Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieses Artikels hat die Zertifizierung von LTE-Geräten noch nicht begonnen. Die wichtigsten Zertifizierungsstellen (GCF [Ref. 1], PTCRB [Ref. 2]) arbeiten an der Einführung von Konformitätsprüfsystemen für das Protokoll, die Reservefaktoren (RF) und das Funkressourcenmanagement mit dem Zieltermin Dezember 2010. Da jedoch in einigen Märkten bereits Geräte im Handel erhältlich sind, stellt sich die Frage: Werden diese Geräte die Konformitätsprüfung bestehen, sobald sie auf dem Markt eingeführt wurden?
Wird die Kapazität des Backhaul-Netzwerks ausreichen, wenn LTE-Geräte der Kategorie 3 hohe Datenübertragungsraten (100 Mbit/s Download, 50 Mbit/s Upload) unterstützen? Langfristig wird die Bandbreitenverteilung im Funknetz mit steigender Anzahl an LTE-Nutzern ein entscheidender Faktor sein, da überlastete Zellen zu Leistungseinbußen führen. Zudem wird die Leistung von Mobilfunknetzen der nächsten Generation aufgrund des höheren Signal-Rausch-Verhältnisses mit zunehmender Anzahl aktiver Nutzer sinken.
Angesichts eines potenziell globalen Mobilfunknetzes muss der Erwartung der Nutzer an weltweites Roaming Rechnung getragen werden. Technisch machbar, müssen die Kosten für Roaming-Dienste für Verbraucher jedoch angegangen werden. Darüber hinaus sind Flatrate-Datentarife für Mobilfunkanbieter bereits Realität und generieren Einnahmen durch die Bereitstellung immer größerer und variabler Datenmengen.
Da LTE die Technologie der nächsten Generation für CDMA2000-Netzbetreiber (z. B. Verizon Wireless) darstellt, ist die Nutzung der Hochgeschwindigkeits-Paketdatendienste nach 3GPP2-Standard (CDMA2000) unerlässlich. Die Verschmelzung der 3GPP- und 3GPP2-Netzwerktopologien an der LTE-Funkschnittstelle ist eine interessante Entwicklung, die sorgfältige Tests erfordert, um die erwartungsgemäße Funktion zu gewährleisten.
Die Aufrechterhaltung von Sprachdiensten über ein IP-Netzwerk parallel zum bestehenden Vermittlungsnetz stellt Netzbetreiber vor Herausforderungen. Die auf dem Mobile World Congress 2010 von den großen Netzbetreibern angekündigte Vereinbarung zur Standardisierung von VoLTE (Voice over LTE) deutet darauf hin, dass dieses Problem bald gelöst sein wird. Allerdings ist diese Technologie, die auf dem IP Multimedia Subsystem (IMS) des 3GPP basiert, noch nicht flächendeckend im Einsatz.
Wie man die Herausforderung meistert
: Um die hohen Anforderungen an LTE-Endgeräte zu erfüllen, ist es unerlässlich, das Design in Subsysteme zu unterteilen und einen Testplan zu erstellen, der es ermöglicht, jeden Teil des Designs gründlich zu charakterisieren, bevor das Gesamtgerät getestet wird. Ohne diesen modularen Ansatz können Probleme so spät im Programm diagnostiziert werden, dass sie in den finalen Markteinführungsphasen, einschließlich Feldversuchen und Konformitätsprüfungen, nur schwer zu bewältigen sind.
Messanforderungen
Unabhängig davon, ob das Gerätedesign von Grund auf neu entwickelt wird, auf einem bestehenden Design aufbaut oder Komponenten von Drittanbietern integriert werden, müssen verschiedene Leistungsmessungen durchgeführt werden. Einige davon, wie z. B. maximale Ausgangsleistung, Leistungsregelung und Empfängerempfindlichkeit, sind aus früheren Technologien bekannt. Aufgrund der verwendeten Übertragungsverfahren (OFDMA im Downlink, SC-FDMA im Uplink) wird jedoch neue Messtechnik für diese Tests benötigt.
Weitere Messungen sind LTE-spezifisch. Beim OFDMA-Übertragungssystem ist beispielsweise die Vektorfehlergröße (EVM) pro Subträger ein wesentlicher Test für die Modulatorleistung. Durch die Verfügbarkeit des analogen TV-Spektrums bei 700 MHz wird LTE mit niedrigeren Frequenzen als GSM oder WCDMA eingesetzt, was zu deutlich größeren Bandbreiten führt: 20 MHz/700 MHz = 2,8 % im Vergleich zu 5 MHz/2100 MHz = 0,24 % bei typischen WCDMA-Geräten. Dies stellt bei einigen Modulationsarchitekturen eine Herausforderung dar, da die EVM an den Bandgrenzen höher ist. Daher muss diesem Aspekt in der Entwurfsphase besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.
Aufgrund der dynamischen Natur mancher Tests, wie z. B. der Leistungsregelung, müssen die Messbedingungen mithilfe des Signalisierungsprotokolls festgelegt werden. Daher ist es unerlässlich, dass die Testgeräte die Protokolle zur Simulation der Evolution Node B (ENB)-Basisstation beinhalten. Da diese Messungen in der Regel von (HF-)Ingenieuren und nicht von Protokollspezialisten durchgeführt werden, sollte die verwendete Testausrüstung einfach einzurichten sein, damit sich die Ingenieure auf die durchzuführende Messung konzentrieren können.
Testprotokoll:
Eine der größten Herausforderungen für den Protokollentwickler besteht darin, sicherzustellen, dass die Anforderungen an den Antwortzustandswechsel erfüllt werden. Obwohl die LTE-Spezifikationen die Anzahl der Zustände, die ein Endgerät annehmen kann (RRC_IDLE und RRC_CONNECTED), reduziert haben, wird die Zeit für den Wechsel zwischen diesen Zuständen einen erheblichen Teil der Latenz ausmachen, wenn Daten gesendet werden müssen.
Im RRC_IDLE-Modus arbeitet das Gerät so energiesparend wie möglich, um eine lange Akkulaufzeit zu gewährleisten. Der Empfänger wird periodisch aktiviert, um auf Paging-Nachrichten zu prüfen. Das Gerät sollte planmäßig aufwachen, um Daten zu senden und seine Uplink-Verbindung schnell zu synchronisieren.
Testprotokolle erfordern oft einen erheblichen Aufwand bei der Erstellung von Testfällen und Protokollen, weshalb der Zugang zu Testeinrichtungen für die Effizienz entscheidend ist. Für erfolgreiche Tests ist es unerlässlich, jede Subschicht sowohl auf der Benutzer- als auch auf der Steuerungsebene testen zu können. Die Funktionen der Testprotokolle sind für die Fehlerverfolgung von zentraler Bedeutung. Typischerweise umfasst dies die Aufzeichnung von Datum und Dekodierung der Nachricht. Es ist jedoch wichtig, dass diese Informationen für jede Subschicht verfügbar sind, um eine detaillierte Nachverfolgung der Signalisierungsnachrichtenflüsse – von MAC-PDUs bis hin zu RRC-Nachrichten – zu ermöglichen und somit die Einhaltung der Timing-Anforderungen sicherzustellen.
Die Möglichkeit, Testszenarien für jede Schicht zu erstellen, erfordert eine detaillierte Steuerung der Testausrüstung. Diese muss jedoch so benutzerfreundlich wie möglich sein, um eine steile Lernkurve zu vermeiden. Die grafische Testbeschreibung, wie sie der Aeroflex 7100 Szenario-Assistent bereitstellt, bietet die übersichtlichste Methode zur Definition neuer Tests (Abbildung 1).
Leistungsprüfung:
Nach der Integration von HF, Basisband, Protokollen und Anwendungsschicht muss die Gesamtleistung des Geräts umfassend charakterisiert werden. In dieser Phase gilt es, Engpässe zu identifizieren und zu beseitigen, um den Datendurchsatz unter normalen und extremen Temperatur- und Versorgungsspannungsbedingungen zu maximieren. Stromverbrauch, thermische Eigenschaften, elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Emissionen und Störfestigkeit müssen unter Volllastbedingungen gemessen werden. Dies erfolgt in der Regel mithilfe von 2x2 Downstream-MIMO (Multiple-Input Multiple-Output).
Die Fähigkeit zur Optimierung des Zellübergabeprozesses und zur Minimierung von Datenunterbrechungen muss ebenso bewertet werden wie die Möglichkeit, zwischen verschiedenen Funkzugangstechnologien zu wechseln und dabei die Datenverbindung aufrechtzuerhalten. Kompakte, flexible und modulare Messgeräte sind bereits von verschiedenen Anbietern erhältlich. Beispielsweise erfüllen die LTE-Produkte von Aeroflex alle notwendigen Eigenschaften zur Charakterisierung des Verhaltens von LTE-Geräten (Abbildung 2).
Obwohl die LTE-Physikschicht ein zyklisches Präfix verwendet, um die Resistenz gegen Mehrwegeausbreitung zu erhöhen, muss sie auf ihre korrekte Funktion getestet werden. Das Verschieben dieser Tests bis zur Erprobungsphase birgt Entwicklungsrisiken. Glücklicherweise bieten Hersteller von Testgeräten Werkzeuge zur Simulation realer Signalbedingungen im Labor an, darunter Simulatoren, Farbfilter und Rauschgeneratoren.
Ein wichtiger Parameter für die Leistungsfähigkeit von LTE-Geräten ist ihre Fähigkeit, die Synchronisation mit dem Downlink-Signal zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Das OFDMA-Verfahren von LTE verwendet Subträger im Abstand von 15 kHz. Der Empfänger muss präzise auf diese Träger abgestimmt sein, selbst unter Berücksichtigung des Doppler-Effekts. Fehlende Synchronisation führt zu Interferenzen zwischen den Subträgern und verringert das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR).
Um das Geräteverhalten zu charakterisieren, ist die Möglichkeit, die Dopplerverschiebung im Labor zu simulieren, daher von entscheidender Bedeutung.
Fazit:
Die nächste Generation mobiler Endgeräte muss ein mobiles Breitbanderlebnis bieten, das die Erwartungen der Netzbetreiber erfüllt. Neue LTE-Geräte müssen schrittweise getestet werden, wobei ein umfassender Test unter realen Signalbedingungen durchgeführt wird. Die Gewährleistung einer konsistenten Leistung innerhalb der Funkzelle stellt die größte Herausforderung dar, insbesondere bei steigender Nutzerzahl und zunehmendem Signalrauschen.
Für ein gründliches und effizientes Testen von LTE-Geräten ist eine umfassende Testabdeckung erforderlich: HF-, Protokoll- und Systemebene. Anbieter von Testgeräten bieten diese Funktionalität mit neuen und verbesserten Instrumenten, Testgeräten und Systemen, die bereits erhältlich sind.
Die Erzielung einer leistungsstarken und latenzarmen Datenübertragung bei gleichzeitig möglichst geringem Stromverbrauch und minimaler Nutzung des Funkfrequenzspektrums ist das Hauptziel der LTE-Technologie. Dieses Ziel kann nur durch umfangreiche Tests während der Entwicklungs- und Implementierungsphasen erreicht werden.
Quellen:
1. Global Certification Forum
www.globacertificationforum.org
2. PTCRB www.ptcrb.com
