Новейшие генераторы испытательных сигналов для стандарта LTE

Стандарт LTE должен отвечать все более жестким требованиям, предъявляемым к мобильной связи, и обеспечивать более высокую скорость передачи данных. Следовательно, он должен непрерывно развиваться вместе с развитием сетей. Потребность в оптимизации имеющихся ресурсов, особенно для нисходящего канала, предполагает эффективное повышение пропускной способности. Более того, в будущем операторы сетей намерены предлагать услуги доступа к мобильному ТВ через свои сети LTE. Например, можно представить сценарий, по которому базовая станция мягко переключается из режима «живого» IP-потока для отдельного пользователя в режим широковещания, как только число зрителей одной и той же программы достигнет определенной величины. Кроме того, должна предусматриваться возможность надежного определения местоположения пользовательского оборудования (UE). С одной стороны это обусловлено требованиями регулирующих органов, которым необходимо быстрое определение местоположения абонентов при возникновении чрезвычайных ситуаций. С другой стороны, операторы стремятся использовать эту информацию, чтобы улучшить управление ресурсами и внедрить новые услуги, которые обеспечат дополнительную прибыль.

С выходом релиза 9 стандарт LTE был расширен и стал отвечать требованиям, возникшим с момента выпуска релиза 8. В отношении нисходящего канала следует отметить три возможности, которые стали доступны на физическом уровне: 2-уровневое формирование луча (режим передачи 8), одночастотная сеть широковещательной передачи MBSFN и позиционирование LTE.

Формирование луча используется в основном для того, чтобы повысить качество услуг на границах соты. Для этого передаваемый сигнал передается в направлении пользователя через несколько антенн, для каждой из которых задана величина фазового сдвига.
Передаваемая мощность сосредоточена в пользовательском оборудовании, что повышает отношение сигнал-шум и ослабляет помехи, вызываемые другими пользователями соты. Наибольшая эффективность работы достигается в режиме TDD, при котором в восходящем и нисходящем каналах используется одна и та же частота. В этом случае затраты на контроль состояния канала минимизированы, поскольку восходящий и нисходящий каналы можно считать идентичными. Соответственно, 3GPP определяет режим формирования луча как обязательный для TD LTE и как необязательный для режима FDD.
Возможность работы в режиме формирования уже имеется в релизе 8 за счет использования режима передачи 7 (одноуровневое формирование луча). В релизе 9 эта процедура существенно дополнена за счет вновь введенного режима передачи 8 — теперь стала возможной передача не одного потока данных, а двух. Как вариант, можно разделить два потока данных между двумя пользователями (т.н. MU MIMO).
Два потока данных передаются через логические антенные порты 7 и 8. Весьма полезно сопоставлять каждый логический антенный порт с несколькими (как правило, с четырьмя) физическими антеннами, поскольку это единственный способ достижения требуемого уровня направленности. Поскольку теперь эти сигналы могут передаваться через разные антенны, а не через те, которые используются для опорных сигналов, специфичных для соты (CS-RS), в релизе 9 для оценки состояния каналов были заданы новые опорные сигналы, специфичные для пользовательского оборудования. Кроме того, для режима передачи сигналов 8 был введен новый формат 2B DCI.
Это приводит к необходимости испытаний пользовательского оборудования на соответствие стандартам и необходимому уровню производительности (в части, касающейся 2-уровневого формирования луча). Для достоверной проверки демодуляции корректных опорных сигналов этим оборудованием новая опция K84 позволяет задать фазовые сдвиги всех поднесущих, передаваемых через антенные порты 7 и 8. Это предварительное кодирование может выполняться либо статично, либо произвольно, а также изменяться во времени. Кроме того, генераторы сигналов компании Rohde&Schwarz позволяют с легкостью проверять корректность приема данных в режиме MU MIMO, если принимаемый сигнал поражен помехой, вызванной сигналами той же частоты, передаваемыми в адрес другого пользовательского оборудования. Это означает, что соответствующие испытания производительности пользовательского оборудования (предусмотренные 3GPP TS 36.521, ч. 1) можно легко выполнить за счет использования опции K84 при разомкнутом шлейфе, т.е. без механизма HARQ.

Стандарт 3GPP TS 36.211 LTE определяет антенные порты для нисходящих каналов. Антенный порт обычно используется как обобщающий термин для обозначения передачи сигнала при идентичных условиях в каналах. Для каждого режима работы LTE в нисходящем направлении, которому выделен независимый канал (например, SISO вместо MIMO), определен и отдельный логический антенный порт. Символы LTE, передаваемые через идентичные антенные порты, оказываются в одних и тех же условиях каналов. Чтобы определить характеристический канал для антенного порта, пользовательское оборудование должно выполнять оценку каналов для каждого антенного порта в отдельности. Отдельные опорные сигналы (пилот-сигналы), которые подходят для оценки соответствующего канала, определяются в стандарте LTE для каждого антенного порта. В таблице 1 показаны антенные порты, определенные в стандарте LTE (релизы 8 и 9).
Способ, которым эти логические антенные порты назначаются физическим передающим антеннам базовой станции (БС), определяется этой станцией и может варьироваться между БС одного типа (из-за различных условий работы) и между БС различных производителей. БС не сообщает пользовательскому оборудованию о выполняемом сопоставлении в явной форме, но оборудование пользователя должно автоматически принимать это во внимание во время демодуляции (см. рис. 1). Применительно к измерениям это означает, что генератор сигналов должен обеспечивать достаточную гибкость реализации стандарта LTE, чтобы пользователь мог делать необходимые сопоставления и проводить испытания в реалистичных условиях (см. рис. 2).

Рис. 1. Соответствие логических антенных портов физическим передающим антеннам

Рис. 2. Сопоставление антенных портов в генераторе сигналов Rohde&Schwarz. В этом примере используется случайный выбор правил сопоставления кода для отображения антенных портов 7 и 8 для испытаний 2-уровневого формирования луча в реалистичных, динамически меняющихся условиях

На рынке мобильной радиосвязи преобладают две тенденции. С одной стороны, пользовательское оборудование становится все более мощным, поэтому современные смартфоны и планшетные компьютеры во многих областях займут вскоре место настольных ПК. Это означает, что возможность работы в сети с помощью портативных устройств становится все более востребованной. С другой стороны, требования к пропускной способности, предъявляемые к радиосетям, непрерывно возрастают. Требуется высокоскоростной доступ к информации с мобильных устройств. Чтобы идти в ногу с этой тенденцией, многие операторы ориентируются на потенциал стандарта LTE. По данным GSA, международной ассоциации поставщиков оборудования мобильной связи, в мире уже работают 24 коммерческих сети LTE и еще 142 готовятся к вводу в эксплуатацию. В общей сложности 218 сетевых операторов в 91 стране инвестируют средства в стандарт мобильной радиосвязи будущего LTE . Таким образом можно сделать вывод о том, что в настоящее время происходит динамичное движение в сторону еще более подвижной связи и еще более быстрой передачи данных.

В одночастотной сети широковещательной передачи (MBSFN), часто называемой eMBMS, сигналы мобильного телевидения встраиваются в сигнал стандарта LTE. Операторы могут предоставлять соответствующие услуги одновременно с услугами мобильной связи, что не требует использования специального передающего оборудования. Это достигается за счет временного разделения доступных ресурсов между стандартными субкадрами и субкадрами MBSFN. MBMS известна еще со времен UMTS (релиз 6). Однако этот стандарт был существенно расширен в релизе 9 как на физическом уровне, так и на уровне протокола. Несколько синхронизированных сот LTE передают идентичные сигналы на одной частоте в субкадрах MBSFN, поэтому пользовательскому оборудованию «кажется», что сигнал передается с единственной БС (в одночастотной сети). Это обеспечивает существенно лучшее покрытие (вплоть до границ соты) и защиту видеосигнала от помех.
MBSFN оказывает огромное влияние на реализацию физического уровня в пользовательском оборудовании. Соответствующие субкадры MBSFN делятся на «зону MBSFN» и «не зону MBSFN», поэтому потенциально могут использовать разные циклические префиксы. Кроме того, пользовательское оборудование должно распознавать новый физический канал (MBSFN-RS) за счет использования антенного порта 4. Опция K84 позволяет проводить проверки на совместимость со стандартами.
Синхронная передача сигналов несколькими базовыми станциями порождает новую измерительную задачу. В зависимости от местоположения пользовательского оборудования сигналы базовых станций достигают пользовательского оборудования в разные моменты времени. Из-за размера соты возникает значительно больший временной сдвиг, чем при многолучевом распространении сигнала при обычном режиме работы LTE. Для решения этой проблемы используется более длинный циклический префикс (расширенный CP), чем тот, что установлен стандартом LTE, и это необходимо учитывать при проектировании пользовательского оборудования.
Используя векторный генератор сигналов R&S^® SMU200A и встроенный в него эмулятор замирания, можно легко моделировать соты LTE, имеющие различную величину задержки сигналов. Для конфигурирования достаточно загрузить подходящий предустановленный сценарий, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Предопределенный сценарий замирания в векторном генераторе сигналов R&S® SMU200A для моделирования трех сот MBSFN

Наиболее точное определение местоположения может быть выполнено при использовании GPS/A-GPS (при условии, что спутники находятся в зоне прямой видимости). Однако это условие редко выполняется внутри зданий и в условиях городской застройки. Определение местоположения с помощью сот, сигналы которых доступны пользовательскому оборудованию, возможно в любом случае, однако с невысокой точностью. Релиз 9 расширяет метод OTDOA за счет использования выделенных опорных сигналов позиционирования (PRS). Пользовательское оборудование измеряет относительную задержку сигналов минимум от трех базовых станций и сообщает о ней на сервер определения местоположения. Местоположение мобильного телефона может быть определено методом триангуляции (по аналогии с GPS). В принципе этот метод работает и с обычными опорными сигналами, специфичными для сот, определенными в релизе 8, но PRS обеспечивает значительно более высокую точность.
Чтобы конструкция отвечала требованиям релиза 9, производители пользовательского оборудования стандарта LTE должны проверять, может ли оно принимать сигналы PRS в соответствии со стандартами и выполнять измерение задержки сигналов от различных БС. Опция K84 позволяет легко выполнить обе проверки.
Двухканальная архитектура векторного генератора сигналов R&S^® SMU200A позволяет упростить сложную схему построения измерений, которая обычно требуется для испытаний такого рода. Один и тот же прибор может имитировать две БС при условии независимого моделирования каналов, включая замирание, AWGN и задаваемый временной сдвиг. Если статическая модель достаточна проста, один канал генератора SMU200A может генерировать почти любое количество сот LTE. Это позволяет формировать подходящий сценарий GPS для проведения мультистандартных испытаний во втором канале.

Стандарт LTE быстро прогрессирует, а релиз 9 обеспечит успех LTE-Advanced. Благодаря опции K84 семейство генераторов сигналов компании Rohde&Schwarz развивается вместе с развитием сетей и обеспечивает широкий спектр измерений, отвечающих различным требованиям стандарта LTE (релиз 9).
Для измерения в соответствии со стандартом LTE (релиз 9) рекомендуются следующие генераторы и ПО Rohde&Schwarz:
– векторный генератор сигналов R&S^®SMU200A;
– векторный генератор сигналов R&S^®SMJ100A;
– векторный генератор сигналов R&S^®SMATE200A;
– векторный генератор сигналов R&S^®SMBV100A;
– генератор опорной полосы частот R&S^®AMU200A и эмулятор замирания;
– программное обеспечение для моделирования R&S^® WinIQSIM2™.