LTE基站接收性能测试分析

1、2011 02 47LTE基站接收性能测试分析摘 要 分析LTE系统中PUSCH信道的HARQ技术、UE上行同步技术，PUCCH信道技术特征以及PRACH信道技术特征，并分别给出了相应的测试方案和指标要求，提出明确的测试体系要求。关键词 长期演进；性能测试；上行物理共享信道；上行物理控制信道；物理随机接入信道王湘宁中国联通研究院 北京 100032前言在L T E 基站系统中，上行物理共享信道PUSCH(Physical Uplink Shared Channel、上行物理控制信道PUCCH(Physical Uplink Control Channel和物理随机接入信道PRACH(Physi

2、cal Random Access Channel是三个十分重要的物理上行信道，其信道性能的指标直接决定了基站接收性能的优劣。本文将以3GPP TS36.141规范Chapter 8的测试过程为主线，针对涉及三个LTE上行物理信道的主要特征和关键技术进行分析，并说明如何测试这三个信道的性能。无特殊说明，本文以描述FDD-LTE基站特性为主。1 PUSCH信道关键技术分析与性能测试PUSCH信道用于上行数据的调度传输，是LTE物理层主要的上行数据承载信道，可以承载来自上层的不同的传输内容，包括控制信息、用户业务信息和广播业务信息。其中涉及PUSCH信道的关键技术主要有HARQ技术和上行时间同步技

3、术。1.1 HARQ技术为了确保数据的可靠传输，通信系统中一直使用两种差错控制方法：前向纠错(FEC和自动重复请求(ARQ技术。FEC技术效率较高，但对信道的适应性比较差，无论信道优劣，它的效率是恒定值，它只适用于没有反向信道的系统中。ARQ技术实现简单，对信道的自适应性强，但其效率是信道误码率的函数。在无线传输信道比较稳定的情况下，由于没有额外的前向纠错比特被加在基础传输数据之上，ARQ的工作效率比较高。当信道条件变差时，由于连续的重传，导致频谱资源的利用有效性变差。HARQ将两者进行组合，可以实现比FEC高得多的可靠性和ARQ的传输效率。LTE采用HARQ技术来降低系统的误码率以确保传输质

4、量，有效地克服了无线信道的时变和多径衰落对LTE信号传输的影响。HARQ不能应用到所有的业务类型。例如，广播业务需要将相同的信息发送到多个用户，所以通常不会使用HARQ机制。HARQ机制仅支持DL-SCH和UL-SCH。HARQ系统传输的信息包括三个部分，即有用数据、检错编码和FEC比特。同时，HARQ系统又分为I 型HARQ和II型 HARQ。I型HARQ在信道传输质量好的情况下，全部的传输错误将被纠正，接收机可以正确地解码。如果信道质量变差，全部的传输错误不能得到纠正的话，数据包将被丢弃，接收机要求发送端重传。II型HARQ是比较复杂的解决方案，它每次传输一个由有用数据、检错编码和FEC比

5、特组合而成的集合体，而这个集合体将会随着重传次数的不同而发生变化。也就是说，如果第一次传输的有用数据没有被正确地接收，第二次传输的集合体将包括有用数据、检错编码和FEC比特重新排列，接收端将把首次接收和二次接收的信息进行组合来进行纠错，称之为增量冗余(IR。如果能被无差错地接收，发送端将准备传输下一个数据块。在信道质量较好的情况下，I型HARQ额外增加的FEC比特明显地降低了用户的传输速率和信道利用的有效性，将使整个系统效率有一定的降低。II型HARQ使Systems & Solutions系统与方案Systems & Solutions信息通信技术 48用1/3turbo编码

6、，首次传输有用信息和检错编码将占此次传输的绝大部分比例，FEC比特占据的比例相对较小。而在后续的传输中，有用信息和检错编码的比例将逐渐减少，FEC比特占据的比例上升。具体说来，传输层把从物理层接收到的数据块进行CRC计算、块分割、信道编码后开始进行速率匹配，为了进行速率匹配，首先把编码后的数据流分成三个分量，分别交织后，把三个分量首尾连接，形成一个环形的缓存区，然后根据采用的不同RV版本和比特数目选取本次发送的比特序列。参见图11。这里所说的RV是指选择发送比特序列的不同起始位置，来自信道编码后的系统比特(包括有用信息和检错比特被交织后，放在一个环形的缓存中；校验冗余比特被交织后，也跟随系统比

7、特放在同一个环形的缓存中。环形缓存中经HARQ被传输的比特取决于RV(冗余版本，RVn目前有四种版本，分别是RV0/RV1/RV2/RV3,其传输的起始位置近似于整个环形缓存的n/4，如果信道质量比较差，在每次HARQ重传时，RV可能使用环形缓存中的全部比特；如果信道质量比较好，在每次HARQ重传时，RV可能仅使用环形缓存中的部分比特。参见图2。LTE系统使用II型HARQ，由于码率在随后的传输中反复降低，II型HARQ在信道质量较好的情况下，其信道能力与ARQ能力相当，排除了不必要的带宽损失。LTE II型 HARQ使用四种RV格式来反复传递数据直至数据包被正确接收或达到最大重传次数，如果达

8、到最大重传次数还不能被正确接收，HARQ将放弃该数据包并产生误码率。LTE HARQ采用多个进程的“停止-等待”(stop-and-wait实现方式，即对于某一个HARQ进程，在等到ACK/NACK(肯定确认/否定确认反馈之前，此进程暂时中止，待接收到ACK/NACK后，再根据是ACK还是NACK决定发送新的数据还是旧的数据的重传。一个上行HARQ的环回处理时间大约为8ms，在一个HARQ进程发出后，剩余的时间不能被浪费，必须发起其他HARQ进程，为此LTE 上行HARQ的并发进程为8个1。对于上行传输，HARQ传输为同步传输，即每个HARQ进程的时域位置被限制在预定好的位置，这样就可以通过一

9、个HARQ进程所在的子帧编号导出该HARQ进程的编号。因此，同步HARQ不需要发送额外的显性信令指示HARQ进程号，每隔8个子帧的时间，UE将重复相同的HARQ进程1。1.2 HARQ技术测试方案HARQ技术测试要求在静态传播环境(即白噪声基础之上，叠加不同的信道模型，以模拟真实的环境，来检验LTE系统在实际的复杂信道环境中，正确解调UE发送数据的能力，来验证HARQ技术的能力。信道模型主要有多径衰落传输和高速运动火车传输两种，其中多径衰落传输模型使用不同环境参数文件(徒步环境、车辆环境和城市环境和多普勒频移(5Hz、7Hz、300Hz的组合；高速运动火车传输模型主要与多普勒频移有关(开放环境

10、最大多普勒频移1340Hz、隧道环境最大多普勒频移1150Hz ，与衰落传输无关。上行参考信号模拟不同带宽和不同调制方式(QPSK、16QAM、64QAM。HARQ的取值按照表1要求，与实际LTE系统的HARQ的设计要求一致。在上述信道模拟环境的不同组合下，按图3进行测 傼 图1 速率匹配与交织过程系统与方 案图2 HARQ冗余版本2011 02 49试连接，对信号源发出的数据进行吞吐量统计，来检验LTE系统是否可以满足规定的指标要求2。1.3 UE上行同步技术信号在空间传输是有延迟的，如果UE数据传输期间远离基站，则从基站发出的信号将“越来越迟”的到达UE，与此同时，UE的信号也会“越来越迟

11、”地到达基站，延迟过长会导致基站收到的UE在本时隙上的信号与基站收其它UE信号的时隙相互重叠，引起码间干扰。因此，在LTE中，不同UE的上行信号到达eNodeB时要时间对齐，以保证UE之间上行信号的正交性，从而有助于消除小区内的干扰，这种上行传输的时间对齐是通过TA(Timing Advance命令来实现同步的。相关的同步过程包括两种，一是初始随机接入的传输时间调整，二是连接状态下的上行同步保持。对于UE在初始随机接入的传输时间调整，UE首先发送上行的PRACH前导序列，eNode B通过测量UE的前导序列，在随后的反馈消息中返回给UE. 11位的初始TA值(在0到1 282之间取值。TA调整

12、颗粒度为16Ts，即16/(15 000×2 048s。UE根据反馈消息中的初始TA值，做相应的上行时间调整N TA =T A ×16. Ts。TA的时间调整范围为00.67ms。UE在获得初始同步以后，随着时间的推移，由于信道情况的改变或者UE(以及eNodeB的时钟漂移，UE可能重新变为失步状态。为此eNodeB会周期性的为UE发送TA命令，指导UE进行上行的同步，并且eNodeB为每个UE配置了一个Time Alignment Timer，规定了TA的有效期，为此eNodeB需要在UE的能力和系统的开销之间进行折中。UE在每次接收到eNodeB的TA命令后，都将此定时

13、器重置为零。在Time Alignment Timer超时以后，如果UE未能收到任何的TA命令，那么UE认为上行已经失步，此时UE不能再进行任何的上行数据传输，而必须通过随机接入的过程来对上行的TA进行重新初始化。对于处于连接状态下的上行同步保持，UE接入到LTE系统以后，获得初始的上行同步，开始可以发送上行信号。eNodeB通过对UE上行信号(包括SRS，CQI，HARQ以及PUSCH中的数据等的时间进行测量，来决定TA的时间并在适当的时机发送相应的TA命令给UE。与初始接入相应中的TA不同，此时的TA为6个Bit，在0到63之间取值，代表现时的TA与上一个TA之间的偏移值，即：N TA,n

14、ew =N TA,old +(TA-31×16. Ts。对于收到调整命令后，UE将延时6ms,即对于在子帧N收到的TA命令，UE会在子帧N6应用相应的时间偏移3。1.4 UE上行同步技术测试方案UE上行同步技术测试主要考察移动中的UE与静止的UE各自发送的信号同步到达基站的能力，其中静止UE发送的信号为时间参考基准。如果移动UE发送的信号在一定误差范围内正确地被基站接收，则说明基站给移动的UE发送的TA命令起到了效果，克服了因信号到达不同步而产生的误码现象。测试方案要求在静态传播环境(即白噪声基础之上，叠加不同的信道模型，以模拟真实的环境，来检验LTE系统在实际的复杂信道环境中，正确

15、解调移动UE发送数据的能力。信道模型以多径衰落传输为主，其中多径衰落传输模型使用多普勒频移200Hz下的车辆环境参数文件；上行参考信号模拟不同带宽和不同调制方式(QPSK、16QAM。HARQ的取值按照表一要求，与实际LTE系统的HARQ的设计要求一致。在上述信道模拟环境的不同组合下，按图4进行测试连接4，对模拟移动UE信号源发出的数据进行吞吐量统计，来检验LTE系统是否可以满足规定的指标要求2。参数值最大HARQ重传次数 4RV 序列0, 2, 3, 1, 0, 2, 3, 1表1 HARQ的取值 图3 HARQ技术测试方案连接图Systems & Solutions信息通信技术 5

16、0 Resource Grant向UE发起CQI测量命令，UE把CQI测量结果通过PUSCH信道反馈给基站。如果在发送周期性的CQI子帧中恰好也要发送非周期性的CQI，那么周期性的CQI测量结果就不用通过PUCCH信道发送了，只通过PUSCH信道发送非周期性的CQI信息即可1。ACK/NACK信息用于对下行数据的HARQ反馈。2.2 上行控制信息在PUCCH信道中传输PUCCH信道中的ACK/NACK和CQI的发送将持续一个子帧(1ms,如果不能被正确接收，则可以在多个子帧中重复发送。根据PUCCH信道承载的内容不同，PUCCH信道被分成多种格式，参见表25。2.3 上行控制信息复用在PUSC

17、H信道中传输由于LTE物理层采用单载波(DFT-SOFDM作为多址方式，为了保持上行单载波的特性，LTE物理层不支持PUSCH信道和PUCCH信道的复用，即一个用户不能在一个时刻同时发送PUSCH信道数据和PUCCH信道数据，当用户有上行数据PUSCH在发送时，如果需要同时发送物理层上行控制信息(CQI、ACK，那么这些信息将与数据信息一起复用在PUSCH信道上传输，参见图56。2.4 上行控制信息传输测试方案LTE上行控制信息传输测试主要检查PUCCH信道的控制信息和PUSCH信道中的控制信息能否正确地被基站接收。测试方案要求在静态传播环境(即白噪声基础之上，叠加不同的信道模型，以模拟真实的

18、环境，来检验LTE系统在实际的复杂信道环境中，正确解调UE发送的控制信息的能力。根据2.1和2.2节所述，测试方案应分别针对PUCCH信道的不同格式和控制信息复用在PUCCH 格式 调制方式控制信息内容format 1 N/A N/A 调度请求信息(SRformat 1a BPSK 1bit ACK/NACK format 1b QPSK 2bitsACK/NACKformat 2 QPSK20bits CQIformat 2a QPSK+BPSK 21bits CQI+ACK/NACKformat 2bQPSK+QPSK 21bits CQI+ACK/NACK表2 PUCCH信道的格式每子帧

19、传送比特数系统与方案2011 02 51 图7 LTE上行控制信息传输格式Systems & Solutions1，2，3。同时，针对TD-LTE，设计了Preamble 4， 主要面向较小小区的热点覆盖，参见图8。 Subframe Subframe Subframe 当执行随机接入尝试时，UE从这64个前导序列选 择一个序列进行接入。只要小区内的其他用户不在相同 的时间里使用相同的序列，那么就不会发生接入冲突。 如果发生冲突，系统将通过后续的竞争判决过程来决定 Tcp: 101.13µs Tseq: 800µs TGT : 96.88µs Preamb

20、le Format 0 Tcp: 684.38µs Tseq: 800µs Preamble Format1 TGT: 515.63µs 谁是“胜利者”。 系统与方案 3.2 PRACH信道性能测试方案 Tseq: 1600µs TGT: 196.88µs Tcp: 203.13µs 测试方案要求在静态传播环境(即白噪声基础之 TGT: 715.63µs Preamble Format 2 Tcp: 684.38µs Tseq: 1600µs 上，叠加不同的信道模型，以模拟真实的环境，来检验 LTE系统在

21、实际的复杂信道环境中，正确解调UE发送 的前导序列的能力。根据3.1节所述，测试方案应分别 针对PRACH信道前导序列的不同格式来进行，连接方 案按图六进行测试连接2。 不同的信号格式如图8所示，要求模拟的preamble 0格式信号每1ms发送一次，共发送1000次，总计1s统 计时间；模拟的preamble1和preamble2格式信号每2ms 发送一次，共发送1 000次，总计2s统计时间；模拟的 preamble3格式信号每3ms发送一次，共发送1000次， 总计3s统计时间。 另外，全部格式的preamble序列移位以50%的 Ncs(循环移位长度为起点,进行连续调整,每一个 Pre

22、amble移位较前一个Preamble移位增加0.1微秒,连 续增加9次,直到增加0.9微秒.然后timing offset恢复到 50%的Ncs，随后反复进行。全部格式的Preamble前导 序列正确检测概率应大于99%。 Preamble Format 3 图8 PRACH信道前导序列格式 格式1和格式3使用了较长的CP，适用于小区半径 较大的情况。格式2和格式3中重复的前导序列，适用于 路损较大的小区环境。格式0占据一个子帧的长度，格 式1和格式2占据两个连续子帧的长度，格式3占据3个连 续子帧的长度。从图8可以看出，PRACH信道中的CP 和前导序列并没有占满整个子帧的时间，剩余的部分

23、即 为保护时间(Guard Period。具体参数详见表35。 表3 Preamble格式参数值 Preamble 子帧数 格式 0 1 2 3 4 1 2 2 3 UpPTS CP长度/ s 103.13 684.38 203.13 684.38 14.58 序列长 GT长度/ 小区半径/ s 度/s km 800 800 1600 1600 133.33 96.88 515.63 196.88 715.63 9.8 14.53 77.34 29.53 100.16 1.41 PRACH信道中前导序列是由一个或多个ZC序列的 根序列经过循环移位生成的，通过广播信息SIB2中的参 数rootS

24、equenceIndex(在0到837之间取值来广播第一个 ZC根序列。对根序列按一定的循环移位长度(Ncs进行 位移，生成相应的PRACH前导序列。在LTE基站小区 中，网络侧配置小区内可以使用的前导序列，每个LTE 小区有64个前导序列。由于PRACH上行传输的不同步 以及不同的传输延迟，相应的循环移位之间需要有足 够的间隔，并非所有的循环移位都能够作为正交序列使 用。如果可用的循环移位的前导序列数目不够64个，则 按一定的规则选择下一个ZC根序列，通过循环移位生 成新的PRACH前导序列5。 1 沈嘉,索士强,全海洋,等.3GPP长期演进(LTE技 术原理与系统设计M.北京:人民邮电出版

25、社， 2008.11 2 3GPP. TS 36.141 V10.1.0. Evolved Universal 4 结束语 LTE基站接收性能测试是LTE基站测试中重要的一 环，在分析了该测试所涉及的关键技术和测试方法后， 希望能为读者提供一个较为清晰的架构，对今后的实际 测试工作提供必要的帮助。 参考文献： 52 信息通信技术 Terrestrial Radio Access(E-UTRA ; Base Station(BS conformance testing(Release 10S/OL.(2010102011-03-11. p-139489207.html 3 3GPP. TS 36.213 V10.0.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA; Physical layer procedures(Release 10S/OL.(2010-10 2011-03-11. a660d10af78a6529647d5398