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5G测试需求及热点测试方案研究 —— NB-IoT专题

核心内容

本文围绕5G网络中NB-IoT（窄带物联网）技术展开，重点分析了NB-IoT在低功耗、大连接、广覆盖等方面的测试需求、测试方案及关键指标，旨在为NB-IoT的标准化和产业化发展提供测试支持和技术指导。

主要观点

• NB-IoT特性：具备低功耗、广覆盖、大连接、低成本等优势，适用于智能计量、环境监测、物流跟踪等物联网应用。
• 测试需求：包括低功耗测试、大连接测试、广覆盖测试、多场景测试（如室内、室外、地下）及垂直行业测试（如电力、工业、农业等）。
• 测试挑战：包括测试场景及终端形态多样化、海量终端连接对测试效率和成本的影响、缺乏成熟的功耗测试方法、生产测试效率提升需求、物联网设备安全性保障等。
• 测试方案：提出综合测试系统，整合协议测试、射频测试、OTA测试、功耗测试、生产测试等，以降低测试成本和提高测试效率。
• 测试指标：涵盖终端无线资源管理（如小区重选、RRC重建立、随机接入等）、终端射频指标（如发射功率、接收灵敏度、频率误差等）、基站负载测试（如支持5万用户接入）、增强覆盖测试（如支持164dB MCL）等。

关键信息

2.1 应用场景

2.2.1 低功耗测试

• 构建贴近现实的功耗模型；
• 测试终端电池自放电情况；
• 测试终端在不同环境和业务模型下的整机耗电；
• 验证终端休眠机制对功耗的影响。

2.2.2 大连接测试

• 支持每小区5万用户接入；
• 测试网络与终端的负载协调能力；
• 测试负载分流机制；
• 测试上行和下行连接容量极限；
• 测试异常处理机制。

2.2.3 广覆盖测试

• 验证下行信号强度、覆盖半径等；
• 测试上行射频发射功率、OTA、带外干扰；
• 测试不同信道条件下的系统性能（MCL<144dB、MCL=144-154dB、MCL>154dB）。

2.3 测试挑战

• 技术层面：NB-IoT在信道带宽、双工方式、帧结构等方面与LTE不同，需全新测试方案；
• 市场层面：需同步推进网络设备、终端设备、测试仪表的商用化和标准化。

3.1.1 标准制定

• 2014年：NB M2M（华为与沃达丰）；
• 2015年：NB CIoT（融合高通方案）；
• 2015年9月：NB-IoT（融合NB-LTE与NB-CIoT）；
• 3GPP R13冻结于2016年6月。

3.1.2 系统设计

• 支持20dB覆盖延伸（164dB MCL）；
• 支持In-band、Guard-band、Stand-alone三种部署模式；
• 支持大用户量低速率设备接入（约5万/小区）；
• 支持低时延、低设备成本、低功耗等。

3.4.1 终端测试

• 协议测试：包括空闲状态、RRC连接管理、无线链路监测等；
• 射频测试：包括发射功率、接收灵敏度、频率误差、EVM、邻道泄露比等；
• OTA测试：简化传统测试流程，减少测试时间；
• 功耗测试：测试不同DRX配置下的空闲与连接状态功耗；
• 生产测试：包括校准（AFC、AGC、APC）和综合测试（射频一致性）。

3.4.2 基站测试

• RF测试：验证发射与接收指标，支持系统共存；
• 协议一致性测试：确保全球范围内的互联互通；
• 关键KPI测试：包括接入效率、接入延时、QoS等；
• 网络安全测试：包括加密、完保、数字签名等；
• 大连接测试系统：模拟52000个UE接入，验证基站信令处理能力；
• 增强覆盖测试系统：通过信道仿真器，验证在极端覆盖场景下的数据吞吐能力（≥160bps）。

3.5.1 终端无线资源管理测试指标

• 小区重选时延：普通覆盖下需小于特定值，增强覆盖下需更大；
• RRC重建立时延：包括小区搜索、系统消息读取、随机接入过程及补偿时间；
• 竞争随机接入指标：未明确，需进一步研究；
• 终端发送定时精度：初始偏移≤80Ts-KTs，最大调整步长58.33Ts；
• 终端定时提前精度：误差≤±13.33Ts；
• 无线链路监测指标：与NPDCCH重复传输等级（Rmax）相关。

3.5.2 终端射频测试指标

• 系统带宽：Standalone模式下为200kHz，In-band和Guard-band模式下为180kHz；
• 工作频段：重用E-UTRA频段，双工方式为FDD；
• 信道间隔：Standalone为200kHz，In-band为180kHz；
• 最大输出功率：Class 3（23dBm）和Class 5（20dBm）；
• 最小输出功率：-40dBm；
• 关功率：-50dBm；
• 频率误差：≤±0.2PPM（≤1GHz），≤±0.1PPM（>1GHz）；
• 误差矢量幅度（EVM）：多音QPSK为17.5%，单音pi/4 QPSK为17.5%，单音pi/2 BPSK为17.5%；
• 邻道泄露比：UTRA为37dB/3.84MHz，GSM为20dB/180kHz；
• 参考灵敏度：普通为-108.2dBm，极端覆盖下待定；
• 最大输入电平：-25dBm；
• 发射机杂散发射：参考E-UTRA标准。

3.5.3 基站负载测试指标

• 用户数：每个小区扇区需支持至少52000个连接；
• 业务模型：80%为周期上报，20%为网络控制；
• 测试方法：基于TR36.888模型进行估算。

3.5.4 增强覆盖测试指标

• 覆盖等级：Normal（144dB）、Extended（154dB）、Extreme（164dB）；
• 数据吞吐能力：三种覆盖模式下均需支持≥160bps的数据传输。

附录

• 业务模型：包括异常上报、周期上报、网络控制、软件升级/重配等；
• 测试模型：如表4-1所示，包含负载分布、周期、测试场景等。

结束语

NB-IoT作为当前物联网技术的热点，其广覆盖、大连接、低功耗、低成本等特性将为各垂直行业带来新的发展机遇。目前，NB-IoT的3GPP标准正在制定中，需加快测试方案的统一和标准化，以支持NB-IoT的快速商用和产业发展。

参考文献

1. 3GPP TS36.101 User Equipment(UE) radio transmission and reception V13.3.0 2016年3月
2. 3GPP TS36.133 Requirements for support of radio resource management V13.0.0 2016年4月

致谢

• 文稿撰写：中国移动、中国联通、华为、普天、诺基亚上海贝尔、三星、星河亮点、大唐联仪、科本无线、是德科技、思博伦、安立、联发科技
• 文稿讨论：中国信息通信研究院、国家无线电监测中心、中国电信、大唐移动、中电41所、上海创远、罗德与施瓦茨、紫光展锐、大唐联芯、中兴微电子、海思
• 文稿编辑&校对：TD产业联盟