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一種手持式NB-IoT終端綜合測試儀的設計與實現*

作者:王先鵬 (中電科思儀科技股份有限公司,青島 266555)時間:2021-07-14來源:電子產品世界收藏


本文引用地址:http://www.pfaennle.com/article/202107/426883.htm

摘要:隨著5G技術的成熟與快速發展,推動了窄帶技術的長期演進。由于具有廣覆蓋、高密度、低功耗、低成本等特點,終端獲得了大量應用,終端信號分析也就成為了終端一致性測試的關鍵。本文在分析NB-IoT終端測試協議基礎上,提出了一種手持式NB-IoT終端綜合測試儀設計方法,集成了終端的多種測試功能,提高了NB-IoT終端在生產測試中的測試效率。測量結果驗證了所提方法的有效性。

*基金項目:中國電科集團發展資金項目,5G專網多通道基站

0   引言

隨著5G 技術的成熟與快速發展,推進了窄帶NB-IoT 技術的長期演進。在3GPP R14、R15 和R16b 版本中,作為低功耗廣域技術,NB-IoT 技術的演進和升級[1-2],使之進入了5G 候選技術集合[3]。作為物聯網通信標準之一,NB-IoT 技術支持廣泛的新物聯網設備連接和服務,有利于實現物聯網設備的大規模部署和低成本、低功耗、長電池使用壽命方案的實施。它具有廣覆蓋、高密度、低功耗、低成本等特點,又能基于現有蜂窩基站基礎設施實現大量物聯網設備的互聯互通,在智慧城市建設、工業自動化、智能交通、智能家居和數字醫療等領域得到了大量應用[4-6]。由于基于NB-IOT 技術的物聯網設備的大規模部署、種類繁多的物聯設備和低成本要求,對這些設備的各種測試提出了很高的要求,測試的復雜性也隨之增加。

對于NB-IOT 終端設備的測試主要分為NB-IOT 協議一致性測試、NS-IOT 測試、RRM 一致性測試、射頻RF 指標測試、功耗測試、互操作性測試、OTA 測試和產線測試等。文獻[7-8] 基于TTCN-3 技術提出了NB-IoT 終端射頻一致性測試平臺,僅能滿足協議棧的一致性測試和實驗室驗證。如何滿足不同種類NB-IoT終端設備的低成本高效測試已成為一個亟待解決的難題。目前國外主流儀表生產廠商都是基于現有儀表硬件架構,通過NB-IoT 軟件升級包的形式支持測試,因此其低成本的優勢也就不再顯現;國內儀表廠商對于NBIoT測試的儀表功能單一。綜上所述,本文針對NBIOT終端設備提出了一種低成本、手持式、支持多功能測試的終端軟硬件設計方法和實現技術。

作者簡介:王先鵬(1986—),男,通信作者,碩士,工程師,主要研究方向:5G NR/LTE移動通信測試系統開發,e-mail:wangxianpeng86@163.com。

1   NB-IoT終端綜測軟硬件設計

1.1 硬件平臺設計

由于NB-IoT 終端具有低功耗、低成本等特點,所以NB-IoT 終端綜測硬件平臺需要一個高指標,低成本的射頻前端模塊、高效的數據處理模塊和協議棧模塊以及低功耗分析檢測模塊。綜合考慮多方面因素,本文提出了一種硬件總體設計方案,結構如圖1 所示。

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圖1 NB-IoT終端綜測議硬件結構框圖

射頻模塊由射頻發射通道、射頻接收通道、收發本振、射頻開關矩陣和時基參考板構成,實現射頻信號與中頻信號的相互轉化。射頻開關矩陣使用NB-IoT終端產線的自動化快速測試方法,而一般單臺儀表的標配為一個收發合路的天線模塊。射頻頻率范圍為(70~6 000)MHz。中頻處理模塊由FPGA+ARM 結構組成,FPGA 實現下行信號的發送和上行信號的采集分析,ARM 實現線程調度、數據分析、與人機接口通信以及整機狀態維測管理等;協議棧模塊負責NB-IoT 信令流程交互控制;功耗分析模塊實現對終端的電流分析。

NB-IoT 下行采用OFDMA 技術,占用帶寬200 kHz,實際占用180 kHz,兩邊各有10 kHz 的保護帶寬,在LTE Inband 部署時相當于1 個RB。下行子載波帶寬15 kHz。NB-IoT 上行則采用SC-FDMA 技術,有3.75 kHz和15 kHz 兩種帶寬。鑒于射頻硬件和FPGA+ARM 構成的數據處理模塊的通用性(例如支持LTE 測試),中頻處理單元采樣率設為30.72 Mbit/s,分析帶寬為30.72 MHz。中頻信號處理單元將中頻信號通過A/D 模數轉換器變成數字信號,且FPGA 可以采用中頻功率或者幀同步實現終端上行信號的同步。

1.2 軟件架構設計

根據硬件架構以及支持的功能劃分,NB-IoT 終端軟件架構如圖2 所示。

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圖2 NB-IoT終端綜測儀軟件架構圖

從圖中可以看出,軟件部分主要包含中頻和射頻邏輯處理模塊、驅動模塊、ARM 中的業務調度模塊、數據處理模塊、統計分析模塊、TCP 通信模塊、協議棧和人機/ 自動化接口等。NB-IoT 物理層的數據分析由FPGA 完成實時IQ 數據的采集、解調和計算,ARM 進行業務調度,同步實現數據處理和統計分析。協議棧模塊僅在進行NB-IoT 協議測試(信令模式)時才被激活,與FPGA 中物理層實時處理單元構建一個完整的上下行通信鏈路。

2   測試結果

本文選擇NB-IoT 終端進行非信令模式下射頻指標測試。中心頻率1 GHz 作為測試例,模式設置為DL FDD Stand-alone,觸發模式為中頻功率觸發,相關參數配置按照3GPP TS 36.101、3GPP TS 36.521 協議中規定進行設置[9-10],具體測試結果如圖3 所示。

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圖3 NB-IoT射頻指標非信令測試結果

圖3 中顯示與NB-IoT 終端上行信號同步成功,并從時域、頻域和解調域3 個方面對終端上行信號進行了分析,包括:EVM、星座圖、頻譜、時域功率和資源分配表等。

3   結束語

本文針對NB-IoT 的特點和測試需求,提出的硬件平臺設計方法可以實現NB-IoT 的信令與非信令測試,通過8T8R 功分模塊實現產線多終端自動化并行快速測試。本文所提出的設計方案實現了單臺NB-IoT 終端綜測儀集協議測試、射頻指標測試、RRM 測試的一體化,在生產測試和內外場測試中顯著提高測試效率,降低了成本。

參考文獻:

[1] 解運洲.NB-IoT標準體系演進與物聯網行業發展[J].物聯網學報,2018,2(1):76-87.

[2] 黃宗偉.3GPP窄帶物聯網(NB-IoT)技術在R14版本中的增強[J].廣東通信技術,2019(1):14-17.

[3] 黃海峰.NB-IoT確定為5G候選技術 未來發展將加速[J].通信世界,2019(0): 5-6.

[4] 高宏宇,王鴻磊,凌啟東.基于NB-IoT的云平臺無線數據監控系統設計[J].河北軟件職業技術學院學報術,2019,21(1):10-13.

[5] 邵澤華.NB-IoT通信技術在智能燃氣表的應用[J].煤氣與熱力,2019(5):后插24-27.

[6] 李建飛,李建鑫.基于NB-IoT技術的水質監測系統設計[J].價值工程,2019(29):230-232.

[7] 王晰,李致遠.NB-IoT終端一致性測試模型設計[J].移動通信,2018,42(5):6-13.

[8] 陳發堂,周述淇,鄭輝.NB-IoT隨機接入過程的分析與實現[J].電子技術應用,2018,44(2):75-79,87.

[9] 3GPP TS 36.101 V16.8.0(2020-12);Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);User Equipment(UE) radio transmission and reception(Release 16)[S],2020.

[10] 3GPP TS 36.521 V16.7.0(2020-12);Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);User Equipment(UE) conformance specification; Radio transmission and reception (Release 16)[S],2020.

(本文來源于《電子產品世界》雜志2021年6月期)



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