Agilent 4G LTE-Advanced 測試
名稱：頻譜分析儀
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簡介：4G LTE 是由 3GPP 開發的 LTE 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信標準，即高級國際移動通信（IMT-Advanced）。4G LTE（項目名稱是 LTE-Advanced）最初在 3...
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4G LTE 是由 3GPP 開發的 LTE 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信標準，即高級國際移動通信（IMT-Advanced）。4G LTE（項目名稱是 LTE-Advanced）最初在 3GPP 標準第 10 版中進行了規定，預定于 2011 年 3 月完成標準的最終確定。4G LTE 標準將會在后續版本中不斷地完善。2009 年 10 月，3GPP 合作伙伴將 LTE-Advanced 正式提交給國際電信聯盟（ITU）1，競選 4G IMT-Advanced 標準。IMT-Advanced 的認證技術標準預計將于 2011 年初公布。
ITU 對 IMT-Advanced 提出的關鍵要求是 4G LTE 將會支持以下內容3：
•高度的通用功能適用于全球范圍，經濟高效的方式靈活地支持多種本地服務與應用
•IMT 和固定網絡中的業務相互兼容
•能夠與其他無線系統實現互通
•高質量的移動業務
•適于在全球范圍內使用的用戶設備
•易于使用的應用軟件、業務與設備
•支持全球漫游
•增強的峰值數據速率，可支持各種先進移動業務和應用（100 Mbps 針對高移動性，1 Gbps 針對低移動性）
3GPP 列舉了 4G LTE 競選 IMT-Advanced 的另一個原因：符合 IMT 標準的系統將可用于 WRC-07（世界無線通信大會）認定的任意新頻段。4
3GPP 的考慮因素
3GPP 技術報告（TR）36.913――《E-UTRA（LTE-Advanced）的未來發展要求》（Requirements for Further Advancements for E-UTRA (LTE-Advanced)）――針對 LTE E-UTRA（空中接口）和 E-UTRAN（空中接口網絡）的未來發展提出了若干要求。5 這些要求以 ITU 對 IMT-Advanced 的各項要求為基礎，同時也參照了 3GPP 運營商自身對先進 LTE 的要求。4G LTE 開發的主要技術考慮因素包括：
•LTE 無線技術與體系結構的持續改進
•與傳統無線接入技術進行互通的情景與性能要求
•LTE-Advanced 向后兼容 LTE。LTE 終端應當能夠在 LTE-Advanced 網絡中進行工作，反之亦然。所有例外情況都會納入 3GPP 的考慮范圍。
•需要考慮最近 WRC-07 針對新 IMT 頻譜和現有頻段所做出的決策，以確保 LTE-Advanced 在世界各地可為 20 MHz 以上的信道分配可用的頻譜。同時，這些要求還必須考慮到世界上一些地區不能使用寬帶信道的情況。
系統性能要求
大多數情況下，4G-LTE 的系統性能要求會超過 IMT-Advanced 的性能要求。使用 4x4 MIMO 和大于 70 MHz 的傳輸帶寬，便可在 4G LTE 中達到 ITU 規定的1 Gbps 峰值數據速率。從頻譜效率的角度來看，如今的 LTE（第 8 版）已經可以滿足 IMT-Advanced 對下行鏈路的要求，但 LTE-Advanced 的 bps/Hz 值加倍，才能滿足 4G 要求。
表 1 對比了 LTE、LTE-Advanced 和 IMT-Advanced 的頻譜效率目標。請注意，盡管 LTE-Advanced 的平均性能目標更接近 ITU 要求，但其峰值速率要遠遠高于 IMT-Advanced 的要求，因而迫切要求提高 4G LTE 的峰值性能。然而 TR 36.913 表示，與峰值頻譜效率和其他特性（例如 VoIP 容量）的目標相比，平均頻譜效率和信元邊緣用戶吞吐量效率的目標應得到更優先的考慮。5 因此，4G LTE 的工作重點將是解決平均與信元邊緣性能不斷提高所帶來的挑戰。
表 1. LTE、Advanced-LTE 和 IMT-Advanced 的性能目標6
另一個重要的考慮因素是頻譜靈活性。實際可用的頻譜會因區域和國家的不同而有所差異。3GPP 正在研究頻譜分配的各種部署方案的可行性。
3GPP 解決方案建議
3GPP TR 36.814“E-UTRA 物理層的未來發展”（Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects7）為實現 LTE-Advanced 性能目標提供了推薦的解決方案。LTE-Advanced 推薦解決方案支持以下特性：
•載波和頻譜聚合――由于缺乏相鄰的頻譜提供更寬的傳輸帶寬（達到 100 MHz），因此必須使用載波聚合以滿足峰值數據速率和頻譜靈活性的要求。允許相鄰和非相鄰分量載波的聚合。
•增強的上行鏈路多址接入――添加 N 倍的 DFT 擴頻 OFDM（也稱為“聚合的 SC-FDMA”）將能滿足增長的數據速率要求，同時還可向后兼容 LTE。
•更高階 MIMO 傳輸――使用下行鏈路中的 8x8 MIMO 和上行鏈路中的 4x4 MIMO，以達到峰值數據速率。業界正在考慮使用波束賦形和空間復用，來提高數據速率、擴大覆蓋范圍與容量。
•協同多點（CoMP）發射和接收――這種 MIMO 旨在通過改善性能，獲得更高的數據速率、信元邊緣吞吐量和系統吞吐量。版本 11 將對此展開研究。
•中繼轉發――信道內的中繼轉發功能可以接收、放大和重新發射下行鏈路和上行鏈路的信號，從而擴大覆蓋范圍。更先進的中繼轉發功能可以使用信道內的某些子幀承載回程流量。中繼轉發功能的主要用途是用于改善市區或室內的吞吐量，增添盲區覆蓋或擴展在郊區的覆蓋范圍。
其他與 4G LTE 相關的推薦解決方案可以支持不斷增加的混合網絡（由宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩、毫微微蜂窩基站，以及中繼器和中繼轉發節點組成）。業界正在開發先進的無線資源管理方法（包括新型自尋優網絡（SON）特性）。4G LTE 標準也一直在關注毫微微蜂窩基站和家用基站（eNB）在提高網絡效率和降低基礎設施成本方面的應用。
業界支持的外場測試已經證實了許多 LTE-Advanced 技術理念的可行性。此外，在 3GPP 提交給 ITU 的方案中包含對其建議方案的自我評估，結論是 LTE-Advanced滿足所有的 IMT-Advanced 要求，IMT 應正式批準其成為 4G 標準。然而，4G LTE 的部署時間很難預測，而且還可能受到業內需求以及目前第 8 版和第 8 版 LTE 能否成功推出的影響。
設計與測試挑戰
LTE-Advanced 作為 LTE 的演進標準，將會給設計和測試工程師帶來類似的挑戰。LTE 標準采用了大量創新和復雜的技術，包括多種信道帶寬、不同的上下行鏈路傳輸方案、頻分雙工與時分雙工（FDD 和 TDD）傳輸模式，以及 MIMO 天線技術。LTE 和 LTE-Advanced 可能會與 2G 和 3G 蜂窩系統同時共存一段時間，因此仍需重點考慮兩者的互通必要性和潛在干擾。在復雜的無線環境中，LTE 已經把性能目標提升到非常高的水平，而 LTE-Advanced 的目標甚至更高。
針對 LTE-Advanced 的推薦解決方案預測到某些新的挑戰。例如，載波聚合無疑會給用戶設備（UE）帶來極大的困難，這是因為 UE 必須處理多個鏈路上同時發射和接收的信號。添加同時不相鄰發射機能夠建立一個在雜散管理和自偏截止方面（self-blocking）非常具有挑戰性的無線環境。同時進行發射或接收，并且還要提供必要的 MIMO 支持，這將會給天線設計帶來極大的挑戰。
在上行鏈路中引入聚合的 SC-FDMA，可以在分量載波內實現頻率可選的調度，從而獲得更出色的鏈路性能。此外，它還能夠同時調度 PUCCH 和 PUSCH，降低時延。然而，聚合的 SC-FDMA 可以使峰均功率比（PAR）提高幾 dB，從而加重發射機的線性問題。同時 PUCCH 和 PUSCH 也會增大 PAR。這兩種特性都能在信道帶寬內生成多載波信號，并增大信道內與相鄰信道的雜散生成幾率。工程師需要增強測試工具的能力，以便在 4G 功率放大器中生成多載波信號并對其進行與分析。
更高階 MIMO 將會以類似載波聚合的方式擴大對同時收發信機的需求。但是，MIMO 面臨著另一個挑戰，即天線數量將大幅度增加，并且必須解除 MIMO 天線的關聯。這在設計多頻段 MIMO 天線時顯得更為困難。MIMO 天線應當具備良好的關聯解除性能，以便在狹小的 4G UE 空間內進行操作。對高階 MIMO 終端的傳導測試不能再用于預測可操作網絡的實際輻射性能。3GPP 標準第 9 版中的一個研究項目正在嘗試將 MIMO 空中接口測試作為替代解決方案。
從 UE 的角度看，中繼轉發是完全透明的。因此，挑戰全部集中在網絡方面。要想讓系統正常運行，從中繼轉發節點到宏 eNB 的鏈路資源要充足，這意味著站點必須處在一條直線上（line of site positioning）。執行中繼轉發功能所面臨的主要操作挑戰將是 UE 的管理。必須將 UE 移交至范圍內的中繼轉發節點，當 UE 超出范圍時釋放中繼轉發節點。如果不能對這個過程進行良好的管理，那么信元的性能可能會大幅度下降，而不會達到預期的水平。
以上僅僅是 4G LTE 給無線設計與測試工程師帶來的部分挑戰。隨著 4G 標準的公布以及認證過程的不斷發展，測試廠商也必須相應地提高其產品的性能，并為不斷演進的 4G 系統開發出創新的性能驗證方法。
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