長程演進計畫(LTE)為第八版第三代合作夥伴計畫(3GPP Release8)中的一部分，已於2009年3月時定義完成。LTE已被視為現有全球行動通訊系統(GSM)、寬頻分碼多重存取(WCDMA)、高速封包存取(HSPA)及CDMA2000/Ev-Do Rev A.等行動通訊技術的進階版本。LTE承諾使用者擁有更高的傳輸速率、更大的網路容量以及行動網路中更短的延遲時間(Latency)。
LTE除了讓系統營運商將原有的服務，如瀏覽網頁、線上遊戲、影音串流等變得更有效率及更便宜之外，還會開發出更多行動通訊服務。截至目前為止，全世界已有二十四個國家，超過五十一個系統營運商宣布要在他們的網路中實現LTE的計畫。2010年將會有更多的商用LTE網路即將營運。因此，各家廠商皆已針對LTE開始廣泛性的測試：從實驗室、終端產品、到小規模的網路實地測試。當然，大型測試網路及首批LTE終端產品也已經開始進行實際測試。
到底此一新科技須符合哪些要求？如何在實驗室的環境下藉由合適的測試來評鑑LTE的效能？本文前半部將專注於LTE與現有科技之不同之處，後面的章節中將說明如何針對LTE的基礎網路建設及使用者終端設備在不同開發階段中的效能做評估。
LTE延續3GPP發展軌跡 測試需求同中存異
LTE是3GPP在現有技術的基礎下所發展出來。因此，不難發現，雖然有許多不同的地方，但LTE還是有許多與現有科技相同之處，特別是與封包導向服務為主的HSPA相比。
在LTE中，如同HSPA從基地台到使用者終端設備(UE)傳送之資料的資源分配，仰賴於終端設備的快速回饋模式(Fast Feedback Mode)。UE確定了傳輸頻道中的品質，同時通知基地台去分配該品質下所能獲得之最大的資源。與HSPA最大不同之處是，LTE的時間傳輸間隔(TTI)為1毫秒(ms)，而HSPA及WCDMA分別是2毫秒及10毫秒。
LTE與現今3GPP的標準最主要的差別是在於空中介面(Air Interface)中所採用的技術。這包括了正交分頻多重存取(OFDMA)(圖1)，及多重輸入多重輸出(MIMO)。除此之外，LTE是在相當平坦，以網際網路通訊協定(IP)為基準的網路架構中工作。由於OFDMA技術賦予LTE粒狀資源分配的能力，因此LTE採用了大量的窄頻子載波，其頻寬僅15kHz，再加上最大頻寬20MHz與同時可以支援四支收發天線(4×4)的能力，使得LTE得以滿足高傳輸速率及高網路容量的要求。
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| 圖1 LTE中的OFDMA調變 |
另外，LTE也大大的簡化了邏輯頻道與實體頻道的對應。共享頻道(Shared Channel)已經取代了專用頻道(Dedicated Channel)。而為了系統的簡化，也減少了MAC層與RRC狀態的數目。相對來講，LTE增加了通訊協定中的多工處理數，同時藉由MIMO的技術也可以將多工資料串流結合起來。
此外，加密的功能也同時做了改變，在LTE中，基地台(eNodeB)及行動管理實體(MME)使用了不同的金鑰。這意味著在封包資料匯聚協定(PDCP)層及非存取(NAS)層的資料都被加密了。這也是LTE與WCDMA的主要不同之處，WCDMA的NAS層並沒有被加密。這點對於連線有著相當廣泛的影響，如何將LTE整合到現有的網路上也是相當重要的議題。
從研發邁向量產 LTE測試項目環環相扣
由於LTE是備受矚目的4G技術，因此許多LTE產品開發人員，一直承受著相當大的時間壓力。這樣的現象在LTE的核心規範還沒有完成時就相當明顯。設備製造商會根據他們自己的設想，增加當時還沒有完成的規範，並實作他們自己的協定『方言』。其目的當然是搶先展示其LTE的研發實力，並且能從中獲利。截至目前為止，LTE的規範已大致底定到一個程度，如今的挑戰便是如何減少開發的時間，使LTE產品更快速地進入市場。
在大部分的情況下，LTE會和現今科技如WCDMA、CDMA2000及GSM整合到每一個用戶的終端設備中。因此，大量的換手(Handover)測試將成為不可避免的測試項目之一。除此之外，LTE的終端設備也同時必須支援非手機的標準，如無線網路(Wi-Fi)、全球衛星定位系統(GPS)及藍牙(Bluetooth)，補足手機通訊標準之外之廣泛需求。
理想上，手機開發過程中，開發人員追尋一種可重複使用之模組化的方式，讓不同的步驟可同時完成。事實上，不同的元件必須在開發過程中越早測試越好，如此才能減少在整合時潛在的錯誤，並同時避免在接下來的路測中可能會產生的問題。因此，量測的設備必須擁有針對各個開放系統互連(OSI)層或不同功能的模組，分開測試或是略過的能力。舉例來說，如何單單靠軟體在基頻晶片上的虛擬環境，做各項載入功能之測試，而非必須靠硬體完全實現後才能測試。
另一個LTE研發的重點是針對上傳及下載的資料傳輸速度上支援的能力。如同在HSPA與HSPA+中，使用者終端設備有著相當可觀的要求。為了要評估這方面的效能，製造商必須要能夠在不同層，如射頻鏈路控制(RLC)及媒體存取控制(MAC)中評估ACK/NACK的測試。規範中的資料速率可藉由不同的MIMO模式所達成。
因此，測試設備必須支援這些模式。測試設備除了必須擁有連接多支天線的能力之外，同時必須能夠模擬衰減頻道，如此才有可能測試在實際狀況下接受器的功能。在LTE中，可調整的頻寬，以及已定義的十七個不同區域之頻段，增加了所須支援測試的寬度。同時，另一方面，仍然存在著某些限制。例如在收發頻率相差很少的情形下，做高頻寬及高頻段時不同功率大小的測試。
由於LTE的高複雜性，同時也須要做經常性的退化測試。舉例來講，日常的軟體測試或是在實際訊號環境下做持久性的測試。配備著先進的自動化及遙控能力的測試設備，將會使得上述的測試更加簡單而有效率。如今的測試已不僅限於驗證待測物是否正確的按照規範完成；更進一步已延伸到測試模組，在面對多變的規範要求時的穩定性及耐用程度。
在研發的最後階段便是在已認證的測試系統上做一致性測試(Conformity Testing)，也就是從3GPP的認證測試規範中挑選出一定數量的測試項目，在最終完成的待測物中進行測試。然而，並不像功能性測試，這樣的測試會針對個別的通訊協定層以及所需的射頻效能進行驗證。LTE用戶終端從開發到量產各階段所須進行的測試如圖2。
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| 圖2 在LTE手機開發階段中模組及整合的測試 |
收發器測試為LTE研發重頭戲 ACLR/帶內散射要求嚴
除了單純的射頻功能性測試，也就是以訊號產生器以及訊號分析器為主的測試之外。結合的射頻連線測試也同樣很重要。在後續的測試中，待測物的收發器同時都透過連線時的各通訊層進行測試。
測試時，模擬使用實際通訊過程中的連線步驟─也就是模擬實際的通訊環境，在可能的干擾訊號及連續操作的情形下進行測試。最主要並不是測試實際連線的步驟，而是藉由連線的過程去測試整個元件在實際連線時的最終效能。當然，接收器與發射器的測試同時也可分開進行測試。
在發射器的測試中，不同的量測方法都會被應用。首先，LTE的訊號會跟其他通訊科技相同，會進行功率與錯誤向量密度(EVM)量測。其次，在LTE及WCDMA中基於應用設定(Profile)的廣泛步驟，如功率控制等也同時要求被驗證。許多測試與已知的測試步驟也許類似，但在LTE中相對來講會複雜許多。以頻譜量測為例，由於LTE及WCDMA操作的頻帶相當接近，因此UE在鄰近頻帶的發射功率絕對不可超過LTE或WCDMA的測試限制。為了做這方面的測試，LTE標準對鄰近通道洩漏功率比(ACLR)(圖3)這項參數的要求相當嚴謹，以避免鄰近WCDMA及LTE系統的干擾。
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| 圖3 LTE訊號的鄰近通道洩漏功率比測試 |
在LTE中，因為採用OFDM，能夠使用以TTI為基準的資源區塊(Resource Block)分配，而產生了在測試要求上重大的改變。在量測儀器上要能夠很彈性地更改上傳及下載時所要求的分配表(Assignment Table)及排程參數(Scheduling Parameter)，並且能將這些分配表及參數送至UE。同時，資源區塊的正確分配以及UE的發射特性必須在上傳時被確認(圖4)。
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| 圖4 量測中展示部分的資源區塊的分配 |
假設同時間在可用的頻寬上有多部UE使用，帶內散射(In-band Emission)將是一項必須量測的參數，以斷定UE是否符合上傳時資源分配及傳送功率的要求。如此可以確保UE在分配的資源區塊外不會被其他上傳訊號干擾。量測儀器若可彈性地設下限制並檢驗，將可以大大簡化測試(圖5)。
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| 圖5 在資源區塊中的發射功率 |
由於可以做廣泛的資源區塊分配，所以可以做很多的測試。這些測試結果是根據在時域/頻域上資源區塊在大小及位置上廣泛的分配。有些射頻效能的缺陷只會在某些資源分配位置上產生影響。
在多重子載波(Multiple Subcarriers)上發射功率的分布將導致個別子載波的功率差別。而在子載波上的傳送功率可藉由頻譜平坦度(Spectrum Flatness)檢驗。如此可以讓使用者在相當精準的情況下辨別出可能的波動(Fluctuation)。
在接受器測試中，以本地(Localized)ACK/NACK為基準的區塊碼錯誤率(BLER)測試方式被用在MAC層中。這種用來分析上傳訊號的方式和HSPA相當類似。藉著LTE中MIMO的技術，如何在下載訊號中應用不同的衰減特性來做檢驗是關注的焦點。
為減少開發的時間與費用，模擬靜態衰減特性(Static Fading Profile)的靜態頻道模型被應用，而非動態衰減特性。如此可以利用上述提到的BLER測試方式來分析接受器的特性。同樣地，在HSPA，下載訊號是在衰減以及加性高斯白雜訊(AWGN)作測試。在LTE中，由於頻帶內或是頻帶外有許多其他技術所造成的干擾，所以須進行更廣泛的Blocking及鄰近頻道測試。
另外，用來調整連線參數，並讓UE接受訊號最佳化的通道品質指標(CQI)，如同在HSPA中，也是相當重要的參數。許多數值會影響到LTE中的品質，包含第一級和第二級的通道品質指標值，以及預先編碼的矩陣指示(PMI)與層級指示(RI)。在實際連線的測試過程中，在測試設備中動態地變化這些參數可以幫助節省時間。
在測試UE時，測試人員須測試分配在上傳訊號的資源區塊，以確認發射器的RF訊號。理想上來說，用來計算發射器量測的資料應該來自於測試樣品並且同時可以在很清楚結構化的形式中表現出來(圖6)。
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| 圖6 以多重量測模式下所有量測的數據資料 |
通訊協定測試首重效能測試
在現今LTE所有的終端設備中，與個人電腦(PC)搭配使用的各種無線網路卡，是最早商品化的產品型態。當初推行LTE的最主要動機便是針對資料傳輸服務的部分，暗示著在語音或是SMS的文字訊息的傳輸重要性相較起來較低。無論如何，在通訊協定及量測系統方面，資料傳輸服務的要求絕對比聲音服務要多很多。
在LTE中，只存在著封包交換(Packet Switch)的方式，已沒有電路交換(Circuit Switch)的方式。一旦電源開啟並且註冊成功後，終端設備即刻就一直處在開啟的狀況下，並且能同時在上傳或是下載中發出傳送資料的要求。這表示著橫跨在OSI每一層的功能性測試，總是需要量測設備來提供藉由使用者平面(U-Plane)傳送資料的服務。
行動設備的效能是與終端使用者息息相關的。傳輸速度有多快？開始服務的延遲時間為多少？當接收能力變差時，效能會衰減到什麼程度？行動終端設備在不同的基地台間是否保證能工作無誤？
為了要找尋這些問題的答案並且優化終端設備，並不只是去確認連線的步驟或在IP層所量到的值，而是去分析在哪一個通訊協定層中造成了傳輸速度的瓶頸所在。例如哪一層造成了沒有必要的重傳？為什麼BLER在某些情況下會增加？除了驗證連線步驟之外，對於通訊協定測試以及量測設備而言，這些問題都必須要有能力回答。因此，傳統的應用測試以及通訊協定測試間的界線變的越來越模糊了。
如果在研發的過程中每一個單一的模組都要做測試，那麼量測設備就必須要提供必要的介面。在過去，一般而言都是必須藉由射頻與UE做連結，然而今日提供基頻的I/Q介面卻是必須的。這是因為通訊協定的軟體一般都是工作在基頻晶片或是晶片模擬裝置(Chip Emulation)上。甚至如果實體層由模擬軟體替代，可以在沒有硬體的情形下做通訊協定層完全的測試。為了要符合上述所有要求，能夠存取到底部通訊協定層的能力是必須的。
如同前面已經提到的，LTE網路現在已逐漸開展中。在陸續開台的過程中，需要完整的連線交遞(Handover Signaling)的測試，因為要確保UE可以在不同的技術間順暢的切換。換句話說，測試設備基本上必須要有能提供現今所有科技的測試能力之外，還必須同時支援和LTE同步連線的能力。假設MIMO在提供高速資料傳輸中扮演了相當重要的角色，複雜的連線步驟和待測物回饋資訊的能力必須要被測試。
預計在2010年後半，全球認證論壇(GCF)將會對於LTE的UE開始提供認證。根據3GPP 36.521及36.523規範的測試項目，目前已經被認可了。歐洲電信標準協會(ETSI)選擇TTCN3作為撰寫這些測試項目的程式語言。WCDMA的測試項目是由TTCN2所撰寫的，而TTCN3是TTCN2的加強版。TTCN3與傳統的程式語言如C++有許多地方相似，因此易於學習。除了作為認證測試之外，TTCN3也同時被用在很多相關研發過程的領域。除了在UE上必須由GCF及PTCRB提供認證之外，網路系統營運商也同時必須得到相關的認證。這些測試就會著重在網路基礎建設以及他們所提供的行動通訊服務優化上。
LTE基地台測試走向模組化
對於網路設備商而言，如何能快速而有效率的研發LTE基地台是一個主要的挑戰。一般來講，在商用網路實際開展前，設備商們會先部署測試系統。在測試階段中，如果可能的話，這些系統會與商用平台一起在網路基礎建設中測試。這就是為何許多LTE商用網路會在2009年開始作實地場地測試。網路設備商會利用這些年架設如GSM及WCDMA基地台通訊系統相當成功的經驗，來決定在基地台研發過程中哪些測試必須要執行。表1是發射器及接收器會進行的量測項目：
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對於LTE而言，某些技術對於設備產品的開發特別重要。MIMO需要在基地台端有延伸性的天線系統，而這必須透過訊號分析儀的幫助來驗證。為了要量測從兩個發射天線出來的預先編碼的MIMO訊號，兩個資料串流必須要事先同時記錄下來。LTE在發射分支(Branch)上使用複雜的預先編碼矩陣，舉例來講，在量測例如EVM的模組參數時，同時需要兩個發射訊號的資訊。透過所謂的模組測試以及含有兩個分析器的量測設備，以主從的模式，將第一個訊號分析儀量測到的值傳送到第二個。
另外，LTE是根據共享頻道(Shared Channel)的模式，也就是頻道是同時有好幾個使用者在用。這些使用者可能是用不同的資料傳輸速率，不同的調變方式，如QPSK、16QAM或64QAM。而從基地台發射的訊號同時包含了很多元素，如使用者資訊、參考與通道評估資訊和連線資料。圖7中的範例即為這些不同的元素是如何結合在一個的合成的訊號中。
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| 圖7 eNobeB訊號的星座圖 |
除此之外，MIMO發射訊號時，須具備精準的時間同步能力。因此，在3GPP的測試規範中目前包含了一個項目確保在兩個及以上的天線發射的MINO訊號中，時間同步的精準度要到90奈秒。當做這項測試驗證時，從每一個基地台天線所發射出來的訊號將會結合起來並且送到訊號分析儀的輸入端。
在接受器的測試中，使用者須要使用標準的LTE訊號結合不同的衰減模型送到基地台的傳輸路徑中。一般來講，作測試時是採用偽隨機位元序列(PRBS)，也就是基地台如果已知PRBS的長度，即可將原本的資訊還原回來。藉由簡單的比對，錯誤率就可以被計算出來。透過這樣的方式，不同模擬傳送情況下的基地台接受器效能可以被估算出來。
由於接收器測試中包含了許多的干擾測試及傳輸路徑狀況測試，訊號產生器必須能夠產生參考訊號。如果測試設備能彈性地混合訊號而且參考頻道(Reference Channel)和特別的傳輸頻道模型(Specified Propagation Channel Model)都可以被實現，將對於測試相當有幫助，可以讓使用者快速並且彈性的設定不同的測試方案，而大大地簡化了偵錯的工作。
近幾年來，無線寬頻頭端設備(RRH)已成為基地台設計中一個重要的特徵。在這種設計中，RF的元件和基地台的放大器是位在RRH的射頻前端(RF Front-end)上而非在天線上。好處是可以減少RF訊號在連接到天線間纜線中的損耗，換句話說，可以增加基地台可用的輸出功率。基頻訊號是透過光纖送到RRH上。在WCDMA基地台中有兩個主要不同的數位介面，分別是共通公開無線電介面(CPRI)和開放基地台架構創始聯盟(OBSAI)。
除了增加設計的模組性之外，介面的標準化同時也大大地減輕了在研發階段時偵錯的工作。同時也讓不同模組商的產品能夠結合起來。另外，舉例來說，這樣的設置使得多個RRH可以同時連結到同一個基地台，來幫助建築物達到最好的覆蓋率。現在為了LTE，統一介面形式的標準化正在進行中。在基頻與射頻間的數位介面需要測試設備支援，特別是訊號產生器及訊號分析儀。這表示不同的模組，基頻或是射頻可以獨立地被驗證。因此，能夠用來將數位基頻到標準形式間轉換的測試設備模組是非常需要的。
在文章的一開始中提到LTE中快速及彈性的資源分配的議題。基地台根據不同的參數，例如網路中可用的容量分配給終端設備一定的頻道容量，如頻寬、調變形式等。基地台同時也正確的接收每一個封包，換句話說，他會告訴終端設備是否須要重傳資料封包或是繼續傳送新的封包。為了驗證基地台在做接受器測試時，控制機制是否正常運作，訊號產生器必須模擬終端使用者發射的訊號，並且提供解釋基地台回饋訊號的能力。回饋訊號是被送到訊號產生器中不同的輸入端。訊號產生器將可以即時決定是否要求重傳同一個封包或是傳送一個新的封包。
測試需求日益複雜 量測系統易用性備受考驗
雖然LTE在某些地方比前一代的技術WCDMA簡單，但是由於它結合了很多新的程序，例如在MIMO測試中，測試系統上有更嚴格的需求，使得終端設備測試變得更加複雜。一部分的測試可以從WCDMA中擷取出來，然而，無論是在射頻或是通訊協定，LTE涉及到新的量測以及大量的參數設定。
在LTE基地台測試部分，採用了更多的連結選項，舉例來說：為了做MIMO訊號的產生及分析，要利用多重路徑的方式完成。當要做與之前的技術交遞的測試時，多重技術的平台提供了非常大的好處。這對於未來都是相當重要的需求。
(本文作者任職於羅德史瓦茲)
