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深度解读|让人头疼的NB-IoT射频指标,到底是啥?

2018年09月13日

  从前车马慢,见一个人要翻山越岭。如今满世界飞,社交软件上的网友甚至可以爱个遍,人类却感觉越来越孤单。

  科技的发展,并不能解决所有问题。就像NB-IOT的火爆,同样带来了一系列不可忽视的麻烦。

  比如,用户体验要求越来越高,终端厂商在其产品无线性能的把控上反而越来越弱,能发现哪里体验不好,却因为不了解相关射频指标,无法定位根因,更多是依赖于模组供应商或者天线供应商来协助解决问题,而模组供应商和天线供应商大部分是专注于自身领域,在整体解决方案上是心有余而力不足。

  NB-IoT的前行路上,机会与巨坑并存。但如果大家携手共进,互相提醒,辣么,一起填坑也会是一种别样的幸福。

  今天,班妹就先“填”为敬,给大家分享一些关于NB-IoT基础的射频指标,让大家在评测和优化产品无线性能时,少一些茫然。

深度解读|让人头疼的NB-IoT射频指标,到底是啥?

  好了,闲言少叙,直接上干货

  今日份重点

  一、NB-IoT模组RF规格都讲了些啥

  二、来看看NB-IoT芯片的RF规格

  三、NB-IoT RF指标还有哪些?

  四、这些指标都是啥意思?

  五、小结及附录:

  一、NB-IoT模组RF规格都讲了些啥

  1、两家主流的NB-IoT厂商的RF部分规格:

  先与大家分享一下班妹从网上下载的两家著名模组厂商的NB-IoT模组RF规格,据传,这两家使用的是同一款著名的NB-IoT芯片。

  参考以下截图,这两份规格书的RF部分内容都有点少(或者说一如既往的少),主要集中在功率和灵敏度部分;功率没有疑问,其最大输出功率typical值均在23dBm,但灵敏度typical值却有较大偏差,分别为-129 dBm和-135 dBm(确定这是同款芯片设计出来的模组?)

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  图1 某NB-IoT模组RF规格

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  图2-1 某NB-IoT模组RF规格

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  图2-2 某NB-IoT模组RF规格

  2、让人困惑的地方:

  1)NB-IoT RF传导灵敏度的判断机制

  对射频通信模组规格书中罗列的RF规格而言,都属于RF传导指标,但图1与图2的判断机制让人困惑,到底是BLER<10%,还是当前模式下throughput≥95%?

  让我们来参考下3GPP TS 36.521中关于NB-IoT RF传导灵敏度的相关限值规定,根据3GPP规范,应是以throughput≥95%作为判断基准。

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  图3 TS 36.521关于NB-IoT传导灵敏度的规定

  2)关于重传灵敏度

  班妹在自己的微信公众号:睿班实验室 中发过一篇NB的文章《都是通信技术,NB-IoT为什么可以这么优秀?》提到关于NB-IoT的重传条件以及为什么会重传:

  相比传统蜂窝制式,NB-IoT支持更多次数的重传。重传次数每翻一倍,速率就会减半,同时带来 3dB 的增益,通俗点讲就是说一遍听不清,就多说几遍,提高听清的概率。

  重传机制是用来保证NB-IoT终端在极端覆盖场景的性能,3GPP对其测试条件作了相关限定:即仅适用于3GPP TS36.101 Annex E.2定义的常规状态(normal condition),如下图:

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  图3-1 TS 36.101关于NB-IoT传导重传灵敏度测试条件的规定

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  图3-2 TS 36.101关于NB-IoT传导重传灵敏度测试条件的规定

  而对于重传参考灵敏度限值,目前3GPP对此还没有明确的要求,参考下图:

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  图4 TS 36.521关于NB-IoT传导重传灵敏度测试还未明确

  参考下图5某NB-IoT模组厂传导灵敏度规格,非重传典型灵敏度值为-114dBm,而重传灵敏度典型值为-145dBm,其上行重传次数选用7次,但却没有标明重传测试时关于throughput的判定要求。(关于重传可参考《都是通信技术,NB-IoT为什么可以这么优秀?》“更多重传次数带来HARQ增益(重发增益)”部分 )

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  图5 某NB-IoT模组RF规格

  3、怎么对比性能、怎么选?

  众所周知,NB-IoT技术有着四大优势:海量连接、深度覆盖、低功耗、低成本,而对四大优势而言:

  1)“海量连接”的优势产生主要是因为协议优化的窄带技术、空口信令开销的减少、基站侧及核心网的优化,不属于终端产品验证范畴;

  2)所谓的低成本,主要是相较于LTE,NB-IoT的硬件部分进行了简化,但目前绝大部分NB-IoT模组的价格仍为RMB 30+/pcs,高于GPRS模组价格。(据传联通300W pcs NB-IoT模组招标中RDA方案可做到RMB 30/pcs以下,这算是个好消息);

  3)低功耗特点可根据自身产品应用场景特点进行测量实证;

  4)但深度覆盖覆盖特性如何精确实证?

  深度覆盖跟非重传传导灵敏度、重传增益相关(这里先不考虑天线因素),根据以上简易规格书其实是无法得知(且规格书的各种描述着实差别很大),最靠谱的做法还是使用NB-IoT产品 PCBA去测试非重传传导灵敏度。

  虽然重传灵敏度引入了重传增益,但目前仍无明确标准,测试配置相对复杂,且重传灵敏度的界定标准中throughput的判定值都是TBD,NPDSCH 用于下行配置的重传次数也是TBD,所以造成了各种NB-IoT模组的传导灵敏度规格是相去甚远,相差20dBm的都有,如果需要细致了解,就要标明准确的测试配置条件,且只能做对比测试。

  此外,重传增益其实跟实际环境的关联度非常高,而实际环境较复杂和多样化,可能这也是目前重传灵敏度不好做硬性规定的原因。

  二、来看看NB-IoT芯片的RF规格

  抱歉,班妹在网上找了很久的资料,也没搜到诸如现今主流的Boudica 120,MDM9206,MT2625这几颗芯片的规格书,如果哪位愿意分享的可以联系班妹。

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  三、NB-IoT RF指标到底有哪些

  实在找不到芯片的介绍,班妹找时间去翻了翻3GPP,顺便整理了NB-IoT RF传导指标,如下图:

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  图6-1 NB-IoT RF传导指标

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  图6-2 NB-IoT RF传导指标

  四、这些指标都是啥意思?

  这些指标也不算少,但究竟是什么意思?NB-IoT的传导RF指标其实在3GPP里面被分为了如下几大块:

  发射机部分:

  1、发射功率部分(transmit power)

  发射功率部分主要考察了三部分内容:最大输出功率、最大功率回退以及可配置的发射功率。

  最大输出功率验证相对好理解,即为了确保终端的最大输出功率不超出由标称功率和容差规定的范围,以免干扰到其他信道或者其他系统,或者太小影响信号覆盖范围;

  对功率回退,验证的就是在不同调制/信道带宽下终端的最大功率回退(降低、减小),确保终端在不同的tone分配时功率回退不能过大(功率减少过大),使终端在不同调制/信道带宽下具备较合适的功率。

  而可配置的发射功率,是对终端可配置的最大功率作了限定,要求其小于终端功率等级最大值,以及最大上行输出功率,即终端可配置的最大功率要小于两者的最小值。

  2、动态功率输出部分(output power dynamics)

  主要考察最小输出功率和发射关断功率。

  对最小输出功率,是与最大输出功率相对应的,设置这两者限值目的是,在最大输出功率下确保不损害发射机线性度(不干扰其他信道或系统),最小输出功率下保证输出信号信噪比(保证此时的底噪不会淹没有用信号),实现信号有效传输。

  对发射机关断功率,指的是发射机关闭时的平均功率(并非指终端断电)。终端不允许发射,或处于不发射子帧的周期时,发射机被认为是关闭状态,关断功率设置限值,更多的是为了限制该状态下的功率,不能过高,导致功耗过大。

  3、开关时间模板 on/off time mask

  分为通用开关时间模板和NPRACH时间模板。

  对开关时间模板,主要考察的是终端在发射关断和打开的上升沿/下降沿时间段的输出功率,以保证正确的功率输出;发送错误的功率会干扰其它信道或者增加上行信道传输误差。

  对NPRACH时间模板,主要考察的是终端在NPRACH的发射关断和开启切换时的上升时间与下降时间段的功率输出,保证正确的功率输出。

  4、功率控制 Power control

  分为绝对、相对及总功控容限。

  对绝对功控容限,考察的是终端在一个连续发射开始时,或者在一个发射时间间隔≥20ms的非连续发射开始时,发射机将其初始输出功率设置为特定值的能力。

  对相对功控容限,考察的是终端根据目标子帧功率改变其最大发射功率的能力,该目标子帧功率是相比最近一次发射参考子帧的功率,并且这些子帧传输间隔≤20ms。

  对总功控容限,考察的是终端在不改变功率控制参数情况下,非连续发射过程中维持其输出功率的能力(相对于首次发射功率)。

  5、频率误差 Frequency error

  不解释了

  6、发射调制 Transmit modulation

  主要分为EVM,载波泄露,以及非分配资源块的带内辐射,考察终端发射机的信号调制情况。

  EVM主要考察实际调制波形与理想波形的差别,在考察EVM时,所有的NPRACH模式都与QPSK调制方式的EVM要求相同。

  载波泄露,考察的是由交调或直流偏差引起的干扰,它是与载波同频的非调制正弦波,一种近似固定幅度的干扰,和有用信号的幅度无关;载波泄漏会干扰终端的中心子载波,特别是当它们的幅度小时。

  而非分配资源块带内辐射考察的是落入未分配RB的干扰情况,实际的计算方式为未分配Tone中的终端输出功率与所分配Tone中的终端输出功率的比值。

  7、输出频谱 output RF spectrum emissions

  主要分为占用带宽、频谱发射模板及邻道泄露功率比。

  其中邻道泄露功率比主要考察的是终端发射机对相邻信道造成的干扰情况,而占用带宽主要考察终端在所支持的带宽配置下的带宽占用情况,频谱发射模板则主要考察终端在带宽配置下功率分布情况。

  8、杂散发射 spurious emissions

  分为杂散辐射以及杂散辐射共存。

  杂散辐射主要验证终端发射机对相邻信道或系统造成的干扰情况,而杂散辐射共存主要验证终端发射机对共存系统中指定的频段造成的干扰情况。

  9、发射机互调 transmit intermodulation

  发射互调性能主要验证终端发射机限制非线性信号生成的能力,这些非线性信号主要是由非目标信号和干扰信号落入终端发射机天线导致。

  接收机部分:

  1、 参考灵敏度 reference sensitivity level

  参考篇首相关解释

  2、 最大输入电平 maximum input level

  与参考灵敏度相对应,主要验证在给终端输入多强的信号电平时,仍能在满足throughput条件下较准确的接收信号(可以旁人使用多大声音及多小的声音仍能听清说话的内容类比,最大输入电平就是指的说话最大声时,而参考灵敏度指的最小声时)

  3、 相邻信道选择 ACS

  邻信道选择性主要验证终端在理想传播和无附加噪声的条件下,当相邻信道存在偏离指定信道(终端使用的信道)中心频率的信号传输时,终端在能满足吞吐量要求,工作在指定参考测量信道时接收数据的能力。其考察的场景是当终端所使用信道的邻近信道存在其他发射机信号传输时,对此时终端接收数据能力的考量。(真绕口,截下原文,以免误导)

  而ACS在硬件设计上的体现实际是指定信道频率上的接收滤波器衰减与相邻信道上接收滤波器衰减的比率。

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  4、 阻塞特性 blocking characteristic

  分为带内阻塞和带外阻塞。

  带内阻塞主要验证终端的带内阻塞能力,即当某个干扰信号落在终端接收频带内或者终端接收频带±15MHz带宽范围内时,对终端的数据接收能力的评估。(其吞吐量是否能达到指定测量信道的吞吐量需求)。其考察的场景是当终端工作的接收频带或接收频带±15MHz带宽范围内存在其他发射机信号时,对此时终端接收数据能力的考量。

  而带外阻塞主要验证终端的带外阻塞能力,即当某个干扰信号落在终端接收频带±

  15MHz带宽范围外时,对终端的数据接收能力的评估。(其吞吐量是否能达到指定测量信道的吞吐量需求)。其考察的场景是当终端工作的接收频带±15MHz带宽范围外存在其他发射机信号时,对此时终端接收数据能力的考量。

  5、杂散响应 spurious response

  杂散响应主要验证在施加CW(连续波)干扰信号(带外阻塞规定的频率之外的带外频率)导致的接收性能下降在不超过特定值的情况下,接收机在其指定信道频率上接收期望信号的能力。

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  图8 杂散响应

  所以,带内阻塞、带外阻塞、杂散响应分别衡量的是不同的频率范围内存在干扰信号时,终端在其指定信道频率上接收期望信号的能力。

  6、 宽带互调 intermodulation characteristic

  宽带互调主要验证的是,在理想传播和无附加噪声的场景下,同时存在2个或更多与期望信号拥有指定频率关系的干扰信号时,终端在特定参考测量信道接收数据的能力(throughput能否满足要求)。

  五、小结及附录:

  1、小结

  在设计NB-IoT产品时还是需要多了解相应的RF规格,而不能只看所谓的规格书,更应多进行相应的验证测试。

  本文只列举了具体的RF传导测试项目,因为篇幅关系,并未将其判定标准列出,具体可以查询3GPP规范(3GPP规范为公开文档,可通过篇尾链接进行下载并查阅。)

  2、附录:

  参考文献:

  1)3GPP TS 36.521 Release 14 V14.1.0

  2)3GPP TS36.101 Release 14 V14.8.0

  3)《中国电信 NB-IoT 模块测试方法-射频性能分册》

  4)《NB-IoT技术详解与行业应用》

  3、3GPP NB-IoT协议下载地址:

  http://www.3gpp.org/ftp/Specs/latest/

 

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