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載波聚合的測試新視野
更快更複雜的並聯測試

【作者: 王岫晨】   2017年04月12日 星期三

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4G LTE-Advanced是3GPP開發的LTE(Long Term Evolution,長期演進計畫)演進版本,旨在達到或超過國際電信聯盟(ITU)的要求,建立真正的第四代無線通訊標準,即IMT-Advanced。3GPP標準的LTE-Advanced在第10版及其後的所有版本中定義,包括第12版。LTE-Advanced Pro新增了許多於第13版(2016年3月公布)和後續標準中定義的多項新功能。


LTE在第三代行動通訊組織(3GPP)中已經達到成熟的階段。目前規格上的變動目的都僅限於部分技術內容更正。在2009年底,LTE動通信系統已經開始佈署如同GSM和UMTS的演進。國際電信聯盟(ITU International Telecommunication Union)創立一個新的名詞IMT-advanced,用來規範新的行動通信系統之能力超過目前現有符合IMT-2000的行動通信系統。特別在資料量傳輸速度方面要求有大幅的增加。


為了支持先進的服務及應用,資料傳輸率在高速移動時要求達到100Mbps,低速移動時要能達到1Gbps。在2009一整年,第三代行動通訊組織(3GPP)一直在研究如何針對LTE標準改善,以符合IMT-advanced的需求。


在2009年九月,3GPP向國際電信聯盟(ITU)提出一個正式提案LTE Release 10 ,也就是LTE-Advanced應該被評估為IMT-advanced 候選標準。在2010 十月,LTE-Advanced(LTE-A)在國際電信聯盟無線電通信部門(ITU-R)成功地完成評估程序符合甚至超過IMT-advanced要求,成為被承認的4G技術。


LTE-A載波聚合

LTE-Advanced第 10 版標準中主要的新功能包括載波聚合(CA)、增強的多天線技術使用、增強型上行鏈路,並支援中繼節點(RN)。第 11 版標準接續了第 10 版的工作,並且增加了新的頻段和新的頻段組合,同時還支援可協調的多點運作。第 12 版標準增加了緊急和安全服務所需的 LTE 技術,並進一步開發預訂於第 13 版標準發布的關鍵任務一鍵通(MC-PTT)和其他功能。


其他重要特性包括小細胞和網路濃縮、D2D、LTE TDD-FDD 運作,包括載波聚合、適用於 3GPP 節點的安全保證方法(SECAM),以及與 WiFi 的整合。LTE-Advanced中主要技術元件包含載波聚合(CA),強化單載波多重存取技術(Enhanced SC-FDMA)、強化細胞間干擾協調技術(Enhanced ICIC)、強化MIMO架構(Enhanced MIMO schemes),以及轉發機制(Relaying)。其中轉發機制並沒有在Release 10被定義完成,故被移到Release 11中再討論。


3GPP標準第10版定義的載波聚合(CA)是LTE-A非常重要的新特性,可將多個LTE載波合併為一個較大的單通道頻寬,以便提升新裝置的資料傳輸速率。有些電信業者僅分配到極為有限或分段的頻譜。利用載波聚合技術,他們便可因應終端用戶不斷升高的資料傳輸需求。


LTE-Advanced標準的目標之一是維持與早先的LT E版本的相容性。因此LTE-Advanced的載波聚合方式基於早期3 GPP第8版標準所定義的載波,以便讓現有的LT E裝置仍然能夠繼續正常運作,同時讓新的裝置能夠透過載波聚合來支援更高的資料傳輸速率。


3 GPP第8版標準所定義的LTE載波稱為子載波(CC),載波聚合支援最多5個子載波合併,以實現100MHz的理論最大頻寬。大多數LTE-FDD網路業者獲准使用的頻譜無法支援最寬頻寬,因此通常選擇使用5或10MHz的頻寬來執行載波聚合。在分頻雙工(FDD)LTE-Advanced系統中,上行鏈路聚合子載波數量一定要少於或等於下行鏈路聚合子載波數量。相聚合的兩個載波,其頻寬可以不同,例如5MHz載波可以與10MHz載波聚合,這是蠻常見的情形。


在分時雙工(TDD)系統中,上行鏈路和下行鏈路則共用同一頻段。根據第10版標準的要求,TDD系統上行鏈路與下行鏈路的聚合子載波數量以及子載波頻寬必須一致。而3GPP第11版修訂了上述定義:支援TDD在不同頻段上,使用不同的上行鏈路和下行鏈路配置。


LTE-Advanced第10版標準定義了兩類載波聚合:頻段內載波聚合和頻段間載波聚合。頻段內載波聚合的子載波,佔用同一LTE頻段中的不同通道。這些通道可以是連續(相鄰)通道,也可以是非連續通道,甚至是連續和非連續通道的組合(適用於3個或以上子載波聚合的情形)。


有些晶片組使用單一接收器來支援上述特性。而頻段間載波聚合的子載波處於不同頻段,因此需要使用兩個或更多接收器來實現。這類載波聚合的成本較高,卻是電信業者最喜歡使用的方式,因為這類載波聚合可以利用不同頻段中的離散頻譜資源。


LTE-Advanced網路支援僅下行鏈路聚合,或是下行與上行鏈路的同時載波聚合,不過初期只會在下行鏈路中部署載波聚合,因為下行封包資料傳輸的需求較為迫切。



圖一 : 載波聚合可合併多個LTE載波可以提升單通道頻寬,進而提高資料速率和處理速度,以極致利用可用頻譜。
圖一 : 載波聚合可合併多個LTE載波可以提升單通道頻寬,進而提高資料速率和處理速度,以極致利用可用頻譜。資料來源:qualcomm.com

載波聚合帶來測試新挑戰

載波聚合為LTE終端設備(UE)製造商帶來了新的挑戰:儘管載波聚合技術不會產生新的測試項目,但無疑會增加測試時間和複雜性。與其他蜂巢式行動裝置一樣,生產支援載波聚合的終端設備時,同樣也必須在製造過程中進行校驗和驗證測試。對此,製造商將採取不同的測試策略。


校驗頻段內載波聚合裝置,跟校驗指定頻率的LTE裝置很類似。然而,製造商需要以更多步驟來校驗支援聚合頻寬的裝置,例如必須驗證裝置發送多個子載波時,功率放大器的功率回退問題。驗證頻段內載波聚合裝置時,某些製造商可能會使用多個載波進行測試,另一些製造商可能會選用單一載波來簡化測試,然後使用多個載波來對樣本執行抽樣檢測。


如果是驗證頻段間載波聚合裝置, 則必須單獨校驗所有傳輸路徑和接收路徑。因此,雙頻段裝置需進行兩次完整的校驗,這意味著校驗時間將翻倍,導致製造成本壓力大幅增加。校驗後的所有傳輸路徑和接收路徑都需要接受驗證,以確定裝置能否正常運作。頻段間載波聚合驗證測試可採用序列或並聯測試,取決於晶片組的功能及製造商的測試策略。


近年來,蜂巢式元件製造商傾向於透過序列非信令測試來進行校驗和驗證,因為這種方法可以顯著縮短校驗測試時間。序列驗證測試不僅可以縮短測試時間,同時還可減少空中信令測試的成本。


當然,這些優勢不會憑空而來,晶片組供應商必須在晶片組中添加非信令序列測試支援能力,並提供實現這些功能所需要的驅動程式和完整軟體。因此測試設備必須能夠執行先進的序列和單次擷取多次測量,並且必須支援必要的蜂巢式通訊格式和特性,例如LTE-Advanced載波聚合等。


結語

全球頻譜資源有限,因此大多數LTE-Advanced網路業者採用頻段間載波聚合技術來疏解困境。不過這項技術會增加裝置的成本並縮短電池壽命。許多LTE-TDD網路業者擁有較寬的頻譜資源,因此可能選擇使用寬頻段(高達20 MHz)的頻段內載波聚合。近期,純下行鏈路載波聚合備受青睞,因為其複雜性相對較低,且符合客戶的封包資料使用習慣。


載波聚合允許網路業者合併使用可用的離散頻譜資源,以發掘 LTE-Advanced 技術的傳輸速率和效率優勢,但同時也產生了更嚴格的裝置製造校驗和驗證要求。製造商最初可能選用序列測試法來執行載波聚合測試,以降低待測裝置測試模式的複雜性,而且無需使用高效能測試設備。


不僅如此,接收器測試速度的提升有助於縮短接收器測試時間,不會因支援下行鏈路載波聚合而大幅增加測試工作。隨著蜂巢式裝置功能和複雜程度增加, 縮短測試時間的壓力也變得更大,迫使業者必須選擇速度更快,也更複雜的並聯測試。這已經成為在LTE-Advanced測試中,相關測試設備必備的重要功能。


(本文參考資料:是德科技LTE-Advanced製造測試解決方案)


羅德史瓦茲SMW200A向量訊號產生器,與FSW訊號頻譜分析儀

台灣羅德史瓦茲:「這是5G網路微波及毫米波開發的理想測試方案!」


R&S SMW200A 40GHz的機種可完全涵蓋K及Ka頻段,內建的基頻產生器提供了160MHz RF調變頻寬並具備絕佳的I/Q平坦度及誤差向量振幅(EVM),因此可產生絕佳的調變訊號品質,為微波測試應用領域的首選。它亦可快速地產生連續波形(CW)訊號用以進行多載波元件的測試,及寬頻QAM調變載波用以進行衛星接收器的測試。


R&S SMW200A協助開發者定義具潛力的5G無線網路存取技術,透過升級全新的頻率選配,即可涵蓋目前5G技術發展的頻率範圍。內建的基頻產生器支援了所有重要的數位通訊標準,包括了LTE R8至R11。透過支援達2GHz頻寬的 R&S SMW200A並搭配外部I/Q訊號產生器,則為寬頻5G應用的理想選擇。



圖二 : 羅德史瓦茲SMW200A向量訊號產生器,與FSW訊號頻譜分析儀
圖二 : 羅德史瓦茲SMW200A向量訊號產生器,與FSW訊號頻譜分析儀圖片來源:rohde-schwarz.com

是德科技E6640A EXM無線測試儀

是德科技台灣區總經理張志銘:「我們可提供業界最高的測試速率!」


E6640A EXM無線測試儀同時支援序列和並聯載波聚合測試流程,無需使用其他測試設備,可經濟有效地因應前述測試挑戰。EXM可在小型機箱中配置多達 4 個完整的TRX測試儀,以實現高密度測試。每個測試儀都內建靈活的4埠RFIO面板,無需使用複雜且昂貴的外部切換元件。


EXM可透過一台輕巧的主機提供4台測試儀,如此可減少儀器佔用的空間,並可共用單一內部控制器、時序參考和內部電源,讓製造商能降低資本投資。此外,EXM採用是德科技為X系列分析儀和無線測試儀開發的量測技術。這些技術已經成為產業標準,可提供業界最高的測試速率。



圖三 : 是德科技E6640A EXM無線測試儀
圖三 : 是德科技E6640A EXM無線測試儀圖片來源:keysight.com

國家儀器PXIe-5668R向量訊號分析器(VSA)

國家儀器技術行銷經理潘建安:「PXI平台提供最佳的量測速度與效能!」


國家儀器PXIe-5668R向量訊號分析器(VSA)提供765MHz的頻寬,以及同級最佳的量測效能與速度。這款高效能微波訊號分析器可滿足某些嚴苛的應用需求,例如無線通訊、射頻積體電路(RFIC)特性測試、雷達測試、頻譜監控與訊號情報等。


PXIe-5668R結合了RF量測效能、量測速度和靈活彈性。這款儀器的動態範圍與頻寬均領先業界,並可針對研發應用嚴苛的量測需求提供理想的解決方案。PXIe-5668R屬於PXI儀器的一種,優異的量測速度可滿足大量製造測試的需求。這款VSA還包含可透過LabVIEW設計程式的Xilinx Kintex-7 FPGA,只要新增觸發或訊號處理常式,就能客制化儀器行為,並提供許多豐富功能。



圖四 : 國家儀器PXI平台
圖四 : 國家儀器PXI平台圖片來源:ni.com

安立知ShockLine高性能4埠向量網路分析儀

安立知:「我們可有效降低測試成本並加快上市速度!」


ShockLine MS46524B 4埠向量網路分析儀系列,具備高價值與高性能,可提供同類產品中最佳的動態範圍,降低在多種測試應用 (最高92GHz) 中的測試成本並可加快上市速度。這些測試應用包括設計和製造多埠行動網路裝置、行動裝置、汽車電纜、高速資料互連與系統整合元件。


MS46524B 配置選項 10、選項 20 及選項 40,可具備射頻微波頻率功能;這些頻率選項搭配強大的 ShockLine 軟體,為被動元件量測提供最具成本效益的解決方案。



圖五 : 安立知ShockLine高性能4埠向量網路分析儀
圖五 : 安立知ShockLine高性能4埠向量網路分析儀圖片來源:anritsu.com
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