王順

摘要：本文圍繞解決測(cè)試終端載波聚合下行吞吐率問(wèn)題，提出了兩種使用終端測(cè)試儀測(cè)試下行載波聚合吞吐率的方案，分別為L(zhǎng)TE終端測(cè)試儀級(jí)聯(lián)的測(cè)試方案和LTE-A終端測(cè)試儀測(cè)試方案；通過(guò)分析每個(gè)方案的特點(diǎn)，確定了采用基于多核DSP實(shí)現(xiàn)的TD-LTE-A終端測(cè)試儀測(cè)試下行載波聚合吞吐率的方案，并詳細(xì)說(shuō)明了上述方案的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容，描述了TD-LTE-A系統(tǒng)MAC層在該測(cè)試方案中生成下行數(shù)據(jù)的方法和調(diào)度方式。最后，通過(guò)測(cè)試儀表與終端聯(lián)調(diào)證明了該測(cè)試方案的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：通信與信息系統(tǒng)；載波聚合；吞吐率測(cè)試

中圖分類號(hào)：TN929.5；TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.10.019

引言

近幾年來(lái)，LTE-Advanced已經(jīng)成為通信業(yè)界最為主要的話題，鑒于國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)LTE系統(tǒng)進(jìn)行的廣泛研究和LTE終端測(cè)試儀的實(shí)現(xiàn)，LTE-Advanced終端測(cè)試儀的研發(fā)和實(shí)現(xiàn)亟需跟進(jìn)。LTE-Advanced測(cè)試儀表和測(cè)試系統(tǒng)位于產(chǎn)業(yè)鏈的上游，LTE-Advanced終端測(cè)試儀表被用在LTE-Advanced終端的研發(fā)、生產(chǎn)、入網(wǎng)認(rèn)證、維修等多個(gè)環(huán)節(jié)，測(cè)試儀表的成熟度和高效性對(duì)LTE-Advanced產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和產(chǎn)品研發(fā)起著重要的推動(dòng)作用。

國(guó)外眾多的測(cè)試測(cè)量?jī)x表供應(yīng)商具有強(qiáng)大的研發(fā)和生產(chǎn)實(shí)力，羅德與施瓦茨公司生產(chǎn)的R&SCMW500已經(jīng)具有基于3GPP Release 10的LTE-Advanced Category 9用戶平面吞吐量測(cè)試能力；從目前國(guó)內(nèi)的情況來(lái)看，TD-LTE-A終端測(cè)試儀表仍是產(chǎn)業(yè)鏈中相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)，盡管TD-LTE-A系統(tǒng)與FDD LTE-A系統(tǒng)成熟度相近，但終端測(cè)試儀表方面TDD與FDD相比還是有一定的差距，至今還沒(méi)有一款成熟的、可商用的TD-LTE-A終端測(cè)試儀表。

1 載波聚合下行吞吐率測(cè)試的需求分析

載波聚合技術(shù)的基本原理是將多個(gè)連續(xù)或者離散的頻帶寬度較小的子載波聚合在一起，從而形成一個(gè)更寬的頻帶寬度，以提高帶寬的方式來(lái)提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。這種技術(shù)既能滿足LTE-Advanced系統(tǒng)對(duì)大帶寬的要求，又能有效地利用碎片化的頻譜資源，節(jié)約了大量的連續(xù)性頻譜資源。

為了在LTE-Advanced商用初期有效地利用系統(tǒng)和終端，LTE-Advanced通過(guò)聚合多個(gè)后向兼容的LTE載波來(lái)實(shí)現(xiàn)大帶寬的要求，載波聚合最多支持五個(gè)子載波同時(shí)聚合，最高可達(dá)100MHz的傳輸帶寬。從吞吐率的角度看，在下行兩個(gè)子載波聚合時(shí)，可實(shí)現(xiàn)下行最大吞吐量為原TD-LTE小區(qū)最大下行吞吐量的兩倍；據(jù)此，下行Ⅳ個(gè)小區(qū)載波聚合的最大吞吐率計(jì)算公式為：

其中，SCn為載波聚合服務(wù)小區(qū)的個(gè)數(shù)，ti為每個(gè)子幀中下行數(shù)據(jù)所占時(shí)間，勿為每個(gè)下行MAC傳輸塊的大小。若載波聚合參數(shù)配置為：TDD子幀配置為2，最大帶寬為100RB，即20MHz帶寬，常規(guī)循環(huán)前綴中特殊子幀配置為1，按上述公式計(jì)算，下行雙小區(qū)、雙天線（2×2MIMO）復(fù)用時(shí)，載波聚合的最大吞吐率約為220Mbps[5-7]。

2 載波聚合下行吞吐率測(cè)試方案的設(shè)計(jì)與分析

2.1 LTE終端測(cè)試儀級(jí)聯(lián)的測(cè)試方案

如圖1所示，根據(jù)載波聚合技術(shù)的基本原理，在LTE-A商業(yè)化初期，為節(jié)省終端生產(chǎn)廠商的成本，可以采用將若干可級(jí)聯(lián)的LTE終端測(cè)試儀級(jí)聯(lián)，解決載波聚合下行吞吐率測(cè)試的問(wèn)題，其測(cè)試詳細(xì)流程如圖2所示。但該方案的不足之處是，每個(gè)LTE終端測(cè)試儀表的MAC層位于不同DSP芯片中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)服務(wù)小區(qū)間MAC層數(shù)據(jù)高效的通信。

結(jié)合圖l、圖2可見，LTE終端測(cè)試儀表級(jí)聯(lián)方案是將N個(gè)LTE終端測(cè)試儀表通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)鏈接，由Pcell（主小區(qū)）提供統(tǒng)一的時(shí)鐘同步信號(hào)，保證多個(gè)測(cè)試儀發(fā)射的射頻信號(hào)同步。能力等級(jí)6的終端通過(guò)有線方式與多個(gè)LTE終端測(cè)試儀連接，每個(gè)測(cè)試儀模擬eNodeB（LTE基站）發(fā)送小區(qū)廣播信號(hào)，終端在Pcell（主小區(qū)）進(jìn)行隨機(jī)接入和附著，當(dāng)終端進(jìn)入到駐留狀態(tài)后，由測(cè)試控制上位機(jī)的控制軟件發(fā)送Scell配置信令，當(dāng)所用Scell建立成功后，測(cè)試儀在Pcell給終端發(fā)送激活Scell的MAC PDU。在每個(gè)Scell激活后，控制軟件給參與載波聚合的測(cè)試儀的MAC層發(fā)送指令，使其發(fā)送下行Padding數(shù)據(jù)包，測(cè)試人員可通過(guò)終端log軟件查看下行吞吐率，最終驗(yàn)證該解決方案的有效性和可行性。

2.2 LTE-A終端測(cè)試儀的測(cè)試方案

如圖3所示，采用基于8核DSP研發(fā)的LTE-A終端測(cè)試儀，解決載波聚合下行吞吐率測(cè)試的問(wèn)題。在LTE-A終端測(cè)試儀中，可以將兩個(gè)服務(wù)小區(qū)的MAC層放在同一DSP的不同核內(nèi)，這更有利于服務(wù)小區(qū)間的數(shù)據(jù)交互。

將LTE-A終端測(cè)試儀表與測(cè)試控制上位機(jī)相連，通過(guò)控制軟件中已寫好的測(cè)試?yán)刂茰y(cè)試步驟執(zhí)行。采用有線的方式將終端與測(cè)試儀表相連，服務(wù)小區(qū)分別配置為TM3分集傳輸模式和TM3復(fù)用傳輸模式進(jìn)行載波聚合下行吞吐率測(cè)試，具體測(cè)試流程如圖2所示，與LTE終端測(cè)試儀表級(jí)聯(lián)方案的測(cè)試流程一致。

2.3 測(cè)試方案分析和確定

從上述兩種方案可以看出，LTE終端測(cè)試儀級(jí)聯(lián)的方案研發(fā)成本低，對(duì)于已購(gòu)買了該測(cè)試儀的廠商而言，升級(jí)的成本較低，但對(duì)于初期生產(chǎn)廠商，需要大量購(gòu)買，反而提高了生成成本。LTE-A終端測(cè)試儀的解決方案可以將儀表使用量和采購(gòu)量大大降低，減少了使用廠商的生產(chǎn)成本，但其對(duì)DSP芯片的要求比較高，導(dǎo)致研發(fā)成本較高。綜合整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈和行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，本文建議使用LTE-A終端測(cè)試儀的方案解決載波聚合下行吞吐率的測(cè)試。

3 載波聚合下行吞吐率測(cè)試的MAC層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 載波聚合下行協(xié)議架構(gòu)的設(shè)計(jì)

MAC層位于物理層和RLC之間，是邏輯信道復(fù)用和解復(fù)用的調(diào)度中心。載波聚合對(duì)MAC層以上不可見，每個(gè)服務(wù)小區(qū)的數(shù)據(jù)都從RLC層獲取，可將系統(tǒng)的MAC實(shí)體劃分為若干MAC子實(shí)體，服務(wù)小區(qū)獨(dú)立地在各自的MAC子實(shí)體進(jìn)行調(diào)度、MAC PDU組包、HARQ功能以及與對(duì)應(yīng)物理層的數(shù)據(jù)交互。

服務(wù)小區(qū)MAC子實(shí)體同屬一個(gè)DSP的不同核，可以高效的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這種設(shè)計(jì)考慮了跨載波調(diào)度的場(chǎng)景。在跨載波調(diào)度時(shí)，Pcell會(huì)下發(fā)屬于Scell的DCI信息，對(duì)于部分在MAC層獲取的DCI信息，可通過(guò)核間通信及時(shí)地從Scell傳送給Pcell，保證MAC層給物理層發(fā)送的DCI消息是最新的。

3.2 吞吐率測(cè)試時(shí)MAC層組包方法和調(diào)度方式

下行吞吐率主要測(cè)試DL-SCH（下行共享）信道的速率，DL-SCH的數(shù)據(jù)來(lái)源可以是來(lái)自高層的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包，如IP包；也可以采用MAC層自己生成的數(shù)據(jù)包，如Padding包。本文為降低測(cè)試數(shù)據(jù)的復(fù)雜度，直接使用MAC自己生成的Padding包作為載波聚合下行吞吐率測(cè)試的數(shù)據(jù)源。

MAC層生成數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)查詢當(dāng)前帶寬、MCS等級(jí)以及是否為TDD特殊子幀，通過(guò)查詢協(xié)議獲得每一個(gè)TB（傳輸塊）數(shù)值大小，最后根據(jù)TB塊長(zhǎng)度生成Padding包并發(fā)往物理層。生成的MACPDU數(shù)據(jù)包內(nèi)容如上圖5所示，該數(shù)據(jù)單元的頭部只有一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)OxlF，從后五位全1標(biāo)識(shí)可以看出，該數(shù)據(jù)包為Padding包；負(fù)載內(nèi)容為二進(jìn)制0、1組成的隨機(jī)數(shù)，負(fù)載大小是TBsize減1。

在MAC數(shù)據(jù)調(diào)度方面，當(dāng)Scell全部激活后，MAC層會(huì)收到高層控制軟件發(fā)送的灌包指令，之后每1毫秒的調(diào)度，除了發(fā)送必要的廣播消息外，MAC只調(diào)度發(fā)送DLSCH中的MAC PDU數(shù)據(jù)，每個(gè)MACPDU占用一個(gè)傳輸塊的大小，在發(fā)送每一個(gè)DLSCH數(shù)據(jù)包之前，MAC層會(huì)將該傳輸塊對(duì)應(yīng)的DCI信息告知物理層，由物理層生成對(duì)應(yīng)的PDCCH數(shù)據(jù)和PDSCH數(shù)據(jù)。

3.3 測(cè)試方案的驗(yàn)證

在LTE-A終端測(cè)試儀測(cè)試方案中，下行吞吐率可分別在TM3傳輸分集和TM3傳輸復(fù)用模式下，結(jié)合多天線技術(shù)進(jìn)行載波聚合下行吞吐率的測(cè)試，根據(jù)第1節(jié)公式計(jì)算可知，在雙天線分集模式下，吞吐率可達(dá)llOMbps；雙天線分集模式下，吞吐率可達(dá)220Mbps，并且該調(diào)度方式能夠滿足所有服務(wù)小區(qū)數(shù)據(jù)均衡的要求，在相同信道環(huán)境下，每個(gè)服務(wù)小區(qū)的下行吞葉率和誤碼率應(yīng)保持一致。

下圖7是使用TM500終端與LTE-A終端測(cè)試儀表聯(lián)合測(cè)試的結(jié)果，測(cè)試結(jié)果顯示Scell可以正常建立和激活；在做下行數(shù)據(jù)吞吐率測(cè)試時(shí)，Scell可以達(dá)到與Pcell一樣的下行吞吐率，證明了LTE-A終端測(cè)試儀表測(cè)試方案在解決載波聚合下行吞吐率測(cè)試問(wèn)題的有效性和可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

在未來(lái)載波聚合的小區(qū)有可能達(dá)到32個(gè)或者更多，雖然目前本文提出的LTE-A終端測(cè)試儀只支持兩個(gè)子載波聚合的情況，但是LTE-A終端測(cè)試儀也會(huì)有級(jí)聯(lián)的功能，未來(lái)通過(guò)三臺(tái)LTE-A終端測(cè)試儀的級(jí)聯(lián)，可以支持3GPP協(xié)議中提出的5個(gè)服務(wù)小區(qū)載波聚合的測(cè)試。另外，文中描述的解決方案不僅能夠解決終端測(cè)試儀下行吞吐率測(cè)試的問(wèn)題，還為載波聚合的其他測(cè)試項(xiàng)目提供了借鑒平臺(tái)，促進(jìn)了載波聚合技術(shù)在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。