LTE基站接收性能測試分析

1、2011 02 47LTE基站接收性能測試分析摘 要 分析LTE系統(tǒng)中PUSCH信道的HARQ技術(shù)、UE上行同步技術(shù)，PUCCH信道技術(shù)特征以及PRACH信道技術(shù)特征，并分別給出了相應(yīng)的測試方案和指標(biāo)要求，提出明確的測試體系要求。關(guān)鍵詞 長期演進(jìn)；性能測試；上行物理共享信道；上行物理控制信道；物理隨機(jī)接入信道王湘寧中國聯(lián)通研究院 北京 100032前言在L T E 基站系統(tǒng)中，上行物理共享信道PUSCH(Physical Uplink Shared Channel、上行物理控制信道PUCCH(Physical Uplink Control Channel和物理隨機(jī)接入信道PRACH(Physi

2、cal Random Access Channel是三個十分重要的物理上行信道，其信道性能的指標(biāo)直接決定了基站接收性能的優(yōu)劣。本文將以3GPP TS36.141規(guī)范Chapter 8的測試過程為主線，針對涉及三個LTE上行物理信道的主要特征和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并說明如何測試這三個信道的性能。無特殊說明，本文以描述FDD-LTE基站特性為主。1 PUSCH信道關(guān)鍵技術(shù)分析與性能測試PUSCH信道用于上行數(shù)據(jù)的調(diào)度傳輸，是LTE物理層主要的上行數(shù)據(jù)承載信道，可以承載來自上層的不同的傳輸內(nèi)容，包括控制信息、用戶業(yè)務(wù)信息和廣播業(yè)務(wù)信息。其中涉及PUSCH信道的關(guān)鍵技術(shù)主要有HARQ技術(shù)和上行時間同步技

3、術(shù)。1.1 HARQ技術(shù)為了確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸，通信系統(tǒng)中一直使用兩種差錯控制方法：前向糾錯(FEC和自動重復(fù)請求(ARQ技術(shù)。FEC技術(shù)效率較高，但對信道的適應(yīng)性比較差，無論信道優(yōu)劣，它的效率是恒定值，它只適用于沒有反向信道的系統(tǒng)中。ARQ技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單，對信道的自適應(yīng)性強(qiáng)，但其效率是信道誤碼率的函數(shù)。在無線傳輸信道比較穩(wěn)定的情況下，由于沒有額外的前向糾錯比特被加在基礎(chǔ)傳輸數(shù)據(jù)之上，ARQ的工作效率比較高。當(dāng)信道條件變差時，由于連續(xù)的重傳，導(dǎo)致頻譜資源的利用有效性變差。HARQ將兩者進(jìn)行組合，可以實(shí)現(xiàn)比FEC高得多的可靠性和ARQ的傳輸效率。LTE采用HARQ技術(shù)來降低系統(tǒng)的誤碼率以確保傳輸質(zhì)

4、量，有效地克服了無線信道的時變和多徑衰落對LTE信號傳輸?shù)挠绊憽ARQ不能應(yīng)用到所有的業(yè)務(wù)類型。例如，廣播業(yè)務(wù)需要將相同的信息發(fā)送到多個用戶，所以通常不會使用HARQ機(jī)制。HARQ機(jī)制僅支持DL-SCH和UL-SCH。HARQ系統(tǒng)傳輸?shù)男畔ㄈ齻€部分，即有用數(shù)據(jù)、檢錯編碼和FEC比特。同時，HARQ系統(tǒng)又分為I 型HARQ和II型 HARQ。I型HARQ在信道傳輸質(zhì)量好的情況下，全部的傳輸錯誤將被糾正，接收機(jī)可以正確地解碼。如果信道質(zhì)量變差，全部的傳輸錯誤不能得到糾正的話，數(shù)據(jù)包將被丟棄，接收機(jī)要求發(fā)送端重傳。II型HARQ是比較復(fù)雜的解決方案，它每次傳輸一個由有用數(shù)據(jù)、檢錯編碼和FEC比

5、特組合而成的集合體，而這個集合體將會隨著重傳次數(shù)的不同而發(fā)生變化。也就是說，如果第一次傳輸?shù)挠杏脭?shù)據(jù)沒有被正確地接收，第二次傳輸?shù)募象w將包括有用數(shù)據(jù)、檢錯編碼和FEC比特重新排列，接收端將把首次接收和二次接收的信息進(jìn)行組合來進(jìn)行糾錯，稱之為增量冗余(IR。如果能被無差錯地接收，發(fā)送端將準(zhǔn)備傳輸下一個數(shù)據(jù)塊。在信道質(zhì)量較好的情況下，I型HARQ額外增加的FEC比特明顯地降低了用戶的傳輸速率和信道利用的有效性，將使整個系統(tǒng)效率有一定的降低。II型HARQ使Systems & Solutions系統(tǒng)與方案Systems & Solutions信息通信技術(shù) 48用1/3turbo編碼

6、，首次傳輸有用信息和檢錯編碼將占此次傳輸?shù)慕^大部分比例，F(xiàn)EC比特占據(jù)的比例相對較小。而在后續(xù)的傳輸中，有用信息和檢錯編碼的比例將逐漸減少，F(xiàn)EC比特占據(jù)的比例上升。具體說來，傳輸層把從物理層接收到的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行CRC計算、塊分割、信道編碼后開始進(jìn)行速率匹配，為了進(jìn)行速率匹配，首先把編碼后的數(shù)據(jù)流分成三個分量，分別交織后，把三個分量首尾連接，形成一個環(huán)形的緩存區(qū)，然后根據(jù)采用的不同RV版本和比特數(shù)目選取本次發(fā)送的比特序列。參見圖11。這里所說的RV是指選擇發(fā)送比特序列的不同起始位置，來自信道編碼后的系統(tǒng)比特(包括有用信息和檢錯比特被交織后，放在一個環(huán)形的緩存中；校驗(yàn)冗余比特被交織后，也跟隨系統(tǒng)比

7、特放在同一個環(huán)形的緩存中。環(huán)形緩存中經(jīng)HARQ被傳輸?shù)谋忍厝Q于RV(冗余版本，RVn目前有四種版本，分別是RV0/RV1/RV2/RV3,其傳輸?shù)钠鹗嘉恢媒朴谡麄€環(huán)形緩存的n/4，如果信道質(zhì)量比較差，在每次HARQ重傳時，RV可能使用環(huán)形緩存中的全部比特；如果信道質(zhì)量比較好，在每次HARQ重傳時，RV可能僅使用環(huán)形緩存中的部分比特。參見圖2。LTE系統(tǒng)使用II型HARQ，由于碼率在隨后的傳輸中反復(fù)降低，II型HARQ在信道質(zhì)量較好的情況下，其信道能力與ARQ能力相當(dāng)，排除了不必要的帶寬損失。LTE II型 HARQ使用四種RV格式來反復(fù)傳遞數(shù)據(jù)直至數(shù)據(jù)包被正確接收或達(dá)到最大重傳次數(shù)，如果達(dá)

8、到最大重傳次數(shù)還不能被正確接收，HARQ將放棄該數(shù)據(jù)包并產(chǎn)生誤碼率。LTE HARQ采用多個進(jìn)程的“停止-等待”(stop-and-wait實(shí)現(xiàn)方式，即對于某一個HARQ進(jìn)程，在等到ACK/NACK(肯定確認(rèn)/否定確認(rèn)反饋之前，此進(jìn)程暫時中止，待接收到ACK/NACK后，再根據(jù)是ACK還是NACK決定發(fā)送新的數(shù)據(jù)還是舊的數(shù)據(jù)的重傳。一個上行HARQ的環(huán)回處理時間大約為8ms，在一個HARQ進(jìn)程發(fā)出后，剩余的時間不能被浪費(fèi)，必須發(fā)起其他HARQ進(jìn)程，為此LTE 上行HARQ的并發(fā)進(jìn)程為8個1。對于上行傳輸，HARQ傳輸為同步傳輸，即每個HARQ進(jìn)程的時域位置被限制在預(yù)定好的位置，這樣就可以通過一

9、個HARQ進(jìn)程所在的子幀編號導(dǎo)出該HARQ進(jìn)程的編號。因此，同步HARQ不需要發(fā)送額外的顯性信令指示HARQ進(jìn)程號，每隔8個子幀的時間，UE將重復(fù)相同的HARQ進(jìn)程1。1.2 HARQ技術(shù)測試方案HARQ技術(shù)測試要求在靜態(tài)傳播環(huán)境(即白噪聲基礎(chǔ)之上，疊加不同的信道模型，以模擬真實(shí)的環(huán)境，來檢驗(yàn)LTE系統(tǒng)在實(shí)際的復(fù)雜信道環(huán)境中，正確解調(diào)UE發(fā)送數(shù)據(jù)的能力，來驗(yàn)證HARQ技術(shù)的能力。信道模型主要有多徑衰落傳輸和高速運(yùn)動火車傳輸兩種，其中多徑衰落傳輸模型使用不同環(huán)境參數(shù)文件(徒步環(huán)境、車輛環(huán)境和城市環(huán)境和多普勒頻移(5Hz、7Hz、300Hz的組合；高速運(yùn)動火車傳輸模型主要與多普勒頻移有關(guān)(開放環(huán)境

10、最大多普勒頻移1340Hz、隧道環(huán)境最大多普勒頻移1150Hz ，與衰落傳輸無關(guān)。上行參考信號模擬不同帶寬和不同調(diào)制方式(QPSK、16QAM、64QAM。HARQ的取值按照表1要求，與實(shí)際LTE系統(tǒng)的HARQ的設(shè)計要求一致。在上述信道模擬環(huán)境的不同組合下，按圖3進(jìn)行測 傼 圖1 速率匹配與交織過程系統(tǒng)與方 案圖2 HARQ冗余版本2011 02 49試連接，對信號源發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行吞吐量統(tǒng)計，來檢驗(yàn)LTE系統(tǒng)是否可以滿足規(guī)定的指標(biāo)要求2。1.3 UE上行同步技術(shù)信號在空間傳輸是有延遲的，如果UE數(shù)據(jù)傳輸期間遠(yuǎn)離基站，則從基站發(fā)出的信號將“越來越遲”的到達(dá)UE，與此同時，UE的信號也會“越來越遲

11、”地到達(dá)基站，延遲過長會導(dǎo)致基站收到的UE在本時隙上的信號與基站收其它UE信號的時隙相互重疊，引起碼間干擾。因此，在LTE中，不同UE的上行信號到達(dá)eNodeB時要時間對齊，以保證UE之間上行信號的正交性，從而有助于消除小區(qū)內(nèi)的干擾，這種上行傳輸?shù)臅r間對齊是通過TA(Timing Advance命令來實(shí)現(xiàn)同步的。相關(guān)的同步過程包括兩種，一是初始隨機(jī)接入的傳輸時間調(diào)整，二是連接狀態(tài)下的上行同步保持。對于UE在初始隨機(jī)接入的傳輸時間調(diào)整，UE首先發(fā)送上行的PRACH前導(dǎo)序列，eNode B通過測量UE的前導(dǎo)序列，在隨后的反饋消息中返回給UE. 11位的初始TA值(在0到1 282之間取值。TA調(diào)整

12、顆粒度為16Ts，即16/(15 000×2 048s。UE根據(jù)反饋消息中的初始TA值，做相應(yīng)的上行時間調(diào)整N TA =T A ×16. Ts。TA的時間調(diào)整范圍為00.67ms。UE在獲得初始同步以后，隨著時間的推移，由于信道情況的改變或者UE(以及eNodeB的時鐘漂移，UE可能重新變?yōu)槭Р綘顟B(tài)。為此eNodeB會周期性的為UE發(fā)送TA命令，指導(dǎo)UE進(jìn)行上行的同步，并且eNodeB為每個UE配置了一個Time Alignment Timer，規(guī)定了TA的有效期，為此eNodeB需要在UE的能力和系統(tǒng)的開銷之間進(jìn)行折中。UE在每次接收到eNodeB的TA命令后，都將此定時

13、器重置為零。在Time Alignment Timer超時以后，如果UE未能收到任何的TA命令，那么UE認(rèn)為上行已經(jīng)失步，此時UE不能再進(jìn)行任何的上行數(shù)據(jù)傳輸，而必須通過隨機(jī)接入的過程來對上行的TA進(jìn)行重新初始化。對于處于連接狀態(tài)下的上行同步保持，UE接入到LTE系統(tǒng)以后，獲得初始的上行同步，開始可以發(fā)送上行信號。eNodeB通過對UE上行信號(包括SRS，CQI，HARQ以及PUSCH中的數(shù)據(jù)等的時間進(jìn)行測量，來決定TA的時間并在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)發(fā)送相應(yīng)的TA命令給UE。與初始接入相應(yīng)中的TA不同，此時的TA為6個Bit，在0到63之間取值，代表現(xiàn)時的TA與上一個TA之間的偏移值，即：N TA,n

14、ew =N TA,old +(TA-31×16. Ts。對于收到調(diào)整命令后，UE將延時6ms,即對于在子幀N收到的TA命令，UE會在子幀N6應(yīng)用相應(yīng)的時間偏移3。1.4 UE上行同步技術(shù)測試方案UE上行同步技術(shù)測試主要考察移動中的UE與靜止的UE各自發(fā)送的信號同步到達(dá)基站的能力，其中靜止UE發(fā)送的信號為時間參考基準(zhǔn)。如果移動UE發(fā)送的信號在一定誤差范圍內(nèi)正確地被基站接收，則說明基站給移動的UE發(fā)送的TA命令起到了效果，克服了因信號到達(dá)不同步而產(chǎn)生的誤碼現(xiàn)象。測試方案要求在靜態(tài)傳播環(huán)境(即白噪聲基礎(chǔ)之上，疊加不同的信道模型，以模擬真實(shí)的環(huán)境，來檢驗(yàn)LTE系統(tǒng)在實(shí)際的復(fù)雜信道環(huán)境中，正確

15、解調(diào)移動UE發(fā)送數(shù)據(jù)的能力。信道模型以多徑衰落傳輸為主，其中多徑衰落傳輸模型使用多普勒頻移200Hz下的車輛環(huán)境參數(shù)文件；上行參考信號模擬不同帶寬和不同調(diào)制方式(QPSK、16QAM。HARQ的取值按照表一要求，與實(shí)際LTE系統(tǒng)的HARQ的設(shè)計要求一致。在上述信道模擬環(huán)境的不同組合下，按圖4進(jìn)行測試連接4，對模擬移動UE信號源發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行吞吐量統(tǒng)計，來檢驗(yàn)LTE系統(tǒng)是否可以滿足規(guī)定的指標(biāo)要求2。參數(shù)值最大HARQ重傳次數(shù) 4RV 序列0, 2, 3, 1, 0, 2, 3, 1表1 HARQ的取值 圖3 HARQ技術(shù)測試方案連接圖Systems & Solutions信息通信技術(shù) 5

16、0 Resource Grant向UE發(fā)起CQI測量命令，UE把CQI測量結(jié)果通過PUSCH信道反饋給基站。如果在發(fā)送周期性的CQI子幀中恰好也要發(fā)送非周期性的CQI，那么周期性的CQI測量結(jié)果就不用通過PUCCH信道發(fā)送了，只通過PUSCH信道發(fā)送非周期性的CQI信息即可1。ACK/NACK信息用于對下行數(shù)據(jù)的HARQ反饋。2.2 上行控制信息在PUCCH信道中傳輸PUCCH信道中的ACK/NACK和CQI的發(fā)送將持續(xù)一個子幀(1ms,如果不能被正確接收，則可以在多個子幀中重復(fù)發(fā)送。根據(jù)PUCCH信道承載的內(nèi)容不同，PUCCH信道被分成多種格式，參見表25。2.3 上行控制信息復(fù)用在PUSC

17、H信道中傳輸由于LTE物理層采用單載波(DFT-SOFDM作為多址方式，為了保持上行單載波的特性，LTE物理層不支持PUSCH信道和PUCCH信道的復(fù)用，即一個用戶不能在一個時刻同時發(fā)送PUSCH信道數(shù)據(jù)和PUCCH信道數(shù)據(jù)，當(dāng)用戶有上行數(shù)據(jù)PUSCH在發(fā)送時，如果需要同時發(fā)送物理層上行控制信息(CQI、ACK，那么這些信息將與數(shù)據(jù)信息一起復(fù)用在PUSCH信道上傳輸，參見圖56。2.4 上行控制信息傳輸測試方案LTE上行控制信息傳輸測試主要檢查PUCCH信道的控制信息和PUSCH信道中的控制信息能否正確地被基站接收。測試方案要求在靜態(tài)傳播環(huán)境(即白噪聲基礎(chǔ)之上，疊加不同的信道模型，以模擬真實(shí)的

18、環(huán)境，來檢驗(yàn)LTE系統(tǒng)在實(shí)際的復(fù)雜信道環(huán)境中，正確解調(diào)UE發(fā)送的控制信息的能力。根據(jù)2.1和2.2節(jié)所述，測試方案應(yīng)分別針對PUCCH信道的不同格式和控制信息復(fù)用在PUCCH 格式 調(diào)制方式控制信息內(nèi)容format 1 N/A N/A 調(diào)度請求信息(SRformat 1a BPSK 1bit ACK/NACK format 1b QPSK 2bitsACK/NACKformat 2 QPSK20bits CQIformat 2a QPSK+BPSK 21bits CQI+ACK/NACKformat 2bQPSK+QPSK 21bits CQI+ACK/NACK表2 PUCCH信道的格式每子幀

19、傳送比特數(shù)系統(tǒng)與方案2011 02 51 圖7 LTE上行控制信息傳輸格式Systems & Solutions1，2，3。同時，針對TD-LTE，設(shè)計了Preamble 4， 主要面向較小小區(qū)的熱點(diǎn)覆蓋，參見圖8。 Subframe Subframe Subframe 當(dāng)執(zhí)行隨機(jī)接入嘗試時，UE從這64個前導(dǎo)序列選 擇一個序列進(jìn)行接入。只要小區(qū)內(nèi)的其他用戶不在相同 的時間里使用相同的序列，那么就不會發(fā)生接入沖突。 如果發(fā)生沖突，系統(tǒng)將通過后續(xù)的競爭判決過程來決定 Tcp: 101.13µs Tseq: 800µs TGT : 96.88µs Preamb

20、le Format 0 Tcp: 684.38µs Tseq: 800µs Preamble Format1 TGT: 515.63µs 誰是“勝利者”。 系統(tǒng)與方案 3.2 PRACH信道性能測試方案 Tseq: 1600µs TGT: 196.88µs Tcp: 203.13µs 測試方案要求在靜態(tài)傳播環(huán)境(即白噪聲基礎(chǔ)之 TGT: 715.63µs Preamble Format 2 Tcp: 684.38µs Tseq: 1600µs 上，疊加不同的信道模型，以模擬真實(shí)的環(huán)境，來檢驗(yàn) LTE系統(tǒng)在

21、實(shí)際的復(fù)雜信道環(huán)境中，正確解調(diào)UE發(fā)送 的前導(dǎo)序列的能力。根據(jù)3.1節(jié)所述，測試方案應(yīng)分別 針對PRACH信道前導(dǎo)序列的不同格式來進(jìn)行，連接方 案按圖六進(jìn)行測試連接2。 不同的信號格式如圖8所示，要求模擬的preamble 0格式信號每1ms發(fā)送一次，共發(fā)送1000次，總計1s統(tǒng) 計時間；模擬的preamble1和preamble2格式信號每2ms 發(fā)送一次，共發(fā)送1 000次，總計2s統(tǒng)計時間；模擬的 preamble3格式信號每3ms發(fā)送一次，共發(fā)送1000次， 總計3s統(tǒng)計時間。 另外，全部格式的preamble序列移位以50%的 Ncs(循環(huán)移位長度為起點(diǎn),進(jìn)行連續(xù)調(diào)整,每一個 Pre

22、amble移位較前一個Preamble移位增加0.1微秒,連 續(xù)增加9次,直到增加0.9微秒.然后timing offset恢復(fù)到 50%的Ncs，隨后反復(fù)進(jìn)行。全部格式的Preamble前導(dǎo) 序列正確檢測概率應(yīng)大于99%。 Preamble Format 3 圖8 PRACH信道前導(dǎo)序列格式 格式1和格式3使用了較長的CP，適用于小區(qū)半徑 較大的情況。格式2和格式3中重復(fù)的前導(dǎo)序列，適用于 路損較大的小區(qū)環(huán)境。格式0占據(jù)一個子幀的長度，格 式1和格式2占據(jù)兩個連續(xù)子幀的長度，格式3占據(jù)3個連 續(xù)子幀的長度。從圖8可以看出，PRACH信道中的CP 和前導(dǎo)序列并沒有占滿整個子幀的時間，剩余的部分

23、即 為保護(hù)時間(Guard Period。具體參數(shù)詳見表35。 表3 Preamble格式參數(shù)值 Preamble 子幀數(shù) 格式 0 1 2 3 4 1 2 2 3 UpPTS CP長度/ s 103.13 684.38 203.13 684.38 14.58 序列長 GT長度/ 小區(qū)半徑/ s 度/s km 800 800 1600 1600 133.33 96.88 515.63 196.88 715.63 9.8 14.53 77.34 29.53 100.16 1.41 PRACH信道中前導(dǎo)序列是由一個或多個ZC序列的 根序列經(jīng)過循環(huán)移位生成的，通過廣播信息SIB2中的參 數(shù)rootS

24、equenceIndex(在0到837之間取值來廣播第一個 ZC根序列。對根序列按一定的循環(huán)移位長度(Ncs進(jìn)行 位移，生成相應(yīng)的PRACH前導(dǎo)序列。在LTE基站小區(qū) 中，網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置小區(qū)內(nèi)可以使用的前導(dǎo)序列，每個LTE 小區(qū)有64個前導(dǎo)序列。由于PRACH上行傳輸?shù)牟煌?以及不同的傳輸延遲，相應(yīng)的循環(huán)移位之間需要有足 夠的間隔，并非所有的循環(huán)移位都能夠作為正交序列使 用。如果可用的循環(huán)移位的前導(dǎo)序列數(shù)目不夠64個，則 按一定的規(guī)則選擇下一個ZC根序列，通過循環(huán)移位生 成新的PRACH前導(dǎo)序列5。 1 沈嘉,索士強(qiáng),全海洋,等.3GPP長期演進(jìn)(LTE技 術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計M.北京:人民郵電出版

25、社， 2008.11 2 3GPP. TS 36.141 V10.1.0. Evolved Universal 4 結(jié)束語 LTE基站接收性能測試是LTE基站測試中重要的一 環(huán)，在分析了該測試所涉及的關(guān)鍵技術(shù)和測試方法后， 希望能為讀者提供一個較為清晰的架構(gòu)，對今后的實(shí)際 測試工作提供必要的幫助。 參考文獻(xiàn)： 52 信息通信技術(shù) Terrestrial Radio Access(E-UTRA ; Base Station(BS conformance testing(Release 10S/OL.(2010102011-03-11. p-139489207.html 3 3GPP. TS 36.213 V10.0.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA; Physical layer procedures(Release 10S/OL.(2010-10 2011-03-11. a660d10af78a6529647d5398.