NB-IoT终端射频测试全接触——CMW测试方案简介

刘轶旻 罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司

1　引言

NB-IoT（NarrowbandIoT）是未来智能社会实现万物互联的重要支撑技术，它从设计之初就得到了业内的广泛关注。随着技术路线图的确定和产业链上下游的充分发展，NB-IoT技术已在世界多地呈现出高速成长的态势。在我国，3家主要电信运营商都已积极投入资源参与NB-IoT网络的建设和试验工作，并逐步开展了商业运营。从终端角度来说，已有不少物联网模组企业推出了较为成熟的产品，终端品种将越来越丰富。根据历史经验，随之而来的NB-IoT终端产品测试问题将成为业内各单位需要共同应对的挑战，国内权威检测机构中国泰尔实验室已在2017年年底宣布开展NB-IoT终端的入网准入测试。因此，无线终端产业的从业人员很有必要深入学习和掌握这门新技术的规范化测试方法以及测试工具的使用。

2　技术特点

NB-IoT主要技术特点如下：

（1）NB-IoT相比其他技术有着小带宽（180kHz，含保护带宽为200kHz），高灵敏度（应对诸多极限连接场景），大容量、多连接（每小区可容纳5万个连接），极低功耗（电池寿命需要达到数年以上），允许高时延（最大可到10s），低成本（单模块几美元）等突出特点。

（2）NB-IoT和LTE有着密切的关系，其底层形态和协议栈结构与LTE有很多共同之处，核心网络则继承和发展了LTE的EPC模式。

（3）使用FDD的半双工模式，目前已分配的工作频段包括1、2、3、5、8、11、12、13、17、18、19、20、21、25、26、28、31、66、70等。可独立部署，也可在LTE系统的保护频带上部署，还可以在LTE已规划频段内部署。

（4）射频传输总带宽为180kHz，即LTE1个RB的宽度；下行采用OFDMA多址方式，子载波间隔15kHz，QPSK调制方式；上行采用SC-FDMA方式，支持15和3.75kHz两种子载波间隔，根据上行方向共享传输信道格式的不同，上线支持单载波（SingleTone）和多载波（Multi-tone）调度方式，分别使用BPSK和QPSK调制方式，对应不同工作场景。

（5）下行方向时域采用了和LTE相类似的“符号—时隙—子帧—帧”结构，另外还设计了一个“超帧”概念，包括1024个帧，时长约3h左右；上行方向如果采用15kHz信道间隔，则时频结构与下行类似，如果采用3.75kHz信道间隔，则时隙长度扩展成了2ms，即15kHz信道间隔时的4倍，而每时隙内符号数保持不变。

（6）上行方向的功率控制，除了考虑小区允许最大发射功率的限制，还需要考虑分配给终端的子载波个数、开环起始目标功率及路损的影响，受开环功率控制的影响较大。

（7）下行信道有窄带物理广播（NPBCH）、窄带物理下行共享（NPDSCH）和窄带物理下行控制（NPDCCH）等；上行信道有窄带物理随机接入（NPRACH）和窄带物理上行共享（NPUSCH）。下行物理层信号有窄带主辅同步和窄带参考信号，上行物理层有解调参考信号。

（8）考虑到低成本、低功耗、大连接，且移动性管理场景需求不强烈的特点，NB-IoT在RRC层信令、系统消息、寻呼过程、接入过程、数据链路构成和传输方式等方面都进行了很多简化；为增强覆盖性能，还设计了双向重复传输（Repetition）模式，最大允许200次重传。

（9）支持功耗节省模式（PowerSavingMode）和增强型不连续接收（eDRX），以减小电池的消耗。

（10）下行方向速率最大可达250kbit/s，上行方向速率最大可到20kbit/s。

3　射频测试需求

NB-IoT在3GPP规范体系的R13版本中正式推出，其终端射频一致性测试要求并未单独发布，而是与eMTC、V2X等新技术一起包括在LTE终端测试规范TS36.521当中，并随该规范的不断更新而持续完善。通过研读R14版本规范（2017年9月发布）可知。

对发射机测试，需要考察时域的最大/最小功率、最大功率回退、配置功率、开关时间模板（含接入信道）以及功率控制等指标；调制域的EVM和频率误差、载波泄露与带内发射等指标；频域的邻道泄露功率、频谱发射模板、占用带宽、带外杂散发射和LTE带内共存等指标。

对接收机则需要分别考察静态和衰落条件下的表现。静态信道下，接收机测试包括了重传和非重传条件下的绝对灵敏度、最大输入电平、邻道抑制、带内和带外阻塞、杂散响应和宽带互调等指标。衰落信道下，接收机测试考察终端对NPDSCH和NPDCCH信道的解调能力，具体包括LTE带内部署、单独部署和LTE带间部署情况；基站单天线和分集发射共4种不同场景。以上大多数收发测试用例都会根据上行信号的调制方式、子载波间隔等预置条件的不同而进行多次测试。

4　其他典型实验室测试需求

除上述射频一致性测试要求之外，根据应用场景的需要，开发人员通常还要完成以下复杂测试任务：

（1）NB-IoT只设计了数据传输应用，IP层的相关功能、业务能力的验证就显得非常必要。

（2）NB-IoT终端对电池寿命的要求非常苛刻，必须进行精确的电流测试以保证设计达标。

（3）NB-IoT作为全新的接入网技术，协议栈只能逐渐地成熟完善，早期与信令消息相关的测试和问题定位的需求很迫切。

（4）NB-IoT终端可能携带敏感信息，即如何保障IP系统的安全、如何对抗“黑客”的入侵。

5　CMW测试方案简介

NB-IoT终端的一个基本定位是“低成本”，但是从上面的说明可以看到，NB-IoT相关的射频测试要求却非常高，这就意味着需要投入足够的资源才能从测试的角度保证产品性能的可靠。如何平衡研发、生产的测试投入与经济效益产出之间的关系，难度不小，用户希望的是使用适当的投资就能获得功能强大的NB-IoT测试平台。

Rohde&Schwarz公司的CMW500射频测试仪恰恰为所有这些需求都提供了良好的解决方案。CMW500不仅支持主流的2/3/4G移动通信标准和WLAN、蓝牙这些短距无线连接技术，现又将其测试能力扩展到了NB-IoT和eMTC等物联网新兴技术领域。在LTE时代，CMW500凭借优异的表现而成为产业界事实的标杆。而对NB-IoT技术，用户只需在CMW500平台上做一定的软硬件升级，即可获得全面的终端测试能力。考虑到LTE和NB-IoT高度融合的特性，在一个平台上平稳升级的方案，无论在能力的兼容、可靠性和精度的保证，还是既有投资的保护，都是一个非常好的选择。CMW500的最新固件版本已支持NB-IoT的信令和非信令测试，尤其需要指出的是，它的信令（基站模拟）功能非常优秀，用它可以简化测试，帮助用户验证更多的问题，CMW500是目前市场上仅有的几种支持NB-IoT信令模式的仪表之一。

通过仪表的用户界面和实测结果可以看到，CMW500支持设定NB-IoT基站的基础参数，主要包括：

●频段、信道；双工方式；子载波间隔（15或3.75kHz）；小区ID；部署模式（单独部署、LTE保护带内或LTE频段共存部署）；终端侧接收到的NRS参考信号的强度等。

●可支持单纯的射频测试连接（仅底层协议）和数据应用模式连接（含IP等高层协议）。在射频测试连接模式下，可设置不同类型链路类型，如专门用于发射、接收测试的“ULRMC”和“DLRMC”模式，载波数量和其起始位置、调制指数等信息可以调节；针对数据应用模式，可设置有收发双向数据的用户自定义模式，以便同时连续调度上行和下行数据，相对“UL RMC”和“DLRMC”更加灵活。

●NPRACH/NPUSCH信道功率控制相关设置，如空口NB-IoT参考信号强度、期望的初始接入信号强度、NPUSCH的P0期望功率和路损因子α等参数。

●网络PLMN设置；安全相关设置，包括测试USIM卡相关参数；网络侧加扰的打开或关闭。

●NPDSCH和NPUSCH重复模式的设置。

●可支持PSM模式和eDRX相关参数设置（见图 1）。

图1　NB-IoT基站高级设置菜单

从测量能力上可以看到，CMW500的NB-IoT测试应用工具具备如下功能：

●终端基本信息的获取，如注册状态，IMEI/IMSI等身份信息，终端能力等级；默认承载的建立和IP地址的分配（见图2）。

●终端与仪表之间交互的所有信令消息，可通过CMWmars工具记录、查看和分析（见图3）。

●发射机、接收机射频测试，可针对功率（包括功率回退、配置功率、开关时间模板等）、调制性能（EVM、Frequency/Phase Error、IBE等）、频谱（频谱模板、占用带宽）、BLER和物理层吞吐量等基础指标进行全方位测量。可针对NPUSCH和NPRACH两种信道分别进行测试（见图4、5、6）。目前，CMW500配合信号源、频谱仪等设备，可以完成上述3GPP测试规范中第6、7章的24个用例的测试，覆盖面达到86%。

图2　NB-IoT基站基础设置以及数据应用模式（Data Application）连接下终端身份信息的获取，IP地址的分配

●可以根据NPUSCH信道触发测量，测试更精准；不仅可以给出单纯的数值形式结果，还可提供丰富的图形结果，信息量丰富。

●IP层相关测试，CMW500支持通过控制面（C-Plane）和用户面（U-Plane）承载IP数据，使用者可以运行PING以及Iperf灌包等IP层工具验证终端业务能力，并通过CMW500提供的IP抓包和IP安全分析工具来进行问题定位和网络安全性能验证（见图7、8、9）。

●非信令测试模式下，ARB信号源可播放使用R&SWinIQSIM2软件工具制作的非信令波形文件，发射机测量工具可脱离信令模块单独工作，满足生产线相关的模块校准和验证测试要求，节省投资。

●配合使用CMWrun自动化测试软件，可高效完成终端射频测试，脚本编辑方便，用户界面友好（见图10）。

图3　正常注册过程中，NB-IoT终端和CMW500之间的信令交互

●配合使用R&SRT-ZVC多通道功率探头和CMWrun自动化测试软件，可进行NB-IoT终端，尤其是在使用真实电池的情况下，电流的变化情况，CMW500模拟网络各种行为，并提供准确的信令动作触发RT-ZVC的测量，以便记录下注册、发起数据连接等关键时间节点功耗的变化，测试全程自动化进行（见图11）。

图4　发射机测试，NPUSCH信道测试结果

图5　发射机测试，NPRACH信道测试结果

图6　接收机测试，包括BLER和吞吐量等指标

图7　NB-IoT的数据应用模式连接下，从CMW500向终端发起PING测试，可见PING时延在2s以上，符合NB-IoT低速连接的技术特点

图8　数据应用连接下的Iperf灌包测试，可见左侧有极低的绿色上行速率，表明CMW500接收到了终端发出的UPD数据包

图9　使用IP安全分析工具，记录下NB-IoT终端访问的真实网站的位置信息

面对物联网技术的快速发展，Rohde&Schwarz公司已做好准备，CMW500射频测试仪将用优秀的表现，继续为用户的测试工作提供可靠、准确的保障。Rohde&Schwarz公司愿和业内同仁一起携手，为我国NB-IoT产业的持续发展贡献力量。

图10　CMW500 NB-IoT射频测试脚本覆盖发射、接收测量

图11　RT-ZAC多通道探头与CMW500配合测量NB-IoT终端的电流消耗