ההתמודדות עם דרישות הבדיקה המורכבות של תקן LTE דורשת שימוש בכלי בדיקה והדמייה, המאפשרים לבדוק מוצרים כבר בשלבי הפיתוח הראשונים. חברת Agilent פיתחה ספריית LTE-Advanced הכוללת יותר מ-170 מודולי baseband והתקני בדיקות
אבנר גדות
הפריסה המסחרית של רשתות סלולריות בתקן LTE צוברת תנופה בכל העולם, וכוללת הרבה מאוד רשתות הנמצאות בשלבי ניסוי וכניסה לפעילות מלאה. אולם במקביל לעניין הציבורי שהן מושכות, בזכות ההבטחה לממש רשתות סלולריות מהדור הרביעי, תקן LTE עצמו ממשיך להתפתח ולהתעדכן.
בדצמבר 2010 הוצג תקן LTE-Advanced גרסה 10 (מפרטי 3GPP), המוסיף שיפורי ביצועים כגון קצב נתונים מקסימלי של 1Gbps, שנועד לעמוד בדרישות ה-ITU (איגוד התקשורת העולמי) עבור תקן תקשורת הרדיו IMT-Advanced 4G.
ראוי לציין שהתקן הקודם (3GPP Release 8) משיג את המהירות והביצועים המרשימים שלו באמצעות שילוב של טכנולוגיות מגוונות, בהן: תדרים לערוצים מרובים, תכניות שידור שונות ל-downlink ו-uplink, שני מצבי שידור (FDD ו-TDD) ושימוש בריבוי אנטנות (MIMO).
מטרת תקן LTE-Advanced היא לשפר את קצב העברת הנתונים המירבי והממוצע, וכן את היעילות הספקטרלית של ה-uplink, באמצעות הוספת שלוש תכונות חדשות: carrier aggregation, uplink משופר, ושידור משופר באמצעות אנטנות מרובות (advanced MIMO).
ראוי לציין שגם LTE וגם LTE-Advanced מהווים חלק מהסביבה הטכנולוגית (ecosystem) של GSM/UMTS/HSPA ב-3GPP, ולכן הם חייבים להתקיים במקביל ולעבוד עם מערכות דור שני ושלישי הללו. כלומר, ההתקנים צריכים לשמור על תאימות הדדית ביניהם. התוצאה: אתגרי התכנון והבדיקות מורכבים אף יותר, ולעתים אפילו מרתיעים.
כיום תומך LTE בטווחי תדר ערוציים של עד 20MHz. כדי להשיג קצבי נתונים גבוהים משמעותית כמצוין ב-LTE-Advanced, יש להגדיל את טווח התדרים לערוץ. תקן IMT-Advanced קובע את הגבול העליון כ-100MHz ואת המינימום הרצוי ל-40MHz. מכיוון שרוב המפעילים סובלים ממשאבי ספקטרום מוגבלים, מאפשר ה-ITU יצירה של טווחי תדרים רחבים יותר באמצעות קיבוץ (aggregate) של נושאי רכיבים (component carriers) רציפים ולא רציפים. הדבר מאפשר להוסיף תדרים מרצועה אחת בספקטרום לרצועה אחרת, בציוד משתמש התומך בריבוי מקלטים-משדרים.
Uplink משופר
כיום מבוסס ערוץ ה- uplink של LTE על סכימת SC-FDMA (single-carrier frequency division multiplexing). זוהי טכנולוגיה רבת-עוצמה המשלבת רבים מההיבטים הגמישים של OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) עם (peak-to-average power ratio) נמוך של מערכת נושא (carrier) יחיד.
יחד עם זאת, SC-FDMA מקצה נושאים (carriers) על-פני בלוק רציף של ספקטרום, דבר המגביל את גמישות התזמון. LTE-Advanced מציגה clustered SC-FDMA ב-uplink, דבר המאפשר תזמון סלקטיבי מבחינת תדרים של נושאי רכיבים, כדי לקבל ביצועי לינק טובים יותר. טכנולוגיית SC-FDMA מקובץ (clustered SC-FDMA) מסייעת למלא את דרישות היעילות הספקטרלית של ה-uplink תוך שמירה על תאימות לאחור עם תקן ה-LTE הנוכחי.
איפיון של עד 5 נשאי רכיבים בו זמנית באמצעות תוכנת Vector Signal Analysis של Agilent
מכשיר Agilent N9020A MXA המריץ את תוכנת VSA
ספריית LTE-Advanced
תקן LTE-Advanced מאפשר הגדלה של מקורות זרמי נתונים, ובהתאם לכך, של מספר האנטנות. הוא מציין שימוש בעד 8 משדרים ב- downlink (עם 8 המקלטים הנדרשים בציוד המשתמש), המעניקים יכולת של MIMO על-ידי משתמש יחיד. ציוד המשתמש (UE) יתמוך בעד ארבעה משדרים המאפשרים שידור ב-uplink, כאשר מצרפים זאת לארבעה מקלטים בתחנת הבסיס.
סידור זה טומן בחובו גידול משמעותי של מורכבות המערכת וההתקנים. מפעילי הרשתות האלחוטיות חשים בלחץ מתמיד לשפר את הנצילות הספקטרלית ולעמוד בדרישה הגוברת לקבצי תמסורת מהירים של נתונים, לאור הגידול המהיר בתקשורת הנתונים ברשתות הסלולריות. פרסום מפרטי ה-LTE-Advanced ממריץ את המפתחים לחקור את תכונות הביצועים החדשות והדבר בתורו מעודד הוספה של יכולות למערכות הצב”ד אשר צריכות לנטר את ביצועי המערכות ולוודא את עמידתן בתקנים.
השכבה הפיזית בתקן LTE מייצרת קשיים מיוחדים במינם מנקודת המבט של הבדיקה. טווחי התדרים המשתנים והרחבים של ערוצי ה-LTE, ביחד עם פורמטים וסדרות מודולציה משתנה, מציגים תצורות משדר ומקלט רבות ומורכבות לבדיקות ביצועים. השימוש בטכניקות ריבוי-אנטנות ו- OFDMA לתמיכה בקצבי נתונים מהירים, מוסיף מורכבות נוספת לבעיה.
תקן LTE-Advanced שומר על כל המורכבות הזו, ואף מוסיף עליה. למרות שדרישות הבדיקה של LTE-Advanced עדיין נמצאות בדיונים ב-3GPP, צפוי שהן יבצעו שימוש חוזר בחלק ממפרטי הבדיקה של תקן LTE הנוכחי. למשל, דרישות ה-LTE לבדיקות איכות אותות משודרים (שגיאת תדר, EVM, הספק DL RS) יופעלו עבור כל נושא רכיב באות מרובה-נושאים, ושגיאת time alignment בין נושאי רכיבים נמצאת כעת בבדיקה.
חברת Agilent Technologies, למשל, יצרה את ספריית LTE-Advanced, שנועדה לסייע למפתחים לחקור תכנוני ייחוס מסוג 8×8 MIMO תואמי LTE-Advanced, על-בסיס ספריה מקיפה של יותר מ-170 מודולי baseband ומתקני בדיקות.
במקביל, תוכנות Agilent Signal Studio ו-Vector Signal Analysis תומכות בייצור ובניתוח של אותות תואמי תקן LTE-Advanced, ומותאמות לגל הפיתוח הבא. הן מאפשרות למהנדסים לאפיין נשאים שונים, החל מנשא רכיבים יחיד, ועד 5 נשאי רכיבים צבורים במקביל, תוך הגדרת הפרמטרים והצגת המדידות עבור כל אחד.
ה-uplink המשופר מאפשר ליצור ולנתח SC-FDMA מבוסס אשכולות וכן תמסורת בו-זמנית של אותות בקרה (PUCCH) ונתונים (PUSCH). יכולות אלו נועדו לאפשר להתחיל כבר היום בבדיקת יישומי השכבה הפיזית של תקן LTE-Advanced. מפתחי אלגוריתמים ומערכות יכולים לבדוק תכנונים חדשים בהשוואה לתקן, להוריד וקטורי בדיקה ישירות למכשירים לצורך אימות חומרה מוקדם ומתמשך.
העולם החדש של אנטנות MIMO
כאשר הטלפונים הסלולריים הראשונים הגיעו לשוק, היתה לאנטנה שלהם נוכחות מוחשית מאוד. הטלפונים המוקדמים הללו פעלו בדרך-כלל בטווח תדרים של 900MHz, ולעתים רבות עוצבו כאנטנות מתקפלות או נשלפות, שאורכן הסופי מותאם לתדר העבודה.
בהמשך, הופיעו בשוק אנטנות ספירליות קטנות יותר, ובשנת 1994 הופיעה לראשונה אנטנת ה-Patch האינטגרלית, אשר הפכה לנפוצה בשנת 1998. וכך, בתוך שנים ספורות, הפכה האנטנה למרכיב בלתי נראה וסמוי בתוך הטלפון הסלולרי.
עבור מעצבי המוצר, שהשתחררו מהצורך להתחשב ב”גבשושית המיותרת”, זה היה שי מבורך. אולם עבור מהנדסי ה-RF, התמונה היתה הפוכה בתכלית, שכן הגורמים המשפיעים על ביצועי אנטנת MIMO הינם מורכבים מאוד ומתכנני האנטנות נמצאים תחת לחץ אדיר.
הנפח הנדרש לאנטנה טובה אחת יכול להתאים בקלות לשתי אנטנות גרועות, וללא שיטות בדיקה אמינות, מי יידע? אתגר דומה מגיע מהצמיחה הענקית במספר רצועות התדרים הנתמכות, כאשר ריבוי התקני רצועות הופכים לנפוצים. כל רצועה (band) מציבה דרישות ייחודיות בפני אנטנות קליטה ושידור אופטימליות, דבר המוביל לצורך באנטנות נפרדות לרצועות מסוימות.
מעבר ל-LTE
אלא שקשיי הבדיקה המאפיינים את עולם הדור הרביעי מצויים רק בתחילתם. לאחרונה העריך מוריי ראמני (Moray Rumney) הנושא בתואר “טכנולוג מוביל” של Agilent ועוקב אחר המגמות בשוק,
שה- LTE יתמודד בעתיד הקרוב עם תחרות ממספר כיוונים, דוגמת Wireless LAN, WiMAX HSPA ו-Femto-Cells.
ראמני: “אחד מהאתגרים הגדולים ביותר כיום הוא ההתמודדות עם התקן העתידי Advanced LTE מכיוון שהוא כולל יכולות Carrier Aggregation ו- Advanced MIMOהדורשים ריבוי משדרים ומקלטים. “בפועל, התקן מאפשר התקנה של עד 40 מקמ”שים באבזר יחיד, ועוד מספר אנטנות. אף אחד עדיין לא בנה מכשיר כזה ולהערכתי גם לא ייבנה מכשיר כזה. בסופו של דבר אני סבור שהגישה הנפוצה תתבסס על שימוש בארבעה משדרים וארבעה מקלטים במכשיר נייד אחד.
“מבחינת יצרנית צב”ד, מדובר בדילמה מעניינת, מכיוון שדרישות הבדיקה יהיו בסופו של דבר תלויות במספר המקמ”שים שיהיו בשימוש באבזרים הניידים בשוק. לדעתי, היצרנים לא ייאמצו את האפשרויות הקיצוניות הטמונות בתקן Advanced LTEאולם קשה עדיין לדעת מה תהיה האפשרות הנבחרת על-ידי השוק”.
