מאת: מוריי ראמני והירושי יאנאגאווה AGILENT
פריסה מוצלחת של 3GPP LTE (Long Term Evolution) תלויה בצורה משמעותית בתאימות ובפעולה אפקטיבית בין האלמנטים השונים של המערכת. בדיקות תאימות מבטיחות שהאלמנטים הללו עונים על רמת מינימום של ביצועים כפי שהוגדר במפרטי ה-GPP3. עבור תחנות בסיס LTE, בדיקות התאימות מתמקדות בשיטות בדיקת RF ודרישות תאימות עבור תחנות בסיס הפועלות במצב FDD או TDD.
ממשק האוויר LTE, המורכב והגמיש, תומך באפשרויות רבות של פורמט מודולציה (QPSK, 16QAM and 64QAM), טווחי תדרים (FDD ו-TDD), הקצאות משאבים וניידות. התוצאה הינה שמספר הפרמוטציות של תצורות ה-RF שניתן לבדוק הוא עצום. בבחירת התצורות עבור בדיקות ההתאמה של LTE RF, הושקע מאמץ ניכר על ידי ה-3GPP לזהות את הצירופים הללו של פרמטרים המייצגים את תנאי הפעולה הקשים ביותר כך שכאשר מוצר עובר את הבדיקות בהצלחה, מהנדס התכנון יכול להיות בטוח במידה סבירה שההתקן יתפקד בצורה משביעת רצון בהרבה יותר צירופים מאלה שנבדקו בפועל.
מבנה בדיקות ההתאמה של תחנות בסיס
בדיקות תאימות ה-RF של תחנות בסיס ממלאות אחר פורמט תקני אשר כולל את הכותרת; ההגדרה של הפרמטר הנבדק והישימות של הבדיקה לכל או חלק מהציוד; דרישת התאמה מינימאלית עם התייחסות לתת הסעיף של מפרט הליבה של 3GPP, אשר מגדיר את דרישת המינימום; ומטרת הבדיקה.
בעוד שמטרת הבדיקה עשויה להיראות ברורה מהכותרת של הבדיקה, מוצר עשוי לעיתים להצטייר כאילו נכשל בבדיקה מסיבות שאין להן ולא כלום עם מטרת הבדיקה. לעיתים בדיקות יוצרות תוצאות ביניים העשויות להיות משמעותיות לבדיקות אחרות. אף על פי כן, רק הפריטים הספציפיים הרשומים במטרת הבדיקה קובעים את תוצאת ה”עבר”/”נכשל” של בדיקת ההתאמה. מטרת בדיקה הכתובה בצורה ברורה מסייעת להבהיר מה חשוב ומה אינו חשוב, במיוחד כאשר דרישות מינימום נוספות שלא אמורים לבדוק מועתקות ממפרטי הליבה לתת הסעיף של דרישות התאמה מינימאליות.
בדיקות התאמה של תחנות בסיס עבור LTE הינן דומות ל-UMTS פרט לאזורים הללו של הבדיקות המושפעים על ידי המעבר לשימוש בשיטת מודולציה של OFDMA. בדיקות התאמת ה-RF של תחנות בסיס מוגדרות במפרט טכני 36.141 [1] TS של 3GPP ומבוססות על מפרט הליבה TS 36.104 [2]. ישנן שלוש קטגוריות עיקריות של בדיקות התאמה: מאפייני משדר, מאפייני מקלט ודרישות ביצועים.
מאפייני משדר
טבלה 1 מפרטת את מקרי המבחן של מאפייני משדר המוגדרים במפרט בדיקות ההתאמה. בדיקות אלה ממלאות במידה רבה של דיוק אחר התבנית מ-UMTS עם שינויים בעיקר עקב שימוש בטכניקות OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) ב-uplink של ה-LTE.הבדיקה של time alignment בין ענפי המשדר הינה חשובה במיוחד ל-LTE עקב השימוש הנרחב ב-transmit diversity, spatial multiplexing ו-beamsteering. נדרש time alignment של 65 ננו שניות, כמו במקרה של UMTS, המציין 1/4 צ’יפ (65 ננו שניות).
הייחוס של מבחן עוצמת האות של ה-downlink (TS 36.141 תת סעיף 6.5.4) הינו שווה הערך של מבחן דיוק ההספק CPICH (Common Pilot Channel) העיקרי מ-UMTS.
טבלה 1. בדיקות מאפייני משדר RF של תחנות בסיס
TS 36.141 subclause Test case
6.2 Base station output power
6.3.1 Resource Elements (RE) Power control dynamic range
6.3.2 Total power dynamic range
6.4.1 Transmitter OFF power
6.4.2 Transmitter transient period
6.5.1 Frequency error
6.5.2 Error Vector Magnitude (EVM)
6.5.3 Time alignment between transmitter branches
6.5.4 Downlink reference signal power
6.6.1 Occupied bandwidth
6.6.2 Adjacent Channel Leakage Power Ratio (ACLR)
6.6.3 Operating band unwanted emissions
6.6.4 Transmitter spurious emissions
6.7 Transmitter intermodulation
מאפייני מקלט
מקרי המבחן של בדיקות ההתאמה של מאפייני מקלט מפורטים בטבלה 2. ראוי לציון מבחן סלקטיביות ה-in-channel (תת סעיף 7.4). באופן ייחודי ל-OFDMA, הוא בודק את יכולת המקלט לשמור על קצב העברה ספציפי בהקצאה בצד אחד של ה-DC subcarrier כאשר ישנה נוכחות של אות גדול יותר בצד הנגדי. המבחן בודק נוכחות של עיוות IQ
(IQ distortion) במקלט והינו ההופכי של דרישת UE transmitter IQ image עבור פליטות in-band.
טבלה 2. בדיקות מאפייני מקלט RF של תחנות בסיס
TS 36.141 subclause Test case
7.2 Reference sensitivity level
7.3 Dynamic range
7.4 In-channel selectivity
7.5 Adjacent Channel Selectivity (ACS) and narrow-band blocking
7.6 Blocking
7.7 Receiver spurious emissions
7.8 Receiver intermodulation
דרישות ביצועים
טבלה 3 מפרטת את מקרי המבחן של בדיקות ביצועים של תחנות בסיס המוגדרות נכון לעכשיו ב-TS 36.141. שים לב שאלה מייצגים רק חלק מהדרישות המפורטות ב-TS 36.104 תת סעיף 8.
טבלה 3. בדיקות ביצועי RF של תחנות בסיס
TS 36.141 subclause Test case
8.2.1 Demodulation of PUSCH in multipath fading conditions
8.2.2 Performance requirements for UL timing adjustment
8.2.3 Performance requirements for HARQ-ACK multiplexed on PUSCH
8.2.4 Performance requirements for High Speed Train conditions
8.3.1 ACK missed detection requirements for PUCCH format 1a
8.3.2 CQI missed detection for PUCCH format 2
8.3.3 ACK missed detection for multi-user PUCCH format 1a
8.4.1 PRACH false alarm probability and missed detection
מודלים של בדיקות downlink
בדיקות ההתאמה של משדרי תחנות בסיס מבוצעות באמצעות תצורות downlink הידועות כ-E-TM (E-UTRA Test Models). קונספט זה הגיע בירושה מ-UMTS למרות שכל דמיון מסתיים בנקודה זו. משמעותו של הטבע הגמיש מאוד של תכנית מודולציית ה-OFDMA של ה-downlink היא שנדרש מספר גדול של פרמטרים כדי להגדיר במלואו אות כלשהו. בחינה של הגדרת ה-E-TM ב-36.141 תת סעיף 6.1.1 מראה בבירור עד כמה מורכב יותר מבנה אות ה-LTE הפך להיות.
מוגדרות שלוש קבוצות נפרדות של מודלי בדיקה: E-TM1, E-TM2 ו-E-TM3. לקבוצה הראשונה והשלישית יש בנוסף תת קבוצות. לכל מודלי הבדיקה יש את התכונות הבאות:
– מוגדר עבור פורט אנטנה יחיד, codeword יחיד, שכבה יחידה ללא precoding
– משך של frame יחיד (10 מילי שניות)
– תחילית מעגלית רגילה (normal cyclic prefix)
– בלוקי משאבים ווירטואליים לוקאליים, ללא intra-subframe hopping עבור PDSCH
– אותות ייחוס ספציפיים לתא בלבד; ללא שימוש באותות ייחוס ספציפיים ל-UE
תוכן הנתונים של ה-PDSCH נוצר מסדרה של אפסים המעורבלים תוך שימוש בקוד גולד באורך 31 בהתאם ל-
[TS 36.211 [3, דבר המבוצע גם עם אותות הייחוס ואותות הסנכרון הראשיים והמשניים. הערוצים הפיסיים PBCH, PCFICH, PHICH ו- PDCCHהינם כולם בעלי הגדרות מפורטות. לכל E-TM, כל אות פיסי וערוץ פיסי מוקצים לתוך הערוץ בהספק ספציפי היחסי להספק של אות הייחוס. ישנם שישה מיפויים שונים עבור כל E-TM כדי להתחשב בששת קצבי הנתונים השונים לערוץ. עבור ה-E-TMs אשר משתמשים בהגברת הספק (power boosting) או de-boosting, טבלה נוספת מפרטת עבור אילו רזולוציות קצב נתונים ישימים ה-power boosting/de-boosting כפונקציה של רוחב הפס של הערוץ.
כל E-TM מוגדר לשימוש ספציפי בהתאם לטבלה 4.
טבלה 4. מיפוי מודל בדיקות E-UTRA למקרי מבחן
E-TM Notes Test case
E-TM 1.1 Maximum power tests Output power, occupied bandwidth, ACLR, operating band unwanted emissions, transmitter spurious emissions, transmitter intermodulation, reference signal absolute accuracy
E-TM 1.2 Includes power boosting and de-boosting ACLR, operating band unwanted emissions
E-TM 2 Minimum power tests Total power dynamic range (lower OFDM symbol power limit at min power, EVM of single 64QAM PRB allocation (at min power), frequency error (at min power)
E-TM 3.1 Total power dynamic range (upper OFDM symbol power limit at max power with all 64QAM PRBs allocated), frequency error, EVM for 64QAM (at max power)
E-TM 3.2 Includes power boosting and de-boosting Frequency error, EVM for 16QAM
E-TM 3.3 Includes power boosting and de-boosting Frequency error, EVM for QPSK
תצורת E-TM3.3 של 3.5 מגהרץ נוצרת על ידי תוכנת יצירת האותות Signal Studio של Agilent, ולאות נוסף קיצוץ משרעת (amplitude clipping) על מנת להדגיש את האימפקט שיש לעיוות מסוג זה על EVM לעומת זמן לאורך ה-subframe. מדידה של אות זה באמצעות תוכנת נתח האותות הווקטורי A89601 של Agilent מוצגת בתרשים 1. השינוי ב-EVM לעומת זמן נראה ב-trace הימני העליון.
תרשים 1. ניתוח של E-TM3.3 עבור 5 מגהרץ
ערוצי ייחוס קבועים של uplink
בדיקות המקלט והביצועים של תחנת הבסיס של LTE מבוצעות תוך שימוש ב-FRCs (Fixed Reference Channels – ערוצי ייחוס קבועים) באופן הדומה ל-UMTS. ה-FRC של תחנת הבסיס הינו דומה ברעיון לערוצי הייחוס של המדידה בהם משתמשים בבדיקות UE. ברוב המקרים הם אותות single-ended אשר ניתן ליצור במחולל אותות ללא צורך במשוב זמן אמיתי כלשהו.
טבלה 5. פרמטרי FRC לדרישות ביצועים (64QAM 5/6) מ-TS 36.141 טבלה A.5-1
Reference Channel A5-1 A5-2 A5-3 A5-4 A5-5 A5-6 A5-7
Allocated resource blocks 1 6 15 25 50 75 100
DFT-OFDM Symbol per sub-frame 12 12 12 12 12 12 12
Modulation 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM 64QAM
Code rate 5/6 5/6 5/6 5/6 5/6 5/6 5/6
Payload size (bits) 712 4392 11064 18336 36696 55056 75376
Transport block CRC (bits) 24 24 24 24 24 24 24
Code block CRC size (bits) 0 0 24 24 24 24 24
Number of code blocks – C 1 1 2 3 6 9 13
Coded block size including 12bits trellis termination (bits) 2220 13260 16716 18444 18444 18444 17484
Total number of bits per sub-frame 864 5184 12960 21600 43200 64800 86400
Total symbols per sub-frame 144 864 2160 3600 7200 10800 14400
הדוגמה של QAM64 המוצגת בטבלה 5 משתמשת בקצב קודים של 5/6, המיועד לבדיקת דרישות קצב ההעברה הגבוה יותר. עבור מקרה ה-100 RB של A5-7, ישנן 86,400 סיביות פר subframe של מילי שנייה אחת, כשזה מסתכם בקצב העברה מקסימאלי של 86.4 מגה-ביט לשנייה. דרישות ביצועי תחנת הבסיס שנמדדו תחת תנאי fading יתבססו על הגעה לאחוז מסוים מקצב ההעברה המקסימאלי תחת תנאים ספציפיים. דוגמה מתוך TS 36.141 טבלה 8.2.1.5-6 מראה כי מקלט eNB דו-ערוצי הפועל בערוץ A רגיל עם דופלר של 5 מגהרץ נדרש להגיע ל-70% מקצב ההעברה המקסימאלי של A5-7 FRC כאשר ה-SNR הינו מעל 19.7 dB.
מגבלות של בדיקות התאמה
עבור כל טכנולוגיה מבוססת-תקנים, המטרה של בדיקות התאמה היא להבטיח שכל ההתקנים – תחנות בסיס וציוד משתמש – יקיימו רמה מינימאלית של ביצועים. אף על פי שהרשימות של בדיקות התאמה עשויות להיראות גדולות, עדיין יש צורך בבדיקות אחרות. למשל, חקירה יסודית יותר של performance margins הינה חשובה מכיוון שבדיקות התאמה מספקות תוצאות עבר/נכשל ללא ציון מידת הקרבה של המוצר לגבול ספציפי. בדיקות התאמה של LTE הינן מתוכננות בעיקר להבטיח שמנגנוני התעבורה שבבסיס הרשת הינם במקומם כדי לבצע שירותים של משתמשי קצה, כך שברמה גבוהה יותר תידרשנה בדיקות של יישומים. בדיקות operator acceptance הינן שלב נוסף בתהליך וכוללות בדיקות נוספות המתמקדות במשתמש. לכן בדיקות התאמה הינן שלב חשוב וחיוני בכיוון של פריסה מוצלחת של מערכת חדשה, אך בשום פנים אין הן ההתחלה או הסוף של תהליך הבדיקות.
אודות המחברים
מוריי ראמני (Moray Rumney)
מוריי ראמני הצטרף ל- Hewlett-Packard/Agilent Technologiesב-1984 לאחר השלמת תואר בוגר במדעים (BSc) באלקטרוניקה מ- Heriot-Watt Universityשבאדינבורו. מאז, מוריי נהנה מקריירה מגוונת שכללה הנדסת ייצור, פיתוח מוצר, הנדסת יישומים ולאחרונה שיווק טכני. המיקוד העיקרי שלו הינו הפיתוח ותכנון המערכת של אמולטורי תחנות בסיס המשמשים לפיתוח ובדיקות של טלפונים סלולאריים. מוריי הצטרף ל-ETSI ב-1991 ול-3GPP ב-1999 בהם הוא תרם תרומה משמעותית לפיתוח של בדיקות אישור דגמים ל-GSM ו-UMTS. כעת הוא מייצג את Agilent ב-RAN WG4, מפתח את הממשק האווירי עבור HSPA+ ו-LTE. מוריי פרסם מאמרים טכניים רבים בתחום של תקשורת סלולארית והינו נואם קבוע ויושב ראש בוועידות של התעשייה. הוא חבר ב-IET ומהנדס מוסמך.
הירושי יאנאגאווה (Hiroshi Yanagawa)
הירושי יאנאגאווה קיבל תואר בוגר במדעים (BSc) בהנדסת תקשורת מ-Shibaura Institute of Technology, יפן ב-1985. לאחר מכן הוא הצטרף ל-Hewlett-Packard/Agilent Technologies והחזיק במשרות שונות בתחום ההנדסה במשך 23 השנים האחרונות. הירושי עבד כמהנדס שיווק עבור מכשירי מדידות עכבה (impedance) במשך חמש שנים ואז עבר להנדסה של פתרונות custom. במהלך זמן זה הוא פיתח מערכות בדיקה של תחנות בסיס ומכשירים סלולאריים אנלוגיים ודיגיטליים כמהנדס מערכת. עתה הוא מתכנן מערכת בדיקות לאימות תכנוני LTE.
סימוכין
[1] 3GPP TS 36.141 V8.1.0 (2008-12) Base Station (BS) Conformance Testing
[2] 3GPP TS 36.104 8.4.0 (2008-12) Base Station Radio Transmission and Reception
[3] 3GPP TS 36.211 V8.5.0 (2008-12) Physical Channels and Modulation
הערה: מסמך זה פונה לגברים ולנשים כאחד ומנוסח בלשון זכר מטעמי נוחות בלבד.
