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    一种手持式NB-IoT终端综合测试仪的设计与实现    王先鹏摘 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关键字：NB-IoT；物联网；综测仪*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實施它具有广覆盖、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 kHzNB-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NB-IoT功耗分析的关键是对终端电流的动态分析本综测仪中的功耗分析模块可以结合FPGA+ARM高效数据处理模块、高性能射频模块和协议栈模块构成的信令交互通路，实现终端在各种待机状态、连接状态下电源功耗的分析NB-IoT终端的一致性测试包括射频一致性测试、RRM一致性测试和协议一致性测试3个方面射频一致性测试主要测试终端的发射机指标、接收机指标和性能要求；RRM一致性测试主要是对终端移动性管理、连接态移动管理、RRC连接、传输时间性能测量等进行测试分析；协议一致性测试是对空口协议信令交互一致性进行测试终端射频一致性测试对仪表要求非常高，而本综测仪硬件架构能够很好满足射频测试需求，同时结合协议栈模块实现终端在信令模式下进行RRM和协议一致性测试。

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所示圖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Reference：[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.  -全文完-。