一種手持式NB-IoT終端綜合測試儀的設(shè)計與實現(xiàn)*

摘要：隨著5G技術(shù)的成熟與快速發(fā)展，推動了窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)的長期演進。由于具有廣覆蓋、高密度、低功耗、低成本等特點，NB-IoT終端獲得了大量應(yīng)用，NB-IoT終端信號分析也就成為了終端一致性測試的關(guān)鍵。本文在分析NB-IoT終端測試協(xié)議基礎(chǔ)上，提出了一種手持式NB-IoT終端綜合測試儀設(shè)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(chǎn)測試中的測試效率。測量結(jié)果驗證了所提方法的有效性。

*基金項目：中國電科集團發(fā)展資金項目，5G專網(wǎng)多通道基站綜測儀

0   引言

隨著5G 技術(shù)的成熟與快速發(fā)展，推進了窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT 技術(shù)的長期演進。在3GPP R14、R15 和R16b 版本中，作為低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IoT 技術(shù)的演進和升級[1-2]，使之進入了5G 候選技術(shù)集合[3]。作為物聯(lián)網(wǎng)通信標準之一，NB-IoT 技術(shù)支持廣泛的新物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接和服務(wù)，有利于實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大規(guī)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(xiàn)有蜂窩基站基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的互聯(lián)互通，在智慧城市建設(shè)、工業(yè)自動化、智能交通、智能家居和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用[4-6]。由于基于NB-IOT 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大規(guī)模部署、種類繁多的物聯(lián)設(shè)備和低成本要求，對這些設(shè)備的各種測試提出了很高的要求，測試的復(fù)雜性也隨之增加。

對于NB-IOT 終端設(shè)備的測試主要分為NB-IOT 協(xié)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(chǎn)線測試等。文獻[7-8] 基于TTCN-3 技術(shù)提出了NB-IoT 終端射頻一致性測試平臺，僅能滿足協(xié)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(shè)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(chǎn)廠商都是基于現(xiàn)有儀表硬件架構(gòu)，通過NB-IoT 軟件升級包的形式支持測試，因此其低成本的優(yōu)勢也就不再顯現(xiàn)；國內(nèi)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(shè)備提出了一種低成本、手持式、支持多功能測試的終端綜測儀軟硬件設(shè)計方法和實現(xiàn)技術(shù)。

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(tǒng)開發(fā)，e-mail:wangxianpeng86@163.com。

1   NB-IoT終端綜測軟硬件設(shè)計

1.1 硬件平臺設(shè)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(shù)據(jù)處理模塊和協(xié)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(shè)計方案，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 NB-IoT終端綜測議硬件結(jié)構(gòu)框圖

射頻模塊由射頻發(fā)射通道、射頻接收通道、收發(fā)本振、射頻開關(guān)矩陣和時基參考板構(gòu)成，實現(xiàn)射頻信號與中頻信號的相互轉(zhuǎn)化。射頻開關(guān)矩陣使用NB-IoT終端產(chǎn)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(fā)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(jié)構(gòu)組成，F(xiàn)PGA 實現(xiàn)下行信號的發(fā)送和上行信號的采集分析，ARM 實現(xiàn)線程調(diào)度、數(shù)據(jù)分析、與人機接口通信以及整機狀態(tài)維測管理等；協(xié)議棧模塊負責(zé)NB-IoT 信令流程交互控制；功耗分析模塊實現(xiàn)對終端的電流分析。

NB-IoT 下行采用OFDMA 技術(shù)，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(dāng)于1 個RB。下行子載波帶寬15 kHz。NB-IoT 上行則采用SC-FDMA 技術(shù)，有3.75 kHz和15 kHz 兩種帶寬。鑒于射頻硬件和FPGA+ARM 構(gòu)成的數(shù)據(jù)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(shè)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(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，且FPGA 可以采用中頻功率或者幀同步實現(xiàn)終端上行信號的同步。

1.2 軟件架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)硬件架構(gòu)以及支持的功能劃分，NB-IoT 終端綜測儀軟件架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 NB-IoT終端綜測儀軟件架構(gòu)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(qū)動模塊、ARM 中的業(yè)務(wù)調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、統(tǒng)計分析模塊、TCP 通信模塊、協(xié)議棧和人機/ 自動化接口等。NB-IoT 物理層的數(shù)據(jù)分析由FPGA 完成實時IQ 數(shù)據(jù)的采集、解調(diào)和計算，ARM 進行業(yè)務(wù)調(diào)度，同步實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。協(xié)議棧模塊僅在進行NB-IoT 協(xié)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(gòu)建一個完整的上下行通信鏈路。

2   測試結(jié)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(shè)置為DL FDD Stand-alone，觸發(fā)模式為中頻功率觸發(fā)，相關(guān)參數(shù)配置按照3GPP TS 36.101、3GPP TS 36.521 協(xié)議中規(guī)定進行設(shè)置[9-10]，具體測試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 NB-IoT射頻指標非信令測試結(jié)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(diào)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(jié)束語

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

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[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(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）