王先鵬

摘 要：隨著5G技術(shù)的成熟與快速發(fā)展，推動(dòng)了窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)的長期演進(jìn)。由于具有廣覆蓋、高密度、低功耗、低成本等特點(diǎn)，NB-IoT終端獲得了大量應(yīng)用，NB-IoT終端信號分析也就成為了終端一致性測試的關(guān)鍵。本文在分析NB-IoT終端測試協(xié)議基礎(chǔ)上，提出了一種手持式NB-IoT終端綜合測試儀設(shè)計(jì)方法，集成了終端的多種測試功能，提高了NB-IoT終端在生產(chǎn)測試中的測試效率。測量結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。

關(guān)鍵字：NB-IoT；物聯(lián)網(wǎng)；綜測儀

*基金項(xiàng)目：中國電科集團(tuán)發(fā)展資金項(xiàng)目，5G專網(wǎng)多通道基站綜測儀

0 引言

隨著5G技術(shù)的成熟與快速發(fā)展，推進(jìn)了窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)的長期演進(jìn)。在3GPP R14、R15和R16b版本中，作為低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IoT技術(shù)的演進(jìn)和升級[1-2]，使之進(jìn)入了5G候選技術(shù)集合[3]。

作為物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)之一，NB-IoT技術(shù)支持廣泛的新物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接和服務(wù)，有利于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大規(guī)模部署和低成本、低功耗、長電池使用壽命方案的實(shí)施。它具有廣覆蓋、高密度、低功耗、低成本等特點(diǎn)，又能基于現(xiàn)有蜂窩基站基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的互聯(lián)互通，在智慧城市建設(shè)、工業(yè)自動(dòng)化、智能交通、智能家居和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用[4-6]。由于基于NB-IOT技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大規(guī)模部署、種類繁多的物聯(lián)設(shè)備和低成本要求，對這些設(shè)備的各種測試提出了很高的要求，測試的復(fù)雜性也隨之增加。

對于NB-IOT終端設(shè)備的測試主要分為NB-IOT協(xié)議一致性測試、NS-IOT測試、RRM一致性測試、射頻RF指標(biāo)測試、功耗測試、互操作性測試、OTA測試和產(chǎn)線測試等。文獻(xiàn)[7-8]基于TTCN-3技術(shù)提出了 NB-IoT終端射頻一致性測試平臺，僅能滿足協(xié)議棧的一致性測試和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。如何滿足不同種類NB-IoT終端設(shè)備的低成本高效測試已成為一個(gè)亟待解決的難題。目前國外主流儀表生產(chǎn)廠商都是基于現(xiàn)有儀表硬件架構(gòu)，通過NB-IoT軟件升級包的形式支持測試，因此其低成本的優(yōu)勢也就不再顯現(xiàn)；國內(nèi)儀表廠商對于NBIoT測試的儀表功能單一。綜上所述，本文針對NBIOT終端設(shè)備提出了一種低成本、手持式、支持多功能測試的終端綜測儀軟硬件設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

1 NB-IoT終端綜測軟硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件平臺設(shè)計(jì)

由于NB-IoT終端具有低功耗、低成本等特點(diǎn)，所以NB-IoT終端綜測硬件平臺需要一個(gè)高指標(biāo)，低成本的射頻前端模塊、高效的數(shù)據(jù)處理模塊和協(xié)議棧模塊以及低功耗分析檢測模塊。綜合考慮多方面因素，本文提出了一種硬件總體設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

射頻模塊由射頻發(fā)射通道、射頻接收通道、收發(fā)本振、射頻開關(guān)矩陣和時(shí)基參考板構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)射頻信號與中頻信號的相互轉(zhuǎn)化。射頻開關(guān)矩陣使用NB-IoT 終端產(chǎn)線的自動(dòng)化快速測試方法，而一般單臺儀表的標(biāo)配為一個(gè)收發(fā)合路的天線模塊。射頻頻率范圍為 （70～6 000）MHz。中頻處理模塊由FPGA+ARM結(jié)構(gòu)組成，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)下行信號的發(fā)送和上行信號的采集分析，ARM實(shí)現(xiàn)線程調(diào)度、數(shù)據(jù)分析、與人機(jī)接口通信以及整機(jī)狀態(tài)維測管理等；協(xié)議棧模塊負(fù)責(zé)NB-IoT信令流程交互控制；功耗分析模塊實(shí)現(xiàn)對終端的電流分析。

NB-IoT下行采用OFDMA技術(shù)，占用帶寬200 kHz， 實(shí)際占用180 kHz，兩邊各有10 kHz的保護(hù)帶寬，在LTE Inband部署時(shí)相當(dāng)于1個(gè)RB。下行子載波帶寬15 kHz。NB-IoT上行則采用SC-FDMA技術(shù)，有3.75 kHz和15 kHz兩種帶寬。鑒于射頻硬件和FPGA+ARM構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理模塊的通用性（例如支持LTE測試），中頻處理單元采樣率設(shè)為30.72 Mbit/s，分析帶寬為30.72 MHz。中頻信號處理單元將中頻信號通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，且FPGA可以采用中頻功率或者幀同步實(shí)現(xiàn)終端上行信號的同步。

1.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件架構(gòu)以及支持的功能劃分，NB-IoT終端綜測儀軟件架構(gòu)如圖2所示。

從圖中可以看出，軟件部分主要包含中頻和射頻邏輯處理模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、ARM中的業(yè)務(wù)調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊、TCP通信模塊、協(xié)議棧和人機(jī)/自動(dòng)化接口等。NB-IoT物理層的數(shù)據(jù)分析由FPGA完成實(shí)時(shí)IQ數(shù)據(jù)的采集、解調(diào)和計(jì)算，ARM進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)度，同步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。協(xié)議棧模塊僅在進(jìn)行NB-IoT協(xié)議測試（信令模式）時(shí)才被激活，與FPGA中物理層實(shí)時(shí)處理單元構(gòu)建一個(gè)完整的上下行通信鏈路。

NB-IoT功耗分析的關(guān)鍵是對終端電流的動(dòng)態(tài)分析。本綜測儀中的功耗分析模塊可以結(jié)合FPGA+ARM高效數(shù)據(jù)處理模塊、高性能射頻模塊和協(xié)議棧模塊構(gòu)成的信令交互通路，實(shí)現(xiàn)終端在各種待機(jī)狀態(tài)、連接狀態(tài)下電源功耗的在線分析。

NB-IoT終端的一致性測試包括射頻一致性測試、RRM一致性測試和協(xié)議一致性測試3個(gè)方面。射頻一致性測試主要測試終端的發(fā)射機(jī)指標(biāo)、接收機(jī)指標(biāo)和性能要求；RRM一致性測試主要是對終端移動(dòng)性管理、連接態(tài)移動(dòng)管理、RRC連接、傳輸時(shí)間性能測量等進(jìn)行測試分析；協(xié)議一致性測試是對空口協(xié)議信令交互一致性進(jìn)行測試。終端射頻一致性測試對儀表要求非常高，而本綜測儀硬件架構(gòu)能夠很好滿足射頻測試需求，同時(shí)結(jié)合協(xié)議棧模塊實(shí)現(xiàn)終端在信令模式下進(jìn)行RRM和協(xié)議一致性測試。

2 測試結(jié)果

本文選擇NB-IoT終端進(jìn)行非信令模式下射頻指標(biāo)測試。中心頻率1 GHz作為測試?yán)?，模式設(shè)置為DL FDD Stand-alone，觸發(fā)模式為中頻功率觸發(fā)，相關(guān)參數(shù)配置按照3GPP TS 36.101、3GPP TS 36.521協(xié)議中規(guī)定進(jìn)行設(shè)置[9-10]，具體測試結(jié)果如圖3所示。

圖3中顯示與NB-IoT終端上行信號同步成功，并從時(shí)域、頻域和解調(diào)域3個(gè)方面對終端上行信號進(jìn)行了分析，包括：EVM、星座圖、頻譜、時(shí)域功率和資源分配表等。

3 結(jié)束語

本文針對NB-IoT的特點(diǎn)和測試需求，提出的硬件平臺設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)NB-IoT的信令與非信令測試，通過8T8R功分模塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線多終端自動(dòng)化并行快速測試。本文所提出的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了單臺NB-IoT終端綜測儀集協(xié)議測試、射頻指標(biāo)測試、RRM測試的一體化，在生產(chǎn)測試和內(nèi)外場測試中顯著提高測試效率，降低了成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 解運(yùn)洲.NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)體系演進(jìn)與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展[J].物聯(lián)網(wǎng)學(xué)報(bào)，2018，2（1）：76-87.

[2] 黃宗偉.3GPP窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)在R14版本中的增強(qiáng)[J].廣東通信技術(shù)，2019（1）：14-17.

[3] 黃海峰.NB-IoT確定為5G候選技術(shù) 未來發(fā)展將加速[J].通信世界，2019（0）： 5-6.

[4] 高宏宇，王鴻磊，凌啟東.基于NB-IoT的云平臺無線數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)術(shù)，2019，21（1）：10-13.

[5] 邵澤華.NB-IoT通信技術(shù)在智能燃?xì)獗淼膽?yīng)用[J].煤氣與熱力， 2019（5）：后插24-27.

[6] 李建飛，李建鑫.基于NB-IoT技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程，2019（29）：230-232.

[7] 王晰，李致遠(yuǎn).NB-IoT終端一致性測試模型設(shè)計(jì)[J].移動(dòng)通信， 2018，42（5）：6-13.

[8] 陳發(fā)堂，周述淇，鄭輝.NB-IoT隨機(jī)接入過程的分析與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44（2）：75-79，87.

[9] 3GPP TS 36.101 V16.8.0（2020-12）；Evolved universal terrestrial radio access（E-UTRA）；User Equipment（UE） radio transmission and reception（Release 16）[S]，2020.

[10] 3GPP TS 36.521 V16.7.0（2020-12）；Evolved universal terrestrial radio access（E-UTRA）；User Equipment（UE） conformance specification； Radio transmission and reception （Release 16）[S]，2020.