CN105979545A - 基于8通道载波聚合LTE-Advanced空口技术分析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于8通道载波聚合LTE‑Advanced空口技术分析装置。该分析装置通过对8通道的CA与eMIMO信号接收与检测、数字解调、解码、分析与传输、基带并行运算处理等的大吞吐量与实时性设计，提供了一种适用于LTE‑Advanced基带、物理层、高层协议栈指标测试的集成测试装置，该装置属台式便携装置，设计原理清晰、结构合理、易于扩展、成本低廉。本发明主要有如下几方面特点：1、独立8通道射频设计，支持CA与eMIMO测试；2、并行8通道基带同步处理，支持物理层实时解调；3、嵌入式FPGA+DSP+ARM架构解决高吞吐量并行测试。通过上述设计实现了8通道载波聚合LTE‑Advanced空口测试需求；此外，本发明装置最高可支持空口8天线5载波聚合解析实时处理，测试效率高。

Description

基于8通道载波聚合LTE-Advanced空口技术分析装置
技术领域
本发明涉及一种基于8通道载波聚合LTE-Advanced空口技术分析装置。
背景技术
在移动互联网高速发展的今天，智能终端持有量飞速增长，带动着全球数据流量大幅度的提升。人们日益希望通过无线方式传输更多的数据内容，比如更高质量的视频内容。凭借着提供10倍于3G的传输速率，LTE-Advanced能够为用户提供可靠地无线网络体验。网络运营商出于竞争压力、降低网络承载压力和成本驱动等因素，纷纷向LTE-Advanced演进。根据全球移动设备供应商协会(Global Suppliers Associaion，GSA)的报告，截至2015年7月已有超过143个国家部署了422张商用LTE网络，其中88个家运营商在45个国家推出了LTE-Advanced商用网络，预计2015年底全球LTE用户达10亿。与其他技术相比，移动通信的换代特性更为明显，几乎是每十年研发一代，再十年部署运营一代，同时研发下一代。自1968年贝尔实验室提出蜂窝移动通信***概念以来，移动通信已经经历了四代***的演变，目前正处于三代与四代混合运营阶段，并正在向着未来的第五代***迈进。
尽管目前3G的所有标准和规范早已冻结并获得通过，但3G***仍存在很多不足，如采用电路交换，而不是纯IP方式；最大传输速率达不到2Mbps，无法满足用户高带宽要求；多种标准难以实现全球漫游等。正是由于3G的局限性推动了人们对下一代移动通信***——4G的研究和期待。***移动通信***可称之为宽带接入和分布式网络，其网络结构将采用全IP方式构建。4G网络采用许多空口关键技术来支撑，包括：正交频率复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)、载波聚合(Carrier Aggregation，CA)技术、自适应调制和编码技术(Adaptive Modulation and Coding，AMC)、增强多输入输出(enhanced Multiple-Input Multiple-Output，eMIMO)技术、eICIC(enhanced Inter-CellInterference Coordination)和智能天线技术，基于IP的核心网技术，软件无线电技术以及网络优化和安全性等。另外，为了保持与传统网络的兼容性、异构网络的融合性需要利用多种网关建立网间互联，所以4G将是一个支持多协议的复杂网络。
LTE-Advanced无线通信***，由于需要支持更大的带宽和更高的用户移动速度，全面支持分组数据业务、更短的传输时延等，以及多小区动态管理、CA、eICIC、UL-MIMO(Up LinkMIMO)多天线传输等新技术引入，使得LTE-Advanced的基带信号测试更加复杂和困难。
目前，3GPP制订的LTE已经成为全球主流的宽带无线移动通信标准。LTE-Advanced即LTE R10标准是为满足ITU(International Telecommunications Union)的1Gbit/s峰值要求的4G技术。而LTE最新的技术演进R13版本代表了4.5G技术，也是5G技术之前最新的商用化移动通信技术。在LTE-Advanced众多空口关键技术中，尤其是CA技术(3载波/5载波)与eMIMO技术(8天线)的应用导致信息数据处理的运算量成倍增长，迫切需要支持8天线5载波的数字信号处理同时满足实时对物理层、高层协议栈检测、解调、解码、分析等。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于8通道载波聚合LTE-Advanced空口技术分析装置，以快速实现对LTE-Advanced上/下行信号的多载波聚合与8通道增强MIMO指标的测试。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于8通道载波聚合LTE-Advanced空口技术分析装置，包括8个极化方向不同的天线阵列、8路射频通道、8片A/D、2片FPGA、2片DSP以及2片ARM；其中，每一个天线阵列对应一路射频通道；每路射频通道均由射频输入的端口、60dB输入衰减器、第一级带通滤波器、射频低噪声前置放大器、射频混频器和第二级带通滤波器构成；其中，射频输入的端口用于连接天线阵列；基站下行信号与终端上行信号经过8路射频通道分别与8路本振信号进行下混频形成8路的模拟中频信号，8路的模拟中频信号经过A/D变换后形成8路的数字中频信号，8路的数字中频信号分两组每4路交给1片FPGA处理，从而形成两组8路采样率为30.72Msps的基带LTE信号，基带LTE信号传输给DSP进行物理层解映射、解调、解码形成原始bit数据流，再传输给ARM进行高层协议栈指标测试的预处理。
本发明具有如下优点：
本发明通过对8通道的CA与eMIMO信号接收与检测、数字解调、解码、分析与传输、基带并行运算处理等的大吞吐量与实时性设计，提供了一种适用于LTE-Advanced基带、物理层、高层协议栈指标测试的集成测试装置，该装置属台式便携装置，设计原理清晰、结构合理、易于扩展、成本低廉。本发明装置主要有如下几方面特点：1、独立8通道射频设计，支持CA与eMIMO测试；2、并行8通道基带同步处理，支持物理层实时解调；3、嵌入式FPGA+DSP+ARM架构解决高吞吐量并行测试。通过上述设计利于实现8通道载波聚合LTE-Advanced空口测试需求；此外，本发明装置最高可支持空口8天线5载波聚合解析实时处理，相对于其他测试方案，软件控制流程简单，测试效率高。
附图说明
图1为本发明中基于8通道载波聚合LTE-Advanced空口技术分析装置的架构框图；
图2为本发明中8通道载波聚合与增强MIMO嵌入式处理的架构原理框图；
图3为本发明中基带、物理层、高层协议栈处理模块的原理框图；
图4为本发明中基于FPGA实现的LTE-Advanced功率测试原理框图；
图5为本发明中基于FPGA实现的LTE-Advanced频率测试原理框图；
图6为本发明中基于FPGA和DSP实现的LTE-Advanced调制域测试原理框图；
图7为本发明中基于DSP实现的LTE-Advanced物理层解析测试原理框图；
图8为本发明中基于8通道载波聚合LTE-Advanced空口技术分析的软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
基于8通道载波聚合LTE-Advanced空口技术分析装置，包括独立8通道射频通道模块、独立8路数字中频模块、并行8天线基带处理模块、物理层处理模块、高层协议栈处理模块、独立8路本振模块、主控模块、显示模块以及开关电源模块等。
本发明基于软件无线电理论、数字信号处理技术和嵌入式开发技术，通过上述模块的集成，可以实现对CA与eMIMO的空口信号接收、传输、检测、解调、解码、分析等。
下面结合图1至图3具体说明上述各个模块的设计原理。
1、独立8通道射频通道模块的设计原理如下：
独立8通道射频通道模块具有8个射频输入的端口，例如端口RF1～RF8，分别用于连接8个极化方向不同的天线阵列，每一路天线阵列对应一路射频通道。
每路射频通道均由60dB输入衰减器、第一级带通滤波器、射频低噪声前置放大器、射频混频器和第二级带通滤波器构成，可以实现LTE-Advanced射频载波信号由空中接口的高频段转变为153.6MHz的低频段载波信号，同时具有宽频率输入范围和高功率输入动态范围以及能识别微弱小信号的高灵敏度的功能，为独立8路数字中频模块提供纯净的中频调制信号。
2、独立8路数字中频模块与并行8天线基带处理模块设计原理如下：
每一路射频通道对应一路中频通道，8路射频信号经过下混频后传输给A/D转换器。其中，4路A/D转换器为一组，该组LTE-Advanced调制信号传输给一片FPGA负责实现4路并行信号的数字下变频(DDC)、多相滤波、数字抽取、数字滤波、FFT、LTE同步检测、Serdes接口等，实现数字调制信号的IQ正交解调、速率匹配、时频域变换、时隙信号功率触发、帧头位置定位、4天线基带数据高速传输等。8片A/D和2片FPGA组成8天线基带处理单元为后端DSP芯片的物理层处理提供具有帧同步的基带信号。
3、物理层处理模块的设计原理如下：
前一级8天线基带数据流分两组，同时交由2片DSP协同处理，该芯片负责实现LTE-Advanced基带信号的物理层解调与解码、MIMO信号检测与解调解析、并行处理4天线载波聚合处理、Serdes接口等，实现3GPP R10/11/12/13协议的TS36.212/213功能、多天线的MIMO解析与多载波独立功能，并把解码后bit数据流PDU(Protocol Data Unit)传输给后端ARM芯片处理。
4、高层协议栈处理模块的设计原理如下：
前一级多天线物理层解码后的bit数据流分两组，同时交由2片ARM协同处理，该芯片负责实现LTE-Advanced高层协议栈MAC/RLC/PDCP/RRC/NAS的PDU解析处理、层与层之间的业务监测处理和跨层关联处理。其中，MAC层部分负责多载波数据流汇聚(载波聚合处理)，RLC层/PDCP层/RRC层/NAS层分别负责高层协议栈对应部分的PDU解析。
此外，本发明还给出了上述空口技术分析装置的处理过程：
基站下行信号与终端上行信号经过8路射频通道分别与8路本振信号进行下混频形成8路的模拟中频信号，8路的模拟中频信号经过A/D变换后形成8路的数字中频信号，8路的数字中频信号分两组每4路交给1片FPGA处理，从而形成两组8路采样率为30.72Msps的基带LTE信号，基带LTE信号通过高速串行接口传输给DSP进行物理层解映射、解调、解码形成原始bit数据流，再通过芯片内部高速总线传输给ARM进行处理。同时该ARM附带预处理测试项控制，并通过以太网接口传输消息给上位机CPU的软件进行显示等处理。
图4至图7分别示出了利用本发明装置进行LTE-Advanced功率测试、频率测试、调制域测试以及物理层解析测试的原理框图。图8示出了基于8通道载波聚合LTE-Advanced空口技术分析的软件流程图。由上述图4至图8可以看出，本发明装置的数字中频处理由高速A/D和高性能FPGA构成；多通道基带处理由FPGA完成；物理层与高层协议栈由DSP(含ARM核心)完成；软件测试功能(包括频率测试、频谱测试、功率测试、调制域测试、码域测试等)的预处理由ARM完成；底层控制和人机接口、调度等由上位机完成。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (1)

1.基于8通道载波聚合LTE-Advanced空口技术分析装置，其特征在于，包括8个极化方向不同的天线阵列、8路射频通道、8片A/D、2片FPGA、2片DSP以及2片ARM；其中，每一个天线阵列对应一路射频通道；每路射频通道均由射频输入的端口、60dB输入衰减器、第一级带通滤波器、射频低噪声前置放大器、射频混频器和第二级带通滤波器构成；其中，射频输入的端口用于连接天线阵列；基站下行信号与终端上行信号经过8路射频通道分别与8路本振信号进行下混频形成8路的模拟中频信号，8路的模拟中频信号经过A/D变换后形成8路的数字中频信号，8路的数字中频信号分两组每4路交给1片FPGA处理，从而形成两组8路采样率为30.72Msps的基带LTE信号，基带LTE信号传输给DSP进行物理层解映射、解调、解码形成原始bit数据流，再传输给ARM进行高层协议栈指标测试的预处理。
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