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面向终端芯片性能测试技术
摘 要：介绍了当前业内流行的几种性能测试方法,并着重展示了一种新颖的模拟外场路测（VDT）方法.通过在VDT系统中模拟并重现典型外场环境,如高铁、弱覆盖等,建立完善的场景库,可以更加全面地考察终端在外场环境下的性能表现,贴近用户实际感知,具有良好的发展前景.
关键词：性能测试；终端和芯片；模拟外场
1 引言
通信产业的深入发展对终端和芯片提出了严苛的要求,不仅是吞吐容量的提升或响应时延的降低,更是优良的用户感知.终端芯片性能测试技术一直是通信厂家所关注的核心问题之一.本文将介绍当前业内流行的几种性能测试的方法,并着重展示一种新颖的模拟外场路测（VDT）方法.通过在VDT 系统中模拟并重现典型外场环境,如高铁、弱覆盖等,建立完善的场景库,可以更加全面地考察终端在外场环境下的性能表现,贴近用户实际感知,具有良好的发展前景.
2 常用的性能测试方法对比
面向终端芯片的性能测试可以验证先进通信技术的有效性和可靠性,及时发现终端产品设计缺陷,是提升产品竞争力的有效手段.当前通信产业内,常用的方法有以下几种：
（1）“信源装置（基站或综测仪）+测试单元（DUT）+线性衰减器”
直连信源装置与测试单元,并通过衰减器控制信号强度,采用传导或屏蔽室空口连接方式测试终端性能.该方法优点是环境构建比较简单,成本低.缺点是测试能力有限,无法模拟高铁等复杂场景；另外,由于没有考虑信道模型,测试结果与实际环境偏差较大.
（2）“信源装置+典型信道模型+测试单元”
连接信源装置与信道模拟器,导入典型信道模型如SCME、IMT-A、EVA、EPA等,然后将输出信号连接至测试单元,测试不同信噪比下的上下行吞吐量.该方式优点是环境构建比较简单,且引入了信道模型.但由于一般采用协议规定的理论模型,与实际传播环境存在一定差异,并且测试场景受限.
（3）“路测终端+路测软件”,外场路测
这是目前多数厂家普遍采用的方法,通过路测考察DUT在现网下的真实性能表现.该方法的优势是操作简单,场景丰富.但由于室外传播环境十分复杂,测试结果受天气、车辆、道路等状况的影响,测试中出现的问题难以复现,并且测试周期长,效率低.另外,由于无法获取网络侧的信令日志,问题定位有时比较困难.
（4）“信源装置+VDT测试库+测试单元”,即模拟外场测试系统
与方法（2）最大的不同是,导入的不再是典型的信道文件,而是根据实际外场采集的信道数据,基于信道建模理论制作而成的VDT信道文件,考虑了真实环境下的阴影和路损、多径时延谱、多普勒、到达角与离开角等信道参数,使得DUT测试结果更贴近真实外场性能.这种方式的优点是测试环境更接近真实外场,测试场景丰富并可拓展,在实验室环境下的测试结果精确可重现,同时可以结合基站或核心网信令日志快速有效地定位问题.缺点是整个系统比较昂贵,特别是采用真实的基站作为信源装置,通常需要配套昂贵的核心网系统.
以上各类性能测试方法各有利弊.但相比之下,方法（4）即VDT测试方法,更具明显的优势,且可以满足面向终端和芯片性能提升对稳定性、精确性、场景等严苛的要求,具有良好的发展前景.国际上提供信道模拟器产品的主要仪表厂家包括Keysight、Azimuth 和Spirent,都已经提出了模拟外场的解决方案,旨在通过基站与终端之间添加与外场相同的信道衰落,在室内模拟外场的切换成功率、平均吞吐量等关键无线指标.
3 VDT测试系统介绍
3.1 VDT系统架构
模拟外场测试系统通常包括信源装置、信道模拟器、测试终端、屏蔽设备等部分.根据信源装置的不同可以分为两种,一种基于综测仪,如图1 所示；另一种基于基站和核心网,如图2 所示.信号源的作用有两个,一是提供信道模拟器外接本振,其目的是在信道模拟器中建立多频点通道,模拟异频覆盖环境；二是可作为同频干扰源,进行同频加扰.信道模拟器中需要创建了VDT测试库,涵盖各类典型外场测试环境,如高铁、弱覆盖等.这些场景以信道文件的形式存储在信道模拟器中.VDT信道文件有专门制作流程,不同厂家实现的手段各不相同.通常包括外场数据采集、信道特征提取、信道建模、环境构建与测试验证等步骤.数据采集的工具取决于建模方法,可以包括路测终端和路测软件、扫频仪（如TW）、信道探测采集设备（如Propsound）等.
信道建模技术是VDT 系统的核心,其原理是利用采集到的信道参数库如路损、阴影、多径时延谱、多普勒、到达角和离开角等,制作信道文件.然后进行测试和验证,保证终端在VDT 环境与外场环境下具有相同的性能表现.目前,主流的信道模拟器包括Keysight F8/F32,以及SpirentVR5、SR5500 等.屏蔽设备的目的是屏蔽实验室内的现网信号或其他无关干扰信号,保证每次测试结果的一致性.当测试环境干扰较强时,可以采用屏蔽箱加屏蔽袋的方式,获得更大的隔离度.通常信源装置与信道模拟器采用电缆直连,信道模拟器与被测设备之间可以采用电缆加射频天线的方式进行传导测试,也可以在屏蔽箱内放置全向或定向天线的方式进行空口测试.相比而言,传导测试可以获得更稳定的测试结果,但无法测试被测单元的天线性能,这个缺点可以通过在信道文件中导入终端的天线方向图解决.
如果采用基站作为信源装置,则需要配套完善的核心网系统,但能力也更加强大,如目前业内主流的综测仪仅支持TM2/TM3,而基站则可以支持从TM1 到TM10 所有的传输模式；又如可以在系统中增加不同的基站类型,比如LTE、G、WCDMA等,可以很方便地实现异系统互操作测试.此外,强大的基站和核心网功能还支持对整个通信链路的信令跟踪,从终端到基站再到核心网,因此定位问题也比综测仪更加准确、快速.
3.2 VDT系统构建流程
VDT性能测试需涵盖不同的测试场景.每个厂家构建场景的方式不同,可大致划分为4 个步骤：（1）外场数据采集.例如,Azimuth 采用路测终端来获得信噪比和参考信号接收功率等关键参数.图3所示为一种外场环境信道采集系统的示意图.路测终端用于抓取服务小区信号,扫频仪用于抓取同频干扰小区信号,以及其他频点上的小区信号.GPS 用于记录位置信息.
（2）信道参数的提取.主要信道参数可以包括信号强度、信噪比、多径时延谱、多普勒等.
（3）信道文件制作.利用采集的信道数据,基于信道建模理论,制作信道模拟器可识别的信道文件.通常的做法是采用转换后的外场录制数据并添加经典的理论信道模型,来模拟外场信号的衰落特性.
（4）测试和验证.根据场景需求配置信源设备,如果是一个多小区定点同频干扰环境,则需要连接多个基站信号至信道模拟器,同时将输出进行合路后连接至测试终端,验证测试终端的信号强度或SINR或吞吐量等参数是否与外场环境一致.验证的标准由难到易为吞吐量>SINR>信号强度.通常认为吞吐量模拟差异在10%以内,SINR统计分布基本相同是较好的环境模拟.
4 VDT测试能力展示
4.1 VDT测试场景及自动化
VDT测试场景有不同侧重,例如在单小区场景中,通过测量吞吐量,可以反映DUT去噪声能力的强弱,而多小区场景则重点考察了终端干扰消除技术的水平.测试场景越丰富,对终端的性能评估越全面.因此,测试场景的多少是衡量VDT系统测试能力的直接标准.由于VDT测试平台的拓展性很强,可以根据需求,化设计测试场景,因此成熟VDT系统通常可以涵盖大多数外场典型场景.LTE-A网络的典型场景包括单小区定点场景、多小区同频干扰定点场景、多小区运动场景、乒乓切换场景、室内外进出场景、针尖效应测试场景、载波聚合场景、高铁场景、VoLTE场景、弱覆盖场景、异系统互操作场景以及目前入网入库的指定测试场景等.表1 将对一些测试场景进行详细展示和介绍.
以上场景均与用户日常生活的通信需求息息相关,而终端面临的挑战不尽相同.成熟VDT性能测试系统可以具有丰富的测试场景库,从而能够全面考察终端性能,贴近用户感知.
面向5G,VDT系统需要建立一些新的测试场景,比如专门为大规模天线和波束赋形设计的吞吐量测试场景、为5G与LTE-A（甚至G）互操作设计的多模场景等.
全场景测试十分必要,但如果采用手动配置、连线,则需要耗费大量的时间和精力,同时由于频繁拆卸对信道模拟器接口造成较大的损耗,因此在VDT系统中引入自动化控制,实现测试场景的自动切换十分必要.如图4 所示,远程自动化控制单元可以控制以下几个部件：
（1）信源装置.自动化修改信源配置,如系统带宽、子帧配比（TD-LTE）.
（2）信道模拟器.信道文件自动切换,测试自动启停.
（3）矩阵开关（或程控衰减器）.实现信源信号与信道模拟器端口的自动连接、切换.
（4）被测装置.实现远程控制终端开始或停止记录的信令日志,以及其他行为,如自动拨号、挂机、上网、发短信等.
VDT系统自动化的实现,不仅可以极大地节省测试时间,也可以节省元器件由于拆卸所造成的损耗,还可以避免由于人为因素引入的误差,增加了系统的稳定性.
4.2 VDT测试能力
除了丰富的测试场景,VDT在性能提升方面的优势还主要体现在以下两点：
（1）问题可重现
每个测试场景都以信道文件的方式存储于信道模拟器中,固定每个通路上的输入功率,可以获得相同的输出.因此,可以通过重复播放信道文件重现测试场景.这种可重现性是很可贵的,可以满足以下研发需求：
●发现和验证概率性异常事件.例如,某些异常是概率性出现,在VDT环境可以通过多次重复播放信道文件,多次测试以求出异常出现的频率.
●解决方案的验证.可以通过重复测试,验证问题是否解决,也可以对比不同解决方案的有效性.
●对比不同终端.可以对比不同终端、不同芯片在同一测试场景下的性能表现,为终端厂家芯片选型,为芯片厂家产品设计提供建设性意见.
（2）定位容易
当发现问题时,可以联合终端、基站、核心网侧信令日志定位问题,可以跟踪端到端的整条通信链路,因此问题定位容易.例如,VoLTE测试时,可以通过DUT侧查看下行链路质量,也可以通过基站侧查看上行链路质量,或者通过核心网侧查看通信协议的兼容性,如IPv4 和IPv6 的地址匹配等.
5 结束语
随着通信技术向5G的过渡,终端和芯片的性能测试面临着新的挑战.
（1）基站天线数众多
5G 大规模阵列天线基站天线数目高达128 根以上,采用传统的传导测试方式,测试连线过于复杂,并且无法模拟有源天线的增益.
（2）传导方式将不再适用于高频信号
由于高频衰减严重,5G高频基站和终端不再设置传导端口,将无法完成传导测试.
（3）外场数据采集任务将更加困难
目前,LTE-A下行普遍部署TM3 双流传输模式,而未来5G网络中,随着大规模天线的普遍使用,传输流数高达16 流,很难通过扫频仪或者1 部终端完全接收缓存.
面向5G系统和产品的性能测试技术,无论是对仪器仪表还是测试方法都提出了更高的要求.新性能测试系统的开发还需要仪表厂商、终端芯片厂家、系统厂家以及运营商的共同努力来实现,以源源不断地为产品设计提供动力、指引方向,最终提升产品综合竞争力,应对新通信时代的全面挑战.
性能测试论文范文结:
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