WCDMA与TD-SCDMA终端射频测试差异性分析

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作者：宋起柱  刘红杰  李书芳    终端的射频一致性测试是整个移动通信产业链发展中的重要环节，WCDMA和TD-SCDMA是3GPP家族的主要成员，本文对WCDMA和TD-SCDMA终端的射频一致性测试项目、测试条件及不确定度要求等方面进行了对比研究，指出了二者的差别和可以借鉴的地方，并对规范中不太适合我国国情的部分条目进行了分析。
    1、前言
    WCDMA和TD-SCDMA都是当今3G的主流通信标准，二者都采用3GPP指定的UMTS网络结构模型；在无线传输技术方面，都可以采用智能天线、联合检测等技术；在未来技术的演进路线上，都采用了HSDPA（高速下行分组接入）、MIMO（多输入多输出）、OFDM（正交频分复用）等技术，二者在终端一致性测试方面有很多相似的地方。而WCDMA网络在国外已有商业应用，因此本文将比较它们在终端射频一致性测试内容方面存在的主要差异，希望对TD-SCDMA的终端测试有所帮助。
    WCDMA终端射频一致性测试分析的依据是3GPPTS34.121v6.3.0.TD-SCDMA终端射频一致性测试分析的依据是3GPPTS 34.122 v5.2.0。其中34.122规范分为HCR（high chip rate）（3.84 Mchip/s）和LCR（10w chip rote）（1.28 Mchip/s）两个选项。HCR体制是欧洲的UTRA TDD模式，是UTRA FDD模式的补充；LCR是我国TD-SCDMA技术体制和欧洲UTRA TDD在3GPP融合的结果。HCR和LCR在设计出发点、应用场合、使用的技术和设备成本方面都有所不同。在目前国内的产业环境下，各大厂商研发的主流产品都是LCR，因此本文只涉及LCR和UTRA FDD的对比。这里所说的WCDMA即是指UTRA FDD模式，TD-SCDMA是指UTRA TDD LCR模式。
    随着技术规范文件版本的更新，不排除此分析结果发生相应变化的可能性。
    2、发射机特性测试
    终端的发射机特性测试需要UE和系统模拟器连接，根据TS34.108建立业务信道上的正常呼叫，终端还要根据TS34.109提供逻辑测试接口，测试在环回模式下进行。
    发射机特性在终端天线接头处测试，终端只有内置天线时。增益设为OdBi，对于多天线或多天线接头时的情况还有待进一步研究。
    以上要求对于WCDMA和TD-SCDMA是一样的。
    WCDMA终端发射机射频指标测试的主要内容有：最大输出功率①、支持HS-DPCCH（上行专用物理控制信道）时的最大输出功率②、频率误差①、上行输出功率动态范围、开环功控①、内环功控①、最小输出功率①、输出功率的失步处理①、发射关功率①、发射开关时间模板①、传输格式组合改变①、上行压缩模式下的功率设置①、HS-DPCCH②、占用带宽、频谱发射模板①、支持HS-DPCCH时的频谱发射模板②、相邻信道泄露比①、支持HS-DPCCH时的相邻信道泄露比②、杂散发射①、发射互调①、调制质量/矢量幅度误差①、支持HS-DPCCH信道时的矢量幅度误差②、峰值码域误差③、相位不连续度④、PRACH（物理随机接入信道）前置码质量④。
    其中标示“①”的指标表示适用于所有UTRAFDDUE；标示“②”的表示适用于R5及以后版本的支持HSDPA的所有UTRAFDD UE；标示“③”的仅适用于多码道条件下DPDCH（专用数据物理信道）上的测量；标示“④”的仅适用于R5及以后版本的所有UTRA FDD UE。
    TD-SCDMA终端发射机射频指标测试的主要内容有：最大输出功率（分单码道和多码道情况）①、频率稳定度、上行输出功率动态范围①、开环功控②、闭环功控②、最小输出功率①、发射关功率①、发射开关时间模板①、输出功率的失步处理（连续发射时）①、射频发射频谱、占用带宽①、带外发射、频谱发射模板②、相邻信道泄露比①、杂散发射②、发射互调、调制质量、矢量幅度误差①、峰值码域误差③。
    其中标示“①”的表示适用于所有UTRATDDUE；标示“②”的仅适用于TD-SCDMAUE；标示“③”的仅适用于多码道传输条件下的TDD UE测量。
    从以上对比可知，WCDMA和TD-SCDMA的大部分测试指标是相同的，但在具体的测试方法和限值要求上存在差别。从测试项目的内容上看，二者的主要差别体现在：
    ●WCDMA终端和TD-SCDMA终端都有4个功率等级，相同功率等级时WCDMA终端比TD-SCDMA终端允许的输出功率要大。
    ●测试最大输出功率时，WCDMA对于多码道和单码道的限值要求是一样的。而TD-SCDMA在多码道测量时其限值要求是根据单码道时的限值和多码道上行参考测量信道计算出来的，单码道和多码道时的峰均比不同会降低多码道时的最大输出功率值。二者对测试容限值的要求是一样的。
    ●WCDMA的终端测试指标中相对TD-SCDMA增加了HS-DPCCH信道测量，HS-DPCCH是HSDPA为支持高速下行分组数据新引入的高速专用物理控制信道。
    ●压缩模式下的上行功率设置和传输格式组合改变两项测试指标是WCDMA测试所特有的。
    ●闭环功率控制分为内环功控和外环功控，TD-SCDMA中所描述的闭环功控实际上也只是指内环功控，因为射频指标的测量主要是测试物理层的性能。内环功控是指基站根据信干比的要求来调整终端的发射功率，而外环功控是指无线网络控制器（RNC）根据不同的业务速率请求来动态调整误码率或误块率目标，进而再通知基站调整不同的信干比要求，属于无线资源管理（RRM）的范畴。
    ●测试输出功率的失步处理时，在TD-SCDMA中终端通过监视DPCH（专用物理信道）的信号质量来决定何时开启或关闭发射机；而WCDMA中终端通过监视DPCCH（专用物理控制信道）的信号质量来决定何时开启或关闭发射机。这两个过程分别在TS25.224和TS25.214中有详细描述。
    ●对于TD-SCDMA而言，专用传输信道（DCH）只映射到DPCH上；对于WCDMA，DCH映射为两种物理信道：DPDCH和DPCCH。DPDCH承载高层信息，包括用户数据；DPCCH发送物理层控制信息。DPCCH的比特率是恒定的，DPDCH的比特率是可以逐帧改变的。
    ●关于调制质量的测试，WCDMA在R5及以后的版本中增加了相位不连续度和PRACH前置码调制质量两项指标，前者会引起过多的频谱杂散，后者则直接影响基站能否正确解调终端重要控制信息。这两项指标的测试对于TD-SCDMA系统也应是必要的。
    ●关于杂散发射中特殊频段的额外要求，3GPP规范中给出的限值并不适合我国的实际频率使用情况，应根据我国的实际情况加以调整。特别是TD-SCDMA的终端杂散发射附加要求，至少应考虑到我国的800MHz的频率使用情况。
    3、接收机特性测试
    关于接收机测试的预置条件要求和发射机测试是一致的，所不同的是这里衡量的是接收机自身的噪声特性对接收质量的影响。除接收机杂散发射外，接收机特性测试统一采用下行12.2kbit/s的参考测量信道，在监测数据环回的误码率（BER）达到特定要求的条件下，检查外加信号的特性是否符合规范要求。如果没有特殊说明，关闭下行功率控制。数据环回方式是TS34.109中定义的测试状态下特定的连接模式，在建立通话过程中通过信令控制终端进入环回，测量仪器通过环回比特计算BER。这方面的要求对于WCDMA和TD-SCDMA是一样的。
    WCDMA和TD-SCDMA终端接收机特性测试的指标基本一致，都包括：参考灵敏度、最大输入电平、邻道选择性、阻塞特性、杂散响应、互调特性、杂散发射，并分别适用于所有UTRAFDDUE和所有UTRATDD UE。不同的是WCDMA还要测试HS-PDSCH（高速物理下行共享信道）（16QAM）接收时的最大输入电平。除了测试HS-PDSCH（16QAM）接收时的最大输入电平和杂散发射两项内容外，WCDMA的其他项目都是靠测试下行DCH上的BER来衡量的。测试TD-SCDMA终端接收机特性时还需要注意以下几点：
    ●接收机的杂散发射测试，实际上是测量接收机限制或抑制到达接收机天线接头处的发射功率的能力，需要高精度的频谱仪来测量，也是最难得出准确结果的测试项，测量范围是30MHz-12.75GHz，在一些特殊频段有特殊的限值要求。这里同样存在3GPP的频带划分和我国实际的频带划分有出入的问题，应根据我国的实际频率分配情况制定相应的杂散限值要求。
    ●根据TS34.122中测试方法的要求，接收机杂散发射测试也要根据TS34.108第7.3.3节建立终端和系统模拟器之间的呼叫，而设备连接图中只给出了频谱分析仪和终端的连接显然是不妥的。
    4、接收机解调性能测试
    接收机解调性能测试的目的是衡量接收机在噪声、衰落等复杂条件下的解调质量，衡量标准是BLER（误块率）而不是BER。因为下行参考测量信道分为12.2kbit/s、64kbit/s、144kbit/s和384 kbit/s等4种情况，解调性能更注重于基带数据信道的解调，与单一的低速语音信道不同的是，数据信道有差错重传机制，BER并不能真实地反映出接收机的解调性能，而BLER可反映出无线链路控制（RLC）层对差错重传的要求。
    WCDMA终端解调性能的测试项目包括：静态传播条件下DCH的解调性能①、多径衰落条件下DCH的解调性能①、运动传播条件下DCH的解调性能①、生死传播条件（birthdeathpropagationcondition）下DCH的解调性能①、下行开环分集发射下DCH的解调性能②、下行闭环分集发射下DCH的解调性能③、下行站点选择分集发射④、软切换条件下DCH的解调性能①、下行功率控制②、下行压缩模式下DCH的解调性能⑤、盲传输格式监测②、寻呼信道（PCH）的解调性能②、捕获指示（AI）检测⑥。
    TD-SCDMA终端解调性能的测试项目包括：静态传播条件下DCH解调性能①、多径衰落条件下DCH解调性能①、恒定DTCH目标BLER时的下行功率控制⑦。
    其中，标示“①”的表示测试时用到多个参考测量信道，所使用UE必须支持所要求的多速率；标示“②”的指标表示适用于所有UTRAFDDUE；标示“③”的表示分两种模式测试，模式1适用于所有UTRAFDD UE，模式2仅适用于R99和R4版本的UTRA FDD UE；标示“④”的表示仅适用于R99和R4版本的UTRA FDD UE；标示“⑤”的表示分4个模式测试，模式1和模式2适用于所有UTRA FDD UE，模式3和模式4仅适用于R99和R4的UTRA FDD UE；标示“⑥”的表示仅适用于R4及以后版本的UTRA FDD UE；标示“⑦”的表示仅适用于TD-SCDMA UE。
    解调性能的测试也是整个射频一致性测试中相对复杂的部分，要求模拟多种无线信道传播环境和干扰环境。对比WCDMA和TD-SCDMA的终端解调性能测试项目可以看出，不管是从测试内容还是从测试环境要求上WCDMA终端解调性能测试都要详细得多，主要表现在：
    ●多径条件不同。TS34.122对TD-SCDMA终端动态测试的条件只规定了3种多径情况，而TS34.121对WCDMA终端动态测试的条件却规定了6种多径信道，另外还有1种移动传播信道和1种生死信道。
    ●在WCDMA协议中规定了6种发射分集方式，即空时分集（STTD）、时间切换分级（TSTD）、开环分集、闭环分集、软切换分集和站点选择分集，WCDMA终端射频测试规范规定了大部分的分集情形下的解调性能测试要求，测试中都需要衰落模拟器和多个系统模拟器。而TD-SCDMA规范并没有对其所采用的关键技术（如智能天线波束赋形下的接力切换等）下的解调性能做出要求。
    ●压缩模式测量是指在进行异频、异系统测量时，WCDMA终端发送无线帧时并不满帧发送，而是采用一定措施空出一段时间，在这段空出的时间内，解码器切换到其他频率或制式进行测量。TD-SCDMA是时分系统，不必进行压缩模式测量。
    ●盲传输格式检测是指手机接收到的传输块没有包含传输格式说明（transportformatcombinationidentifier，TFCI）的情况下，终端必须能正确检测出以下9种速率数据包的传输格式：12.2 kbit/s*、10.2 kbit/s、7.95 kbit/s*、7.4 kbit/s、6.7 kbit/s、5.9 kbit/s、5.15 kbit/s、4.75 kbit/s、1.95 kbit/s*，其中*标注的3种速率是TS 34.121中规定必须测试的。与其他测试项不同的是，盲检测不但要测试BLER，还要测试盲检测率（FDR）。测试FDR时，终端需要正确检测出下行传输格式，解码其数据并根据检测的传输格式产生相应的TFCI比特，手机环回数据并带循环冗余校验，在软交换侧测试上行TFCI错误的个数。盲检测需要在静态信道和动态信道多径环境case3两种情况下进行测试。接收机的AI性能测试由错误告警概率和正确检测概率共同决定，测试在静态条件下进行。盲检测和AI性能是WCDMA终端测试所特有的。
    ●除了DCH的解调性能外，WCDMA还测试了如PCH等其他信道的解调性能，TD-SCDMA规范中也对其他信道的测量有所考虑（如BCH（广播信道）），但并未提出明确的测试方法和测试要求。
    5、关于通用测试条件
    射频通用测试条件是指在呼叫连接建立过程中和连接建立之后，测试系统所必须遵从的物理信道功率和其他参数的设置情况，是得到准确测量结果的前提条件。
    在TS34.122中，对TD-SCDMA终端的射频特性测试连接建立过程中涉及到的下行物理信道声明如下：
    ●连接建立过程中涉及的下行物理信道包括：PSCH（基本同步信道）、PCCPCH（基本公共控制信道）、DPCH、PICH（寻呼指示信道）。
    ●连接建立以后发射端特性测试涉及的下行物理信道包括：DPCH、PSCH、PCCPCH、PICH、OCNS（正交信道噪声源）。接收端特性测试涉及的下行物理信道包括：CPICH（公共导频信道）、PCCPCH、SCH、PICH、DPCH。性能测试涉及的下行物理信道包括：CPICH、PCCPCH、SCH、PICH、DPCH、OCNS。
    在TS34.121中，对于WCDMA通用测试条件则定义得更为具体，涉及到的下行物理信道都给出了明确的功率限值，并且介绍了支持HSDPA和不支持HSDPA测试时的信道情况。
    （1）不支持HSDPA的测试
    连接建立过程中涉及的下行物理信道包括：?or、CPICH（CPICH_Ec/?or=-3.9dB）、P-CCPCH（主公共控制物理信道）（P-CCPCH_Ec/?or=-8.3dB）、SCH（SCHEc/?or=-8.3 dB）、PICH（PICH_Ec/?or=-8.3 dB）、S-CCPCH（辅助公共控制物理信道）（S-CCPCH_Ec/?or=-5.3 dB）。
    连接建立以后发射端特性测试涉及的下行物理信道包括：?or（-93dBm/384MHz）、CPICH（CPICH_Ec/DPCH_Ec=7dB）、P-CCPCH（P-CCPCH_Ec/DPCH_Ec=5 dB）、SCH（SCH Ec/DPCH_Ec=5 dB）、PICH（PICH_Ec/DPCH_Ec=2 dB）、DPCH（-1033 dBm/384 MHz）。接收端特性测试涉及的下行物理信道包括：CPICH（CPICH_Ec/DPCH_Ec=7 dB）、P-CCPCH（P-CCPCH_Ec/DPCH_Ec=5 dB）、SCH（SCH_Ec/DPCH_Ec=5 dB）、PICH（PICH_Ec/DPCH_Ec=2 dB）、DPCH。接收机杂散发射测试的特殊要求为：CPICH（-86 dBm/384 MHz）、P-CCPCH（P-CCPCH_Ec/CPICH_Ec=-2 dB）、SCH（SCH_Ec/CPICH_Ec=-2 dB）、PICH（PICH_Ec/CPICH_Ec=-5 dB）、S-CCPCH（S-CCPCH_Ec/CPICH_Ec=-2 dB）。性能测试涉及的下行物理信道包括：P-CPICH（P-CPICH_Ec/?or=-10 dB）、S-CPICH（S-CPICH_Ec/?or=-10 dB）、P-CCPCH（P-CCPCH_Ec/?or=-12 dB）、SCH（SCH_Ec/?or=-12 dB）、PICH（PICH_Ec/?or=-15 dB）、DPCH、OCNS。
    WCDMA测试规范中，除了上述测试要求外，还规定了对已调干扰信号相关物理信道的时间偏置和相对电平的设置、开闭环分集发射模式下的物理信道功率的设置及OCNS信号的DPCH信道化码和相对电平的设置等，测试条件的描述相对都比较清楚。
    （2）支持HSDPA的测试
    支持HSDPA测试时同样也包括呼叫建立过程和之后的各种物理信道电平设置，只是增加了某些专用HSDPA信道，而且说明了各自的测试适用条目。
    除此之外，TS34.121还给出了测试过程中支持HSDPA和不支持HSDPA两种情况下的下行物理信道的扩频码配置参考方案。
    从以上对比可以看出，关于通用测试条件的描述，WCDMA要比TD-SCDMA清楚得多，这会影响TD-SCDMA射频测试的规范性和一致性。
    6、关于测试不确定度和测试容限
    由于测量误差的不可避免和设备不确定度的限制，以及电压、温度等环境因素的影响，所以必须测试不确定度，测试不确定度是测量结果的重要组成部分。对测试不确定度的要求一般分为设备不确定度和系统不确定度，设备不确定度是用来规范构成测试设备的某些元器件的关键参数，而系统不确定度表示整个测试系统所产生的结果相对真值的分散程度。
    由于测试不确定度的存在，导致了测试结果不可能完全和真值相同，这就产生了测试容限（TT）的概念，TT实际上降低了对测试结果的要求。影响测试的因素间的关系如图1所示。

图1  不确定度、TT和测试结果的关系

表1、表2是TS34.121、TS34.122规范对WCDMA和TD-SCDMA关于不确定度和TT方面的要求。“★”表示要求完全明确或只有极个别项不明确；“☆”表示只有部分要求明确；“О”表示要求完全不明确。

    表1  WCDMA测试规范对不确定度和TT的要求

表2  TD-SCDMA测试规范对不确定度和TT的要求

从以上对比可以看出，在对测试不确定度和测试容限的要求方面，两个规范有比较大的差别，TD-SCDMA规范应加快更新的步伐。测试不确定度是建立认证级测试系统所必须明确的问题，直接关系到测试系统的准确性与权威性。    7、结束语
    由于3G系统在中国的大规模商用已经指日可待，而WCDMA和TD-SCDMA无疑将会在未来的网络中占有举足轻重的地位，深入研究二者在技术细节和生产、测试等环节的差别和联系，将会起到相互借鉴、取长补短的作用。WCDMA在产品、标准、商用实践和产业链方面都相对成熟，通过以上对两大体制在终端射频一致性测试方面的对比分析发现，在3GPP的TD-SCDMA技术规范中还有许多细节亟待完善，当然3GPP的技术规范只是其成员组织认可的技术性文件，要想成为国家或地区的行业标准还有许多工作要做，希望通过类似的对比分析发现彼此的差距和问题，以便在制定行业标准的时候能够尽可能地解决这些问题，同时也促进产业联盟的相关企业加大研发力度，尽早实现我国移动通信产业的国产化。