一種手持式NB-IoT終端綜合測試儀的設計與實現

王先鵬

摘 要：隨著5G技術的成熟與快速發展，推動了窄帶物聯網NB-IoT技術的長期演進。由于具有廣覆蓋、高密度、低功耗、低成本等特點，NB-IoT終端獲得了大量應用，NB-IoT終端信號分析也就成為了終端一致性測試的關鍵。本文在分析NB-IoT終端測試協議基礎上，提出了一種手持式NB-IoT終端綜合測試儀設計方法，集成了終端的多種測試功能，提高了NB-IoT終端在生產測試中的測試效率。測量結果驗證了所提方法的有效性。

關鍵字：NB-IoT；物聯網；綜測儀

*基金項目：中國電科集團發展資金項目，5G專網多通道基站綜測儀

0 引言

隨著5G技術的成熟與快速發展，推進了窄帶物聯網NB-IoT技術的長期演進。在3GPP R14、R15和R16b版本中，作為低功耗廣域物聯網技術，NB-IoT技術的演進和升級[1-2]，使之進入了5G候選技術集合[3]。

作為物聯網通信標準之一，NB-IoT技術支持廣泛的新物聯網設備連接和服務，有利于實現物聯網設備的大規模部署和低成本、低功耗、長電池使用壽命方案的實施。它具有廣覆蓋、高密度、低功耗、低成本等特點，又能基于現有蜂窩基站基礎設施實現大量物聯網設備的互聯互通，在智慧城市建設、工業自動化、智能交通、智能家居和數字醫療等領域得到了大量應用[4-6]。由于基于NB-IOT技術的物聯網設備的大規模部署、種類繁多的物聯設備和低成本要求，對這些設備的各種測試提出了很高的要求，測試的復雜性也隨之增加。

對于NB-IOT終端設備的測試主要分為NB-IOT協議一致性測試、NS-IOT測試、RRM一致性測試、射頻RF指標測試、功耗測試、互操作性測試、OTA測試和產線測試等。文獻[7-8]基于TTCN-3技術提出了 NB-IoT終端射頻一致性測試平臺，僅能滿足協議棧的一致性測試和實驗室驗證。如何滿足不同種類NB-IoT終端設備的低成本高效測試已成為一個亟待解決的難題。目前國外主流儀表生產廠商都是基于現有儀表硬件架構，通過NB-IoT軟件升級包的形式支持測試，因此其低成本的優勢也就不再顯現；國內儀表廠商對于NBIoT測試的儀表功能單一。綜上所述，本文針對NBIOT終端設備提出了一種低成本、手持式、支持多功能測試的終端綜測儀軟硬件設計方法和實現技術。

1 NB-IoT終端綜測軟硬件設計

1.1 硬件平臺設計

由于NB-IoT終端具有低功耗、低成本等特點，所以NB-IoT終端綜測硬件平臺需要一個高指標，低成本的射頻前端模塊、高效的數據處理模塊和協議棧模塊以及低功耗分析檢測模塊。綜合考慮多方面因素，本文提出了一種硬件總體設計方案，結構如圖1所示。

射頻模塊由射頻發射通道、射頻接收通道、收發本振、射頻開關矩陣和時基參考板構成，實現射頻信號與中頻信號的相互轉化。射頻開關矩陣使用NB-IoT 終端產線的自動化快速測試方法，而一般單臺儀表的標配為一個收發合路的天線模塊。射頻頻率范圍為 （70～6 000）MHz。中頻處理模塊由FPGA+ARM結構組成，FPGA實現下行信號的發送和上行信號的采集分析，ARM實現線程調度、數據分析、與人機接口通信以及整機狀態維測管理等；協議棧模塊負責NB-IoT信令流程交互控制；功耗分析模塊實現對終端的電流分析。

NB-IoT下行采用OFDMA技術，占用帶寬200 kHz， 實際占用180 kHz，兩邊各有10 kHz的保護帶寬，在LTE Inband部署時相當于1個RB。下行子載波帶寬15 kHz。NB-IoT上行則采用SC-FDMA技術，有3.75 kHz和15 kHz兩種帶寬。鑒于射頻硬件和FPGA+ARM構成的數據處理模塊的通用性（例如支持LTE測試），中頻處理單元采樣率設為30.72 Mbit/s，分析帶寬為30.72 MHz。中頻信號處理單元將中頻信號通過A/D模數轉換器變成數字信號，且FPGA可以采用中頻功率或者幀同步實現終端上行信號的同步。

1.2 軟件架構設計

根據硬件架構以及支持的功能劃分，NB-IoT終端綜測儀軟件架構如圖2所示。

從圖中可以看出，軟件部分主要包含中頻和射頻邏輯處理模塊、驅動模塊、ARM中的業務調度模塊、數據處理模塊、統計分析模塊、TCP通信模塊、協議棧和人機/自動化接口等。NB-IoT物理層的數據分析由FPGA完成實時IQ數據的采集、解調和計算，ARM進行業務調度，同步實現數據處理和統計分析。協議棧模塊僅在進行NB-IoT協議測試（信令模式）時才被激活，與FPGA中物理層實時處理單元構建一個完整的上下行通信鏈路。

NB-IoT功耗分析的關鍵是對終端電流的動態分析。本綜測儀中的功耗分析模塊可以結合FPGA+ARM高效數據處理模塊、高性能射頻模塊和協議棧模塊構成的信令交互通路，實現終端在各種待機狀態、連接狀態下電源功耗的在線分析。

NB-IoT終端的一致性測試包括射頻一致性測試、RRM一致性測試和協議一致性測試3個方面。射頻一致性測試主要測試終端的發射機指標、接收機指標和性能要求；RRM一致性測試主要是對終端移動性管理、連接態移動管理、RRC連接、傳輸時間性能測量等進行測試分析；協議一致性測試是對空口協議信令交互一致性進行測試。終端射頻一致性測試對儀表要求非常高，而本綜測儀硬件架構能夠很好滿足射頻測試需求，同時結合協議棧模塊實現終端在信令模式下進行RRM和協議一致性測試。

2 測試結果

本文選擇NB-IoT終端進行非信令模式下射頻指標測試。中心頻率1 GHz作為測試例，模式設置為DL FDD Stand-alone，觸發模式為中頻功率觸發，相關參數配置按照3GPP TS 36.101、3GPP TS 36.521協議中規定進行設置[9-10]，具體測試結果如圖3所示。

圖3中顯示與NB-IoT終端上行信號同步成功，并從時域、頻域和解調域3個方面對終端上行信號進行了分析，包括：EVM、星座圖、頻譜、時域功率和資源分配表等。

3 結束語

本文針對NB-IoT的特點和測試需求，提出的硬件平臺設計方法可以實現NB-IoT的信令與非信令測試，通過8T8R功分模塊實現產線多終端自動化并行快速測試。本文所提出的設計方案實現了單臺NB-IoT終端綜測儀集協議測試、射頻指標測試、RRM測試的一體化，在生產測試和內外場測試中顯著提高測試效率，降低了成本。

參考文獻：

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[9] 3GPP TS 36.101 V16.8.0（2020-12）；Evolved universal terrestrial radio access（E-UTRA）；User Equipment（UE） radio transmission and reception（Release 16）[S]，2020.

[10] 3GPP TS 36.521 V16.7.0（2020-12）；Evolved universal terrestrial radio access（E-UTRA）；User Equipment（UE） conformance specification； Radio transmission and reception （Release 16）[S]，2020.