王順

摘要：本文圍繞解決測試終端載波聚合下行吞吐率問題，提出了兩種使用終端測試儀測試下行載波聚合吞吐率的方案，分別為LTE終端測試儀級聯(lián)的測試方案和LTE-A終端測試儀測試方案；通過分析每個方案的特點，確定了采用基于多核DSP實現(xiàn)的TD-LTE-A終端測試儀測試下行載波聚合吞吐率的方案，并詳細(xì)說明了上述方案的具體設(shè)計內(nèi)容，描述了TD-LTE-A系統(tǒng)MAC層在該測試方案中生成下行數(shù)據(jù)的方法和調(diào)度方式。最后，通過測試儀表與終端聯(lián)調(diào)證明了該測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；吞吐率測試

中圖分類號：TN929.5；TP368.1 文獻標(biāo)識碼：A DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.10.019

引言

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

國外眾多的測試測量儀表供應(yīng)商具有強大的研發(fā)和生產(chǎn)實力，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用戶平面吞吐量測試能力；從目前國內(nèi)的情況來看，TD-LTE-A終端測試儀表仍是產(chǎn)業(yè)鏈中相對薄弱的環(huán)節(jié)，盡管TD-LTE-A系統(tǒng)與FDD LTE-A系統(tǒng)成熟度相近，但終端測試儀表方面TDD與FDD相比還是有一定的差距，至今還沒有一款成熟的、可商用的TD-LTE-A終端測試儀表。

1 載波聚合下行吞吐率測試的需求分析

載波聚合技術(shù)的基本原理是將多個連續(xù)或者離散的頻帶寬度較小的子載波聚合在一起，從而形成一個更寬的頻帶寬度，以提高帶寬的方式來提升系統(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通過聚合多個后向兼容的LTE載波來實現(xiàn)大帶寬的要求，載波聚合最多支持五個子載波同時聚合，最高可達100MHz的傳輸帶寬。從吞吐率的角度看，在下行兩個子載波聚合時，可實現(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個小區(qū)載波聚合的最大吞吐率計算公式為：

其中，SCn為載波聚合服務(wù)小區(qū)的個數(shù)，ti為每個子幀中下行數(shù)據(jù)所占時間，勿為每個下行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，按上述公式計算，下行雙小區(qū)、雙天線（2×2MIMO）復(fù)用時，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試方案的設(shè)計與分析

2.1 LTE終端測試儀級聯(lián)的測試方案

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聯(lián)的LTE終端測試儀級聯(lián)，解決載波聚合下行吞吐率測試的問題，其測試詳細(xì)流程如圖2所示。但該方案的不足之處是，每個LTE終端測試儀表的MAC層位于不同DSP芯片中，無法實現(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終端測試儀表級聯(lián)方案是將N個LTE終端測試儀表通過IP網(wǎng)絡(luò)鏈接，由Pcell（主小區(qū)）提供統(tǒng)一的時鐘同步信號，保證多個測試儀發(fā)射的射頻信號同步。能力等級6的終端通過有線方式與多個LTE終端測試儀連接，每個測試儀模擬eNodeB（LTE基站）發(fā)送小區(qū)廣播信號，終端在Pcell（主小區(qū)）進行隨機接入和附著，當(dāng)終端進入到駐留狀態(tài)后，由測試控制上位機的控制軟件發(fā)送Scell配置信令，當(dāng)所用Scell建立成功后，測試儀在Pcell給終端發(fā)送激活Scell的MAC PDU。在每個Scell激活后，控制軟件給參與載波聚合的測試儀的MAC層發(fā)送指令，使其發(fā)送下行Padding數(shù)據(jù)包，測試人員可通過終端log軟件查看下行吞吐率，最終驗證該解決方案的有效性和可行性。

2.2 LTE-A終端測試儀的測試方案

如圖3所示，采用基于8核DSP研發(fā)的LTE-A終端測試儀，解決載波聚合下行吞吐率測試的問題。在LTE-A終端測試儀中，可以將兩個服務(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終端測試儀表與測試控制上位機相連，通過控制軟件中已寫好的測試?yán)?，控制測試步驟執(zhí)行。采用有線的方式將終端與測試儀表相連，服務(wù)小區(qū)分別配置為TM3分集傳輸模式和TM3復(fù)用傳輸模式進行載波聚合下行吞吐率測試，具體測試流程如圖2所示，與LTE終端測試儀表級聯(lián)方案的測試流程一致。

2.3 測試方案分析和確定

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

3 載波聚合下行吞吐率測試的MAC層設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 載波聚合下行協(xié)議架構(gòu)的設(shè)計

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MAC層以上不可見，每個服務(wù)小區(qū)的數(shù)據(jù)都從RLC層獲取，可將系統(tǒng)的MAC實體劃分為若干MAC子實體，服務(wù)小區(qū)獨立地在各自的MAC子實體進行調(diào)度、MAC PDU組包、HARQ功能以及與對應(yīng)物理層的數(shù)據(jù)交互。

服務(wù)小區(qū)MAC子實體同屬一個DSP的不同核，可以高效的進行數(shù)據(jù)傳輸，這種設(shè)計考慮了跨載波調(diào)度的場景。在跨載波調(diào)度時，Pcell會下發(fā)屬于Scell的DCI信息，對于部分在MAC層獲取的DCI信息，可通過核間通信及時地從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 吞吐率測試時MAC層組包方法和調(diào)度方式

下行吞吐率主要測試DL-SCH（下行共享）信道的速率，DL-SCH的數(shù)據(jù)來源可以是來自高層的業(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試的數(shù)據(jù)源。

MAC層生成數(shù)據(jù)包時，會查詢當(dāng)前帶寬、MCS等級以及是否為TDD特殊子幀，通過查詢協(xié)議獲得每一個TB（傳輸塊）數(shù)值大小，最后根據(jù)TB塊長度生成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字節(jié)的數(shù)據(jù)OxlF，從后五位全1標(biāo)識可以看出，該數(shù)據(jù)包為Padding包；負(fù)載內(nèi)容為二進制0、1組成的隨機數(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MACPDU占用一個傳輸塊的大小，在發(fā)送每一個DLSCH數(shù)據(jù)包之前，MAC層會將該傳輸塊對應(yīng)的DCI信息告知物理層，由物理層生成對應(yīng)的PDCCH數(shù)據(jù)和PDSCH數(shù)據(jù)。

3.3 測試方案的驗證

在LTE-A終端測試儀測試方案中，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)進行載波聚合下行吞吐率的測試，根據(jù)第1節(jié)公式計算可知，在雙天線分集模式下，吞吐率可達llOMbps；雙天線分集模式下，吞吐率可達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終端測試儀表聯(lián)合測試的結(jié)果，測試結(jié)果顯示Scell可以正常建立和激活；在做下行數(shù)據(jù)吞吐率測試時，Scell可以達到與Pcell一樣的下行吞吐率，證明了LTE-A終端測試儀表測試方案在解決載波聚合下行吞吐率測試問題的有效性和可靠性。

4 結(jié)束語

在未來載波聚合的小區(qū)有可能達到32個或者更多，雖然目前本文提出的LTE-A終端測試儀只支持兩個子載波聚合的情況，但是LTE-A終端測試儀也會有級聯(lián)的功能，未來通過三臺LTE-A終端測試儀的級聯(lián)，可以支持3GPP協(xié)議中提出的5個服務(wù)小區(qū)載波聚合的測試。另外，文中描述的解決方案不僅能夠解決終端測試儀下行吞吐率測試的問題，還為載波聚合的其他測試項目提供了借鑒平臺，促進了載波聚合技術(shù)在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用。