關(guān)于CMW測試方案的介紹和應(yīng)用分析

NB-IoT(Narrowband IoT)是未來智能社會(huì)實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的重要支撐技術(shù)。它從設(shè)計(jì)之初就得到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。隨著技術(shù)路線圖的確定和產(chǎn)業(yè)鏈上下游的充分發(fā)展，NB-IoT技術(shù)已在世界多地呈現(xiàn)出高速成長的態(tài)勢。在我國，三家主要電信運(yùn)營商都已積極投入資源參與NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和試驗(yàn)工作，并逐步開展了商業(yè)運(yùn)營。從終端角度來說，已有不少物聯(lián)網(wǎng)模組企業(yè)推出了較為成熟產(chǎn)品，終端品種將越來越豐富。根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，隨之而來的NB-IoT終端產(chǎn)品測試問題將成為一個(gè)業(yè)內(nèi)各單位需要共同應(yīng)對的挑戰(zhàn)，國內(nèi)權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)泰爾實(shí)驗(yàn)室已在2017年底宣布開展NB-IoT終端的入網(wǎng)準(zhǔn)入測試，因此，無線終端產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員很有必要深入學(xué)習(xí)和掌握這門新技術(shù)的規(guī)范化測試方法以及測試工具的使用。

技術(shù)特點(diǎn)

NB-IoT的主要技術(shù)特點(diǎn)可簡述如下：

1) NB-IoT相比其它技術(shù)有著小帶寬（180 KHz，含保護(hù)帶寬為200KHz）；高靈敏度（應(yīng)對諸多極限連接場景）；大容量、多連接（每小區(qū)可容納5萬個(gè)連接）；極低功耗（電池壽命需要達(dá)到數(shù)年以上）；允許高時(shí)延（最大可到10秒）；低成本（單模塊幾美元）等突出特點(diǎn)。

2) NB-IoT和LTE有著密切的關(guān)系，其底層形態(tài)和協(xié)議棧結(jié)構(gòu)與LTE有很多共同之處，核心網(wǎng)絡(luò)則繼承和發(fā)展了LTE的EPC模式。

3) 使用FDD的半雙工模式，目前已分配的工作頻段包括1, 2, 3, 5, 8, 11, 12, 13, 17, 18, 19, 20, 21, 25, 26, 28, 31, 66 ,70等。它可獨(dú)立部署，也可在LTE系統(tǒng)的保護(hù)頻帶上部署，還可以在LTE已規(guī)劃頻段內(nèi)部署。

4) 射頻傳輸總帶寬為180KHz，即LTE 1個(gè)RB的寬度；下行采用OFDMA多址方式，子載波間隔15KHz，QPSK調(diào)制方式；上行采用SC-FDMA方式，支持15KHz和3.75KHz兩種子載波間隔，根據(jù)上行方向共享傳輸信道的格式的不同，上線支持單載波(single tone)和多載波(multi-tone)調(diào)度方式，分別使用BPSK和QPSK調(diào)制方式，對應(yīng)不同工作場景。

5) 下行方向時(shí)域采用了和LTE相類似的“符號-時(shí)隙-子幀-幀”結(jié)構(gòu)，另外還設(shè)計(jì)了一個(gè)“超幀”概念，它包括1024個(gè)幀，時(shí)長約3小時(shí)左右；上行方向如果采用15KHz信道間隔，則時(shí)頻結(jié)構(gòu)與下行類似，如果采用3.75KHz信道間隔，則時(shí)隙長度擴(kuò)展成了2毫秒，即15 KHz信道間隔時(shí)的4倍，而每時(shí)隙內(nèi)符號數(shù)保持不變。

6) 上行方向的功率控制，除了考慮小區(qū)允許最大發(fā)射功率的限制，還需要考慮分配給終端的子載波個(gè)數(shù)、開環(huán)起始目標(biāo)功率及路損的影響，受開環(huán)功率控制的影響較大。

7) 下行信道有窄帶物理廣播(NPBCH)、窄帶物理下行共享(NPDSCH)和窄帶物理下行控制(NPDCCH)等；上行信道有窄帶物理隨機(jī)接入(NPRACH)和窄帶物理上行共享(NPUSCH)。下行物理層信號有窄帶主輔同步和窄帶參考信號，上行物理層有解調(diào)參考信號。

8) 考慮到低成本，低功耗，大連接，且移動(dòng)性管理場景需求不強(qiáng)烈的特點(diǎn)，NB-IoT在RRC層信令、系統(tǒng)消息、尋呼過程、接入過程、數(shù)據(jù)鏈路構(gòu)成和傳輸方式等方面都進(jìn)行了很多簡化；為增強(qiáng)覆蓋性能，還設(shè)計(jì)了雙向重復(fù)傳輸(Repetition)模式，最大允許200次重傳。

9) 支持功耗節(jié)省模式(Power Saving Mode)和增強(qiáng)型不連續(xù)接收(eDRX)，以減小電池的消耗。

10) 下行方向速率最大可達(dá)250kbps，上行方向速率最大可到20kbps。

關(guān)于NB-IoT的技術(shù)細(xì)節(jié)，建議閱讀羅德與施瓦茨公司的技術(shù)白皮書< Narrowband Internet of Things >，文檔編號1MA266。

射頻測試需求

NB-IoT在3GPP規(guī)范體系的R13版本中正式推出，其終端射頻一致性測試要求并未單獨(dú)發(fā)布，而是與eMTC、V2X等新技術(shù)一起包括在LTE終端測試規(guī)范TS 36.521當(dāng)中，并隨該規(guī)范的不斷更新而持續(xù)完善。通過研讀R14版本規(guī)范（2017年9月份發(fā)布）可知，NB-IoT射頻一致性測試要求區(qū)分為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)測試兩大類，測試用例分布在3個(gè)章節(jié)，即第6章發(fā)射機(jī)特性，第7章接收機(jī)特性和第8章性能要求之內(nèi)。

對發(fā)射機(jī)測試，需要考察時(shí)域的最大/最小功率、最大功率回退、配置功率、開關(guān)時(shí)間模板（含接入信道）、以及功率控制等指標(biāo)；調(diào)制域的EVM和頻率誤差、載波泄露與帶內(nèi)發(fā)射等指標(biāo)；頻域的鄰道泄露功率、頻譜發(fā)射模板、占用帶寬、帶外雜散發(fā)射和LTE帶內(nèi)共存等指標(biāo)。

對接收機(jī)則需要分別考察靜態(tài)和衰落條件下的表現(xiàn)。靜態(tài)信道下接收機(jī)測試包括了重傳和非重傳條件下的絕對靈敏度、最大輸入電平、鄰道抑制、帶內(nèi)和帶外阻塞、雜散響應(yīng)和寬帶互調(diào)等指標(biāo)。衰落信道下接收機(jī)測試考察終端對NPDSCH和NPDCCH信道的解調(diào)能力，具體包括LTE帶內(nèi)部署、單獨(dú)部署和LTE帶間部署情況下；基站單天線和分集發(fā)射共四種不同場景。以上大多數(shù)收發(fā)測試用例都會(huì)根據(jù)上行信號的調(diào)制方式、子載波間隔等預(yù)置條件的不同而進(jìn)行多次測試。

其它典型實(shí)驗(yàn)室測試需求

除上述射頻一致性測試要求之外，根據(jù)應(yīng)用場景的需要，開發(fā)人員通常還要完成下面這些復(fù)雜測試任務(wù)：

1) NB-IoT只設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，IP層的相關(guān)功能、業(yè)務(wù)能力的驗(yàn)證就顯得非常必要。

2) NB-IoT終端對電池壽命的要求非?？量?，必須進(jìn)行精確的電流測試以保證設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)。

3) NB-IoT做為全新的接入網(wǎng)技術(shù)，協(xié)議棧只能逐漸的成熟完善，早期與信令消息相關(guān)的測試和問題定位的需求很迫切。

4) NB-IoT終端可能攜帶敏感信息，如何保障IP系統(tǒng)的安全，如何對抗“黑客”的入侵。

CMW測試方案簡介

NB-IoT終端的一個(gè)基本定位是“低成本”，但是從上面的說明可以看到，NB-IoT相關(guān)的射頻測試要求卻非常高，這就意味著需要投入足夠的資源才能從測試的角度保證產(chǎn)品性能的可靠。如何平衡研發(fā)、生產(chǎn)的測試投入與經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)出之間的關(guān)系，難度不小，用戶希望的是使用適當(dāng)?shù)耐顿Y就獲得功能強(qiáng)大的NB-IoT測試平臺。

羅德與施瓦茨公司的CMW500射頻測試儀恰恰為所有這些需求都提供了良好的解決方案。CMW500不僅支持主流的2/3/4G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)和WLAN、藍(lán)牙這些短距無線連接技術(shù)，現(xiàn)又將其測試能力擴(kuò)展到了NB-IoT和eMTC等物聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù)領(lǐng)域。在LTE時(shí)代，CMW500憑借優(yōu)異的表現(xiàn)而成為產(chǎn)業(yè)界事實(shí)的標(biāo)桿。而對NB-IoT技術(shù)，用戶只需在CMW500平臺上做一定的軟硬件升級，即可獲得全面的終端測試能力?？紤]到LTE和NB-IoT高度融合的特性，在一個(gè)平臺上平穩(wěn)升級的方案，無論在能力的兼容、可靠性和精度的保證，還是既有投資的保護(hù)，都是一個(gè)非常好的選擇。CMW500的最新固件版本已支持NB-IoT的信令和非信令測試，尤其需要指出的是，它的信令（基站模擬）功能非常優(yōu)秀，用它可以簡化測試，幫助用戶驗(yàn)證更多的問題，CMW500是目前市場上僅有的幾種支持NB-IoT信令模式的儀表之一。

通過儀表的用戶界面和實(shí)測結(jié)果可以看到，CMW500支持設(shè)定NB-IoT基站的基礎(chǔ)參數(shù)，主要包括：

頻段、信道；雙工方式；子載波間隔（15或3.75KHz）；小區(qū)ID；部署模式（單獨(dú)部署、LTE保護(hù)帶內(nèi)或LTE頻段共存部署）；終端側(cè)接收到的NRS參考信號的強(qiáng)度等。

可支持單純的射頻測試連接（僅底層協(xié)議）和數(shù)據(jù)應(yīng)用模式連接（含IP等高層協(xié)議）。在射頻測試連接模式下，可設(shè)置不同類型鏈路類型，如專門用于發(fā)射、接收測試的“UL RMC”和“DL RMC”模式，載波數(shù)量和其起始位置、調(diào)制指數(shù)等信息可以調(diào)節(jié)；針對數(shù)據(jù)應(yīng)用模式，可設(shè)置有收發(fā)雙向數(shù)據(jù)的用戶自定義模式，以便同時(shí)連續(xù)調(diào)度上行和下行數(shù)據(jù)，相對“UL RMC”和“DL RMC”更加靈活。

NPRACH/NPUSCH信道功率控制相關(guān)設(shè)置，如空口NB-IoT參考信號強(qiáng)度，期望的初始接入信號強(qiáng)度，NPUSCH的P0期望功率和路損因子α等參數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)PLMN設(shè)置；安全相關(guān)設(shè)置，包括測試USIM卡相關(guān)參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)側(cè)加擾的打開或關(guān)閉。

NPDSCH和NPUSCH重復(fù)模式的設(shè)置。

可支持PSM模式和eDRX相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

NB-IoT基站高級設(shè)置菜單

從測量能力上可以看到，CMW500的NB-IoT測試應(yīng)用工具具備如下功能：

終端基本信息的獲取，如注冊狀態(tài)，IMEI/IMSI等身份信息，終端能力等級；默認(rèn)承載的建立和IP地址的分配。

NB-IoT基站基礎(chǔ)設(shè)置，以及數(shù)據(jù)應(yīng)用模式（Data Application）連接下終端身份信息的獲取，IP地址的分配

終端與儀表之間交互的所有信令消息，可通過CMWmars工具記錄、查看和分析。

正常注冊過程中，NB-IoT終端和CMW500之間的信令交互

發(fā)射機(jī)，接收機(jī)射頻測試，可針對功率（包括功率回退、配置功率、開關(guān)時(shí)間模板等）、調(diào)制性能（EVM，F(xiàn)requency/Phase Error, IBE等）、頻譜（頻譜模板、占用帶寬）、BLER和物理層吞吐量等基礎(chǔ)指標(biāo)進(jìn)行全方位測量?？舍槍PUSCH和NPRACH兩種信道分別進(jìn)行測試。目前CMW500配合信號源、頻譜儀等設(shè)備，可以完成上述3GPP測試規(guī)范中第6、7章的24個(gè)用例的測試，覆蓋面達(dá)到86%。這兩章剩余的4個(gè)用例以及第8章的4個(gè)用例也在開發(fā)過程當(dāng)中。詳情可以通過R&S公司提供的CMW500測試能力列表文檔了解。

發(fā)射機(jī)測試，NPUSCH信道測試結(jié)果

發(fā)射機(jī)測試，NPRACH信道測試結(jié)果

接收機(jī)測試，包括BLER和吞吐量等指標(biāo)

可以根據(jù)NPUSCH信道觸發(fā)測量，測試更精準(zhǔn)；不僅可以給出單純的數(shù)值形式結(jié)果，還可提供豐富的圖形結(jié)果，信息量豐富。

IP層相關(guān)測試，CMW500支持通過控制面(C-Plane)和用戶面(U-Plane)承載IP數(shù)據(jù)，使用者可以運(yùn)行PING以及Iperf灌包等IP層工具驗(yàn)證終端業(yè)務(wù)能力，并通過CMW500提供的IP抓包和IP安全分析工具來進(jìn)行問題定位和網(wǎng)絡(luò)安全性能驗(yàn)證。

NB-IoT的數(shù)據(jù)應(yīng)用模式連接下，從CMW500向終端發(fā)起PING測試，可見PING時(shí)延在2秒以上，符合NB-IoT低速連接的技術(shù)特點(diǎn)

數(shù)據(jù)應(yīng)用連接下的Iperf灌包測試，可見左側(cè)有極低的綠色上行速率，表明CMW500接收到了終端發(fā)出的UPD數(shù)據(jù)包

使用IP安全分析工具，記錄下NB-IoT終端訪問的真實(shí)網(wǎng)站位置信息

非信令測試模式下，ARB信號源可播放使用R&S WinIQSIM2軟件工具制作的非信令波形文件，發(fā)射機(jī)測量工具可脫離信令模塊單獨(dú)工作，滿足生產(chǎn)線相關(guān)的模塊校準(zhǔn)和驗(yàn)證測試要求，節(jié)省投資。

配合使用CMWrun自動(dòng)化測試軟件，可高效完成終端射頻測試，腳本編輯方便，用戶界面友好。

CMWrun NB-IoT射頻測試腳本覆蓋發(fā)射，接收測量

配合使用R&S RT-ZVC多通道功率探頭和CMWrun自動(dòng)化測試軟件，可進(jìn)行NB-IoT終端，尤其是在使用真實(shí)電池的情況下，電流的變化情況，CMW500模擬網(wǎng)絡(luò)各種行為，并提供準(zhǔn)確的信令動(dòng)作觸發(fā)RT-ZVC的測量，以便記錄下注冊、發(fā)起數(shù)據(jù)連接等關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)功耗的變化，測試全程自動(dòng)化進(jìn)行。

RT-ZAC多通道探頭與CMW500配合測量NB-IoT終端的電流消耗

面對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，羅德與施瓦茨公司已做好準(zhǔn)備，CMW500射頻測試儀將用優(yōu)秀的表現(xiàn)，繼續(xù)為用戶的測試工作提供可靠、準(zhǔn)確的保障。羅德與施瓦茨公司愿和業(yè)內(nèi)同仁一起攜手，為我國NB-IoT產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。