通信測(cè)試技術(shù)論文(2)
通信測(cè)試技術(shù)論文
通信測(cè)試技術(shù)論文篇二
第5代移動(dòng)通信測(cè)試技術(shù)
摘要：針對(duì)第五代移動(dòng)通信(5G)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，分析了5G的發(fā)展為測(cè)試系統(tǒng)帶來(lái)的新需求和挑戰(zhàn)。針對(duì)挑戰(zhàn)，提出了可持續(xù)發(fā)展的測(cè)試生態(tài)系統(tǒng)的概念，從軟件和硬件兩個(gè)方面具體探討了“以軟件為核心”和“以大規(guī)模多輸入多輸出空口(MIMO OTA)為基礎(chǔ)”兩大特征。在以軟件為核心測(cè)試方式部分詳細(xì)探討了基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)部署到測(cè)試管腳(IP to the PIN)和支持并行測(cè)試和海量信號(hào)處理的異質(zhì)計(jì)算兩項(xiàng)技術(shù)。
測(cè)試生態(tài)系統(tǒng);異質(zhì)計(jì)算架構(gòu);大規(guī)模多輸入多輸出空口測(cè)試
目前亟需研究適合5G總體目標(biāo)的評(píng)估指標(biāo)體系及評(píng)估方法;根據(jù)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和傳輸關(guān)鍵技術(shù)的特征[3]，研究5G仿真方法;通過(guò)并行計(jì)算、圖形處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)硬件板卡等加速方法和動(dòng)態(tài)建模等手段，建設(shè)5G測(cè)試平臺(tái)和進(jìn)行5G候選關(guān)鍵技術(shù)評(píng)估;研究5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和傳輸技術(shù)的評(píng)估與測(cè)試方法，完成對(duì)5G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)評(píng)估與測(cè)試研究[1-3]。
1 5G測(cè)試需求與挑戰(zhàn)
(1)大規(guī)模多輸入多輸出多通道測(cè)試需求
中國(guó)5G技術(shù)定義未來(lái)5G基站側(cè)協(xié)作天線數(shù)不少于128個(gè)。這種大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)對(duì)天線數(shù)量的要求大大超過(guò)傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)天線數(shù)目的要求，天線個(gè)數(shù)上升到百位級(jí)，無(wú)論是測(cè)試通道數(shù)，多通道間的同步、隔離，多通道數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)都對(duì)測(cè)試提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)與考驗(yàn)。
(2)高速、海量數(shù)據(jù)測(cè)試需求
中國(guó)5G技術(shù)定義未來(lái)5G頻譜及功率效率較4G提升10倍。同時(shí)，5G時(shí)期移動(dòng)視頻、網(wǎng)頁(yè)瀏覽以及P2P業(yè)務(wù)等將成為移動(dòng)數(shù)據(jù)的主要部分，因此，終端設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)急速增長(zhǎng)。如何實(shí)時(shí)捕獲、分析、存儲(chǔ)和管理這些海量數(shù)據(jù)是對(duì)5G測(cè)試系統(tǒng)的考驗(yàn)。
(3)多應(yīng)用場(chǎng)景與多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共存測(cè)試需求
未來(lái)5G中不但包括現(xiàn)有3G、4G等無(wú)線接入技術(shù)，還可能將增添諸如設(shè)備間直接通信(D2D)、機(jī)器間通信(M2M)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。5G的高融合性不但是多種接入技術(shù)的融合，也意味著應(yīng)用場(chǎng)景也將豐富多樣[4]。同樣測(cè)試系統(tǒng)所支持的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用場(chǎng)景也將隨之大幅增加。
(4)高頻段和綠色通信測(cè)試需求
目前，6 GHz以下低頻段基本被分配完畢，三星公司率先在28 GHz高頻段上進(jìn)行了研究[5]。同時(shí)未來(lái)無(wú)線通信中更加注重對(duì)能耗的分析[6-7]，國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)展諸多綠色通信的前期研究[8-11]。因此，5G技術(shù)不但對(duì)高頻段技術(shù)測(cè)試，也對(duì)系統(tǒng)能耗測(cè)試提出了相應(yīng)需求，所以，5G測(cè)試技術(shù)所支持的范圍較前幾代有了很大的擴(kuò)展。
每一代移動(dòng)通信的技術(shù)發(fā)展都有一個(gè)生命周期，在周期內(nèi)發(fā)展和演進(jìn)直至被新技術(shù)吸收或淘汰。同樣測(cè)試技術(shù)也要支持通信技術(shù)的整個(gè)生命周期的測(cè)試需求。由于被測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，測(cè)試技術(shù)或系統(tǒng)也不再是一個(gè)一成不變的系統(tǒng)，取而代之的是一個(gè)無(wú)論在硬件還是在軟件方面都超前被測(cè)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展和演進(jìn)的集成測(cè)試平臺(tái)。5G集成測(cè)試平臺(tái)是一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的測(cè)試生態(tài)系統(tǒng)，它將繼承可擴(kuò)展性、靈活性、可自定義等的優(yōu)點(diǎn)。
其中，“以軟件為核心”和“支持大規(guī)模天線空口(OTA)”測(cè)試是這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵特征。
2 以軟件為核心的測(cè)試
生態(tài)系統(tǒng)
如何跟上多種通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)快速發(fā)展的步伐、如何提高高昂的測(cè)試預(yù)算性價(jià)比、如何靈活而可重定義測(cè)試需求或方法、如何有效利用多核技術(shù)、如何采用實(shí)時(shí)處理技術(shù)提高測(cè)試吞吐量等問(wèn)題的參考答案都會(huì)聚焦到“以軟件為核心”的解決方案上。
2.1 基于FPGA的IP to the PIN技術(shù)
幾十年來(lái)，電子和通信行業(yè)一直追求：設(shè)計(jì)與測(cè)試齊頭并進(jìn)的理想狀態(tài)。鑒于設(shè)計(jì)和測(cè)試領(lǐng)域的不同，這個(gè)目標(biāo)一直難以達(dá)到。在設(shè)計(jì)階段，最新的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)軟件被應(yīng)用于系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)，而測(cè)試領(lǐng)域則略顯獨(dú)立和滯后。因此，當(dāng)針對(duì)最新的以軟件為中心的電子通信設(shè)備時(shí)，還需要重新尋找測(cè)試解決方案。
采用系統(tǒng)級(jí)的方法，設(shè)計(jì)和測(cè)試的概念融為一體，以及將軟件架構(gòu)向FPGA擴(kuò)展是平衡兩個(gè)領(lǐng)域發(fā)展，提高通信測(cè)試效能的有效手段之一。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試集成的方法是將設(shè)計(jì)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)內(nèi)核同時(shí)部署到被測(cè)設(shè)備(DUT)與集成測(cè)試平臺(tái)上，這種部署過(guò)程被稱為知識(shí)產(chǎn)權(quán)部署到測(cè)試管腳(IP to the Pin)，因?yàn)樗箿y(cè)試者自定義的軟件IP能夠盡可能地接近集成測(cè)試平臺(tái)的硬件I/O引腳。這些軟件IP可以包括：數(shù)據(jù)采集、信號(hào)生成、數(shù)字協(xié)議、數(shù)學(xué)運(yùn)算、射頻及實(shí)時(shí)信號(hào)處理等。
無(wú)論是單個(gè)設(shè)備的原始數(shù)據(jù)處理吞吐量還是功耗，F(xiàn)PGA均已勝過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器、傳統(tǒng)處理器甚至圖形處理器。
IP to the Pin技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)可用“V型圖”來(lái)表示，如圖1所示。設(shè)計(jì)的每個(gè)階段都有相對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證或測(cè)試階段。通過(guò)共享IP，設(shè)計(jì)和測(cè)試團(tuán)隊(duì)可以沿著V圖兩個(gè)邊分別前進(jìn)，從最頂層的建模、設(shè)計(jì)到最底層的實(shí)現(xiàn)，在每個(gè)階段進(jìn)行對(duì)應(yīng)的測(cè)試。
2.2 支持并行測(cè)試和海量信號(hào)處理
的異質(zhì)計(jì)算技術(shù)
異質(zhì)計(jì)算架構(gòu)是一個(gè)用于在不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間分配數(shù)據(jù)處理任務(wù)以及程序執(zhí)行任務(wù)的系統(tǒng)，讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)處理最恰當(dāng)?shù)臏y(cè)試和計(jì)算任務(wù)。這項(xiàng)技術(shù)用來(lái)應(yīng)對(duì)5G移動(dòng)通信與日俱增的復(fù)雜測(cè)試計(jì)算量;用于存儲(chǔ)和處理MIMO以及大規(guī)模天線(Massive MIMO)在射頻后端的海量數(shù)據(jù);用于多節(jié)點(diǎn)同時(shí)頻譜感知與探測(cè)，以及物理(PHY)層與媒體訪問(wèn)控制(MAC)層的協(xié)同測(cè)試。例如，采用異質(zhì)計(jì)算架構(gòu)的MIMO RF測(cè)試系統(tǒng)，可以使用一個(gè)中央處理器(CPU)來(lái)控制程序的執(zhí)行，采用FPGA進(jìn)行在線的解調(diào)，同時(shí)采用圖形處理器(GPU)進(jìn)行多天線測(cè)試參數(shù)的計(jì)算，最后將所有的處理結(jié)果存儲(chǔ)在遠(yuǎn)程服務(wù)器上。一種可適用于5G通信測(cè)試的異質(zhì)計(jì)算架構(gòu)如圖2所示。 伴隨著5G移動(dòng)通信的高帶寬、高速率的飛速發(fā)展，異質(zhì)計(jì)算架構(gòu)和多核并行編程技術(shù)相結(jié)合將會(huì)是5G測(cè)試應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)處理和提高測(cè)試并行化所不可或缺的主要技術(shù)。
3 大規(guī)模天線空口測(cè)試技術(shù)
為了滿足極高吞吐量的需求，第5代移動(dòng)通信將采用大規(guī)模天線技術(shù)，天線特性成為影響無(wú)線系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。目前，MIMO OTA測(cè)試技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始在包括第3代移動(dòng)通信合作計(jì)劃(3GPP)組織、歐洲科學(xué)和技術(shù)合作(COST2100)組織和移動(dòng)通信和因特網(wǎng)協(xié)會(huì)(CTIA)在內(nèi)的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織和機(jī)構(gòu)中研究及討論，其中，3GPP TR 37.976對(duì)各種MIMO OTA技術(shù)備選測(cè)試方案進(jìn)行了總結(jié)。以下分別說(shuō)明了3種不同的MIMO OTA測(cè)試方案[12]：
(1)基于吸波暗室的測(cè)試方案
基于吸波暗室的測(cè)試方案或者稱之為空間衰落模擬(SFE)的測(cè)試方案。該方案將射頻信道模擬器連接到一個(gè)圓環(huán)探頭陣列，即多探頭測(cè)試，從而在被測(cè)物位置可重復(fù)地模擬產(chǎn)生復(fù)雜的多徑衰落的無(wú)線環(huán)境。
(2)混響室測(cè)試方案
混響室測(cè)試方案采用一個(gè)獨(dú)立的混響室或者是一個(gè)連接信道模擬器的混響室?；祉懯业哪康脑谟谠诒粶y(cè)物(DUT)周圍產(chǎn)生一個(gè)統(tǒng)計(jì)上的均勻功率分布，而天線和信道模擬器可用于生成所需的延遲特性。混響室測(cè)試方案受限于有限的不同衰落環(huán)境的模擬能力，所以只能對(duì)終端提供有限的性能評(píng)估。
(3)兩階段法
兩步法測(cè)試流程如圖3所示。兩步法測(cè)試方案包含兩個(gè)測(cè)試階段。第一階段，在各向同性的環(huán)境下，使用傳統(tǒng)的吸波暗室為基礎(chǔ)的測(cè)試系統(tǒng)和一個(gè)綜測(cè)儀測(cè)量復(fù)雜的有源天線陣列;第二階段，通過(guò)下述兩種手段把天線陣列的信息與信道模型結(jié)合起來(lái)：使用信道模擬器進(jìn)行傳導(dǎo)測(cè)試，或利用測(cè)試地得到的天線陣列信息通過(guò)理論計(jì)算得到一個(gè)理論上的信道容量性能。因此，在這一點(diǎn)上，兩階段方法只能獲得有限的數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究以得到準(zhǔn)確的性能指標(biāo)。
大規(guī)模天線OTA測(cè)試技術(shù)中關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何在電波暗室中產(chǎn)生一個(gè)最接近真實(shí)環(huán)境的空間、角度和極化行為的射頻信道模型，這種復(fù)雜性使得MIMO OTA測(cè)試平臺(tái)研發(fā)需要大量場(chǎng)地和設(shè)備資金的投入，這對(duì)于廣大的終端設(shè)備廠商而言，成本過(guò)于昂貴。在討論的3種MIMO OTA測(cè)試方案中，兩步測(cè)試方案是一種快速、精確、經(jīng)濟(jì)又高效的MIMO OTA測(cè)試方法，研究表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的多探頭測(cè)試方案，兩步法僅簡(jiǎn)化了接收分集性能而非信道相關(guān)特性，獲得的測(cè)試結(jié)果也基本一致[13];其次，兩步法可重復(fù)利用測(cè)試得到的天線方向圖模擬二維或三維的信道模型，而不需要重復(fù)使用電波暗室測(cè)試，進(jìn)而提高了測(cè)試的靈活性，另外，兩步法可充分利用LTE階段建設(shè)的測(cè)試平臺(tái)資源迅速擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)MIMO OTA測(cè)試，是一種快速經(jīng)濟(jì)的測(cè)試解決方案。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文根據(jù)5G移動(dòng)通信的技術(shù)特征，分別從軟件和硬件兩個(gè)方面分析了應(yīng)對(duì)的測(cè)試解決方案和方法。這些方法主要集中在物理層和射頻部分，未涉及協(xié)議的測(cè)試方法的討論。
致謝：
本文的撰寫得到了上海無(wú)線通信研究中心徐景研究員、西安交通大學(xué)任品毅教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)周武教授的支持和幫助。
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