將收到的測試數據傳遞至接收端測試設備，存儲接收信息同時記錄接收日志；

⑨ 按照表6規(guī)則分析數據處理方法，得到該信噪比下的分組丟失率和時延；

⑩ 轉至步驟③，設定信道模擬器模擬的其他場景，重復測試知道滿足所有測試要求結束測試。

表6 實驗室測試數據處理方式

3 結束語

隨著5G等通信技術的發(fā)展以及汽車工業(yè)的強勁增長，車聯(lián)網作為通信與汽車行業(yè)的跨界融合產業(yè)，近年來得到了通信與汽車產業(yè)界的重點關注，標準、技術和產品的發(fā)展日新月異。其中，LTEV2X終端作為車聯(lián)網的重要組成部分，其測試方法的研究將是保證車聯(lián)網系統(tǒng)整體安全、合規(guī)、完整運行的基礎保障工作。本文主要聚焦的LTE-V2X終端實驗室射頻、性能測試方法研究是LTE-V2X測試領域必不可少的部分，是外場測試以及最終商用的基礎。通過實驗室測試項目、技術指標以及測試方法的研究確定，保證LTE-V2X終端在實際應用中符合無線電產品法規(guī)以及在相關車聯(lián)網場景中安全使用，最終達到促進車聯(lián)網領域的規(guī)范和有序發(fā)展的目的。