一种手持式NB-IoT终端综合测试仪的设计与实现*

摘要：随着5G技术的成熟与快速发展，推动了窄带物联网NB-IoT技术的长期演进。由于具有广覆盖、高密度、低功耗、低成本等特点，NB-IoT终端获得了大量应用，NB-IoT终端信号分析也就成为了终端一致性测试的关键。本文在分析NB-IoT终端测试协议基础上，提出了一种手持式NB-IoT终端综合测试仪设计方法，集成了终端的多种测试功能，提高了NB-IoT终端在生产测试中的测试效率。测量结果验证了所提方法的有效性。

*基金项目：中国电科集团发展资金项目，5G专网多通道基站综测仪

0 引言

随着5G 技术的成熟与快速发展，推进了窄带物联网NB-IoT 技术的长期演进。在3GPP R14、R15 和R16b 版本中，作为低功耗广域物联网技术，NB-IoT 技术的演进和升级[1-2]，使之进入了5G 候选技术集合[3]。作为物联网通信标准之一，NB-IoT 技术支持广泛的新物联网设备连接和服务，有利于实现物联网设备的大规模部署和低成本、低功耗、长电池使用寿命方案的实施。它具有广覆盖、高密度、低功耗、低成本等特点，又能基于现有蜂窝基站基础设施实现大量物联网设备的互联互通，在智慧城市建设、工业自动化、智能交通、智能家居和数字医疗等领域得到了大量应用[4-6]。由于基于NB-IOT 技术的物联网设备的大规模部署、种类繁多的物联设备和低成本要求，对这些设备的各种测试提出了很高的要求，测试的复杂性也随之增加。

对于NB-IOT 终端设备的测试主要分为NB-IOT 协议一致性测试、NS-IOT 测试、RRM 一致性测试、射频RF 指标测试、功耗测试、互操作性测试、OTA 测试和产线测试等。文献[7-8] 基于TTCN-3 技术提出了NB-IoT 终端射频一致性测试平台，仅能满足协议栈的一致性测试和实验室验证。如何满足不同种类NB-IoT终端设备的低成本高效测试已成为一个亟待解决的难题。目前国外主流仪表生产厂商都是基于现有仪表硬件架构，通过NB-IoT 软件升级包的形式支持测试，因此其低成本的优势也就不再显现；国内仪表厂商对于NBIoT测试的仪表功能单一。综上所述，本文针对NBIOT终端设备提出了一种低成本、手持式、支持多功能测试的终端综测仪软硬件设计方法和实现技术。

作者简介：王先鹏（1986—），男，通信作者，硕士，工程师，主要研究方向：5G NR/LTE移动通信测试系统开发，e-mail:wangxianpeng86@163.com。

1 NB-IoT终端综测软硬件设计

1.1 硬件平台设计

由于NB-IoT 终端具有低功耗、低成本等特点，所以NB-IoT 终端综测硬件平台需要一个高指标，低成本的射频前端模块、高效的数据处理模块和协议栈模块以及低功耗分析检测模块。综合考虑多方面因素，本文提出了一种硬件总体设计方案，结构如图1 所示。

图1 NB-IoT终端综测议硬件结构框图

射频模块由射频发射通道、射频接收通道、收发本振、射频开关矩阵和时基参考板构成，实现射频信号与中频信号的相互转化。射频开关矩阵使用NB-IoT终端产线的自动化快速测试方法，而一般单台仪表的标配为一个收发合路的天线模块。射频频率范围为（70~6 000）MHz。中频处理模块由FPGA+ARM 结构组成，FPGA 实现下行信号的发送和上行信号的采集分析，ARM 实现线程调度、数据分析、与人机接口通信以及整机状态维测管理等；协议栈模块负责NB-IoT 信令流程交互控制；功耗分析模块实现对终端的电流分析。

NB-IoT 下行采用OFDMA 技术，占用带宽200 kHz，实际占用180 kHz，两边各有10 kHz 的保护带宽，在LTE Inband 部署时相当于1 个RB。下行子载波带宽15 kHz。NB-IoT 上行则采用SC-FDMA 技术，有3.75 kHz和15 kHz 两种带宽。鉴于射频硬件和FPGA+ARM 构成的数据处理模块的通用性（例如支持LTE 测试），中频处理单元采样率设为30.72 Mbit/s，分析带宽为30.72 MHz。中频信号处理单元将中频信号通过A/D 模数转换器变成数字信号，且FPGA 可以采用中频功率或者帧同步实现终端上行信号的同步。

1.2 软件架构设计

根据硬件架构以及支持的功能划分，NB-IoT 终端综测仪软件架构如图2 所示。

图2 NB-IoT终端综测仪软件架构图

从图中可以看出，软件部分主要包含中频和射频逻辑处理模块、驱动模块、ARM 中的业务调度模块、数据处理模块、统计分析模块、TCP 通信模块、协议栈和人机/ 自动化接口等。NB-IoT 物理层的数据分析由FPGA 完成实时IQ 数据的采集、解调和计算，ARM 进行业务调度，同步实现数据处理和统计分析。协议栈模块仅在进行NB-IoT 协议测试（信令模式）时才被激活，与FPGA 中物理层实时处理单元构建一个完整的上下行通信链路。

2 测试结果

本文选择NB-IoT 终端进行非信令模式下射频指标测试。中心频率1 GHz 作为测试例，模式设置为DL FDD Stand-alone，触发模式为中频功率触发，相关参数配置按照3GPP TS 36.101、3GPP TS 36.521 协议中规定进行设置[9-10]，具体测试结果如图3 所示。

图3 NB-IoT射频指标非信令测试结果

图3 中显示与NB-IoT 终端上行信号同步成功，并从时域、频域和解调域3 个方面对终端上行信号进行了分析，包括：EVM、星座图、频谱、时域功率和资源分配表等。

3 结束语

本文针对NB-IoT 的特点和测试需求，提出的硬件平台设计方法可以实现NB-IoT 的信令与非信令测试，通过8T8R 功分模块实现产线多终端自动化并行快速测试。本文所提出的设计方案实现了单台NB-IoT 终端综测仪集协议测试、射频指标测试、RRM 测试的一体化，在生产测试和内外场测试中显著提高测试效率，降低了成本。

参考文献：

[1] 解运洲.NB-IoT标准体系演进与物联网行业发展[J].物联网学报,2018,2(1):76-87.

[2] 黄宗伟.3GPP窄带物联网(NB-IoT)技术在R14版本中的增强[J].广东通信技术,2019(1):14-17.

[3] 黄海峰.NB-IoT确定为5G候选技术 未来发展将加速[J].通信世界,2019(0): 5-6.

[4] 高宏宇,王鸿磊,凌启东.基于NB-IoT的云平台无线数据监控系统设计[J].河北软件职业技术学院学报术,2019,21(1):10-13.

[5] 邵泽华.NB-IoT通信技术在智能燃气表的应用[J].煤气与热力,2019(5):后插24-27.

[6] 李建飞,李建鑫.基于NB-IoT技术的水质监测系统设计[J].价值工程,2019(29):230-232.

[7] 王晰,李致远.NB-IoT终端一致性测试模型设计[J].移动通信,2018,42(5):6-13.

[8] 陈发堂,周述淇,郑辉.NB-IoT随机接入过程的分析与实现[J].电子技术应用,2018,44(2):75-79,87.

[9] 3GPP TS 36.101 V16.8.0(2020-12);Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);User Equipment(UE) radio transmission and reception(Release 16)[S],2020.

[10] 3GPP TS 36.521 V16.7.0(2020-12);Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA);User Equipment(UE) conformance specification; Radio transmission and reception (Release 16)[S],2020.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年6月期）