浅谈WCDMA中用户设备的衰落测试

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测试无线系统(包括用户设备和基站)在衰落情形下是否能够成功地收发数据，是测试过程的重要组成部分。在通信理论中，一般把衰落分为快衰落、慢衰落、时间选择性衰落以及频率选择性衰落等类型；然而，在实际的传播环境中，往往是这些类型的排列组合。本文从实际应用出发，着重根据3GPP规范中规定的不同测试环境，讨论WCDMA中的衰落测试。
        在实际的无线通信环境中，由基站(Node B)发出的下行信号不是经过一条固定路径，而是通过多条受周围环境及用户设备(UE)移动速度等诸多因素影响的路径到达UE。这些因素使得到达UE端的信号为多个不同时延、不同幅度及相位的原始基站发送信号的叠加，从而导致信号互相干扰。在此过程中，主要通过以下两种数学模型(如图1所示)，仿真其对3GPP信号的影响：

1. 多普勒效应(Pure Doppler)：仿真在直接传输路径上的，由于UE相对发射基站的移动而产生的频率变化。沿信号传播方向的移动导致检测到的频率低于发射频率，反方向的移动则导致其检测到的频率高于发射频率。
2. 瑞利分布(Rayleigh Fading)：仿真由于大型障碍物(建筑物等)的反射导致的频率跳变，主要是仿真UE与基站之间无很强的直接视距路径的情形。(如在城市中，受高楼等障碍物的影响，基站与手机没有直接视距路径)。
        此外，由于在3GPP的规范中采取的是快速调制标准，因此，时延的变化(无论是突变还是缓慢变化)均是影响其信号质量的重要因素。所以，为了全面的考察接收机的性能，在3GPP的规范中又加入了以下两种传输条件，用以测试UE在该测试条件下的接收性能：
1. 移动传播条件(Moving Propagation)：用以测试Rake接收机调整其在无线信道上延迟的能力。
2. 生灭传播条件(Birth Death Propagation)：仿真信号突然消失以及突然出现的动态传播环境，如用户突然走进建筑物的角落或者从该角落出来时的情景；用以测试Rake接收机对信号突然消失以及突然出现的抵抗能力。
        对于WCDMA的用户设备端，由于它只解调来自服务基站的信号，因此来自其他基站的相同频率但具有不同主扰码的信号，对于用户设备端则呈现为类噪声信号。因此其信号质量就会受到其自身信号与其周围的噪声信号功率之比(信噪比)的影响；在测试中，通过加入一些加性高斯白噪声(AWGN)信号来仿真其对信号的影响。也就是说，在实际的测试中，衰落和加性高斯白噪声同时干扰有用信号。图2即为加入衰落和AWGN后的WCDMA信号的频谱：

图2:经衰落机AWGN仿真后的WCDMA信号

        在3GPP的UE测试规范(TS 34.121)中规定了许多测试示例及测试环境，其中衰落或传播条件分为以下几种情况：
1. 静态传播 － UE在一个固定位置，其接收到的信号只受到周围噪声(AWGN)的影响。
2. 多径衰落传播(Fine Delay) － 仿真UE以一个固定的速度移动。3GPP TS 34.121规定了6种不同的典型环境，如步行(3km/h)，车上(50km/h)以及火车上(250km/h)等。除此之外，信号还受到AWGN的影响。
3. 移动传播 (Moving Delay)－ 仿真UE在平坦的郊区(环境的巨大改变除外，如进入森林)行驶的车中的情景，此时参考路径是不变的，而另外一个路径则相对于参考路径缓慢变化。除此之外，信号还受到AWGN的影响。
4.生灭传播 － 仿真当直接路径突然消失，只剩下一个反射路径的情形。这种情况可能发生在UE突然转入角落并进入基站的视距外时。除此之外，信号还受到AWGN的影响。
3GPP中的衰落测试方法
        在3GPP的测试规范(TS 34.121)中规定了衰落测试的连接方法(如图3)，即由测试设备发出的下行信号首先经过衰落模拟器，再在经过衰落的信号中加入AWGN噪声。此时到达UE端的信号即为经过衰落并且受AWGN干扰的信号，用它来测试UE在衰落情况下的接收性能。

传统的信道仿真方法从RF信号开始，到RF信号结束(如图4)。

图4:传统的射频衰落仿真

        对于这种方式，首先需要对RF信号下变频，数字化，然后进行衰落仿真，之后再把该处理后的信号经数模转换后上变频到RF信号输出。对于通信中的测试，还需在其之后加入噪声。(注：AWGN独立于多径效应，因此必须单独增加。)
        采用这种方式，当仿真信号转换成数字信号或数字信号转换成仿真信号时，测试设备(而不是信道或被测设备)会引入转换误差，增加了测量不确定性。此外还需引入额外的晶振源，增加了成本。
        而现在的衰落仿真则通常直接在基带中实现。在此，我们选择R&S公司(罗德与施瓦茨公司)的无线综合测试仪CMU200用于产生WCDMA的下行信号；使用矢量信号发生器SMU200进行衰落以及AWGN仿真。首先由CMU200产生下行信号，直接在基带引出其I/Q信号，经SMU200进行衰落仿真后，再把相应的信号引回到CMU200，然后经其射频端口输出，如图5所示。

图5:测试设备连接图

        由于SMU200已经根据移动无线电主要标准的技术规范(包括3GPP的各种测试场景，如静态传播、生灭传播等)，集成多种衰落模型，大大简化了测试复杂度，我们直接选择相应的测试场景即可。(当然也可以根据需要，自己设置各个衰落参数。)如果再配合使用CMUGo(此软件可以从罗德与施瓦茨公司的网站上免费下载：http://www.rohde-schwarz.com/www/download_files.nsf/file/CMUgo_1_70.zip)，则无需直接操作仪器，只要在CMUGo中设置几个简单测量参数，仪器就可以自动进行复杂的衰落测量了。
本文小结
        随着3G牌照在国内的发放时间进入倒计时，根据3GPP测试规范对3G设备进行测试，无疑引起越来越多相关人员的注意。罗德与施瓦茨公司根据其多年的测试经验，推出的测试解决方案，大大简化了测试复杂度，保证了测试的精度和速度，推动了3G在中国的迅速发展。