LTE-Strahlformung testen

LTE wird zur vorherrschenden Mobilfunktechnologie. Neben weiteren neuen Funktionen bietet dieser Standard mit der Multiple-Input-Multiple-Output-Technologie (MIMO) zahlreiche Vorteile. Diese erhöht den Durchsatz, vergrößert die Reichweite, reduziert Störungen und verbessert den Signal/Stör-Abstand (SINR) mit Hilfe der Strahlformung. LTE unterstützt verschiedene Betriebsarten, um die Übertragungseinstellungen zu optimieren. Eine LTE-MIMO-Basisstation besteht aus einer Basisbandeinheit, einem Remote Radio Head (RRH) und einer Gruppe von bis zu acht Antennen. Der RRH mischt für jede Antenne die digitalen Signale der Basisbandeinheit in analoge Signale hoch.

Ihre Anforderung

In dem beschriebenen Szenario steuert die Basisstation-Software die Gewichtung der einzelnen Antennensignale, um die Hauptkeule des Strahls zum Endgerät auszurichten. Diese Signale sehen kompliziert aus. Das Verhältnis der Gewichtung zwischen den Kanälen ist aufgrund der Polarisation eine Multiplikation mit einem komplexen Vektor. Für Software-Tests oder System-Debugging ist es wichtig, die Signale zu untersuchen und die Gewichtung zu verifizieren. Diese kann entweder gemäß dem Standard vorgegeben sein oder sie lässt sich an die Position des Endgeräts anpassen.

Messtechnische Lösung

Messaufbau

Für diese Anforderung sind das R&S®RTO2044 und das R&S®RTO1044 leistungsfähige Werkzeuge zur Untersuchung und Analyse von Betrag und Phasenverschiebung zwischen Antennenkanälen. Aufgrund der hohen Erfassungsrate und der leistungsstarken FFT lassen sich Signaländerungen schnell und ohne Abwärtsmischung entdecken. Die Bandbreite des R&S®RTO deckt die festgelegten Frequenzbänder ab.

Strahlformung im Antennendiagramm

Strahlformung kommt bei LTE üblicherweise im Zeitduplex-Modus (TDD) zum Einsatz, wenn das Signal nicht zusammenhängend ist. Für diese Signale verfügen die R&S®RTO Oszilloskope über die Trigger-Arten „Width“ und „Window“. Mit diesen lässt sich der Downstream-Puls erfassen und verhindern, dass Pausenzeiten aufgezeichnet werden. Dadurch wird die Spektrumanalyse wesentlich vereinfacht. Ein weiterer Vorteil ist die Mehrkanaligkeit des R&S®RTO. Sie lässt sich ganz einfach auf mehrere Oszilloskope ausweiten, falls mehr als vier Kanäle parallel analysiert werden müssen.

Applikationen

Im Beispielmessaufbau wurden die Kanäle REF und MEAS1 eines LTE-Senders an das R&S®RTO angeschlossen. Dies entspricht einem 1×2-MIMO-System.

Vertikale und horizontale Einstellungen

In einer ersten Messung aktiviert der LTE-Sender ein LTE-TDD-Signal, und das Oszilloskop erfasst dieses Signal mit zwei Kanälen und einer vertikalen Skalierung von mehr als 80 % des kompletten Darstellungsbereichs.

Abb. 3: Stabiler Trigger eines LTE-TDD-Signals

Die horizontale Skalierung wird so eingestellt, dass ein Kompromiss zwischen einer hohen Erfassungsrate, einer genügend großen Anzahl von Abtastwerten für die FFT und einer hinreichenden Auflösebandbreite (RBW) erreicht wird.

Der Width-Trigger des R&S®RTO wird angewandt, um nur die Bursts eines LTE-TDD-Signals zu erfassen. Die Lücken zwischen den Pulsen werden ignoriert, und die FFT-Messung des Signals wird nicht durch das Rauschen der Abschnitte mit den Lücken beeinflusst.

Abb. 3 zeigt einen stabilen Graphen von zwei LTE-TDD-Bursts, die mit einem Width-Trigger von 1 ms und einer langen Aufzeichnungszeit von 20 ms erfasst wurden. Der Trigger-Pegel wird mit einer roten, gestrichelten Linie dargestellt.

Abb. 4: Spektrum und Effektivwertmessung eines LTE-TDD-Signals

Signalleistung

Um die spektrale Konformität eines Signals zu prüfen, wird das Spektrum des REF-Kanals unten angezeigt. Wie erwartet handelt es sich um ein 15 MHz breites Signal bei 2,0175 GHz (LTE-Band). Die Gewichtung lässt sich in Bezug auf den Betrag mit der automatisierten VRMS-Messfunktion für die Kanäle REF und MEAS messen. Das Verhältnis der Effektivspannungen zwischen den Kanälen REF und MEAS ergibt den Betrag des Gewichtungsfaktors. Abb. 4 zeigt rechts die Messung der Effektivspannung, unterhalb befinden sich die Messkurven der Kanäle REF (blau) und MEAS (rosa). Diese Messung liefert einen exakten Wert, da sie sich nur auf das Signal bezieht. Die Trigger-Einstellung gewährleistet, dass das Rauschen während einer Lücke von der Messung ausgeschlossen ist.

Abb. 5: Phasenversatz zwischen den Kanälen REF und MEAS

Phasenverschiebung

Für die Phasenverschiebung zwischen den Kanälen REF und MEAS wird ein MATH-Kanal eingerichtet, um den Phasenversatz zu berechnen. Abb. 5 zeigt das Ergebnis.

Abb. 6: Phasenversatz mit optimierten Erfassungsparametern

Zwei Dinge stechen hervor:

  • erstens die vereinzelten Nadelimpulse auf der Messkurve. Diese Nadelimpulse entstehen aufgrund von nicht-symbol-synchronem Abtasten. Sie können reduziert werden, indem man das Oszilloskop an den Sendertakt koppelt, die FFT-Auflösebandbreite (RBW) an die LTE-Unterträgerbandbreite von 15 kHz angleicht und die Trigger-Position auf den optimalen Zeitpunkt einstellt, in diesem Beispiel 40 μs. Der verbesserte Phasenversatz wird in Abb. 6 dargestellt und erscheint wesentlich glatter. Das Spektrum des REF-Kanals hat sich im Vergleich zu Abb. 4 ebenfalls verbessert
Abb. 7: Formeleditor, um den Phasenversatz ohne Verfälschung zu berechnen

  • Zweitens wird die Messkurve aufgrund der Laufzeit im Messaufbau von einer linearen Funktion überlagert. Die Auswirkung der Laufzeit oder jeder beliebigen anderen Phasenabweichung lässt sich einfach beseitigen, indem man den Aufbau ohne Strahlformung (Gewichtung) kalibriert, eine REF-Messkurve aus dem Phasenversatzgraph bildet und die REF-Messkurve vom Phasenversatz abzieht. Abb. 7 zeigt die Definition im MATH-Menü mit der Funktion „fftphi“, die die Phase zwischen den gewählten Kanälen berechnet

Fazit

Die LTE-Strahlformung lässt sich mit einem oder mehreren R&S®RTO Digitalen Oszilloskopen für ein 1×2-, 1×4- oder sogar ein 1×8-MIMO-System exakt testen. Betrag und Phase werden in einem typischen Testszenario mit hinreichender Genauigkeit untersucht. Die Messung erfordert keine dedizierte Software und lässt sich mit der Standard-Firmware des R&S®RTO durchführen.

Bibliografie

  • M. Kottkamp, A. Rössler, J. Schlienz, J. Schütz. LTE Release 9 Technology Introduction. München: Rohde & Schwarz GmbH, 2011
  • Bernhard Schulz. LTE Transmission Modes and Beamforming. München: Rohde & Schwarz GmbH, 2015
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