Telekomoperatörer världen runt hetsar för att bli först att införa LTE, Long Term Evolution, det sista steget i tredje generationens mobiltelefoni. Med LTE får världen för första gången en enhetlig global mobilstandard, och tekniken ska ge mobilt bredband ge minst lika bra användarupplevelse som dagens fasta uppkopplingar. Jämfört med dagens 3G-nät innebär det i praktiken åtminstone 10–20 gånger högre datatakter. För operatörerna innebär LTE omkring fyra gånger bättre spektraleffektivitet och tio gånger fler användare per cell.

Omkring 50 olika LTE-nät är under uppbyggnad ¬världen runt, och de första väntas få kommersiell premiär om ¬något år. Men det är inte bara telekomföretag som deltar i utvecklingen. En viktig roll spelas också av mät- och testföretagen. Jättarna i den branschen, som Agilent, Rohde&Schwarz, Anritsu, Tektronix och Keithley, har i många fall varit med från början i standardkommittéer och pådrivande industrikonsortier. För testbolagen är LTE en tuff utmaning som samtidigt ger stora affärsmöjligheter. Analyshuset ABI Research spår att operatörerna kommer att investera omkring 60 miljarder kronor i LTE-utrustning de närmaste fem åren, och att omkring 8 miljarder därav är testutrustning.

– Vår utmaning är att ligga två-tre steg före standarden, säger Renaud Duverne, LTE-expert på Agilent.

– Branschen vill ha breda, flexibla lösningar. Den stora utmaningen är att skapa plattformar som klarar det mesta inom LTE, säger Olaf Eissrig, produktchef på Rohde & Schwarz.

Konkurrensen är hård ¬mellan instrumenttillverkarna. Ut¬veck¬lingen gynnar de stora aktörerna, som har samarbetat länge med telekomjättar som Ericsson, Nokia-Siemens, Motorola, Huawei och ZTE. Flera av testjättarna har under det senaste halvåret lanserat helt nya plattformar för LTE, med signalgeneratorer och spektrum¬analysatorer. De klarar de aktuella bandbredderna upp till 20 MHz, vilket är en teknisk utmaning i sig.

LTE ska sätta fart på mobilt bredband LTE, egentligen 3GPP Long Term Evolution, är sista steget i tredje generationens mobilteknik. För användarna ger LTE betydligt högre bandbredd än dagens mobilnät. I grundversionen ska LTE klara datatakter upp till 100 Mbit/s i nerlänken, och upp till 50 Mbit/s i upplänken. Framöver, då teknik med multipla antenner tas i bruk, ska nerlänken komma upp i hela 326 Mbit/s. Det innebär att en signal inte har med än 10 ms på sig att gå från basstation till terminal och tillbaks igen. Siffrorna anger maximal datatakt under perfekta förhållanden, i praktiken kommer datatakten att bli betydligt lägre och variera beroende på en rad omständigheter. För operatörerna innebär LTE dessutom lägre kostnad per överförd bit, flexiblare användning av spektrum och förenklad nätarkitektur. LTE är specificerat för användning i åtta olika breda band, från 1,4 till 20 MHz, på 23 olika frekvensområden från 704 MHz upp till 2620 MHz. Såväl frekvensduplicering som tidsduplicering (FDD och TDD) för parat respektive oparat spektrum stöds, dock inte på alla band. Med TDD, som ser ut att bli populärt i Kina, kan man använda smalare frekvensband men offrar då en del i datatakt. I LTE används flera olika modulationsmetoder. Nerlänken använder OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access, liknande den som används i wlan (802.11) och Wimax. Nerlänken har tre kanaler, för dataöverföring, för broadcasting och för systeminformation. Dataöverföringens modulation kan formateras på tre sätt, som QPSK (ibland kallat 4QAM), 16QAM och 64QAM (quadrature amplitude modulation). För upplänken används en helt ny modulationsmetod kallad SC-FDMA, Single Carrier Frequency Division Multiple Access. Den påminner om OFDMA, men ger möjlighet till strömsnålare terminaler då den har lägre förhållande mellan max- och medeleffekt (PAR, peak-to-average ratio) vilket gör att effektförstärkarna kan arbeta med högre verkningsgrad. Även i upplänken används såväl QPSK och16QAM som 64 QAM. Såväl OFDMA som SC-FDMA utnyttjar både tids- och frekvensdomänen. I tidsdomänen är minsta enheten 1 ”slot”, vilket motsvarar 0,5 ms. Två slots utgör en så kallad subframe, ungefär ”underram” på svenska. I frekvensdomänen är minsta enhet en ”subcarrier” som omfattar 15 kHz. 12 subcarriers, alltså 180 kHz, utgör ett resursblock. Den första generationens produkter för LTE kommer att använda en antenn på både sändar- och mottagarsidan. Framöver är det dock tänkt att systemet ska utnyttja så kallad Mimo, multiple input multiple output, med 2 x 2 eller 4 x 4 antenner. Med Mimo går det att få tåligare förbindelser och högre datatakt för flera samtidiga användare, tack vare att fädningen inte blir lika stor och spektrum utnyttjas bättre.

Komplexitet största utmaningen
Den största svårigheten i testandet är att LTE är så komplext. Jämfört med WCDMA sitter mer intelligens i basstationer och terminaler, för att klara kravet på korta latenstider. Det får inte ta mer än 10 ms för en signal att gå från basstation till terminal och tillbaks igen.

LTE har också väldigt många informationsbärande kanaler – carriers – som kan ha olika modulation – QPSK, 16QAM eller 64QAM – och där modulationen dessutom kan ändras dynamiskt, i realtid, för att optimera användningen av spektrum. Dessutom ska LTE kunna fungera på många olika bandbredder, och klara både frekvens- och tidsduplicering (FDD och TDD).

Det gör att antalet testfall blir enormt stort, inte minst då alla protokollstackar måste implementeras i alla instrument. De flesta enskilda testfall är dock inte särskilt komplicerade.

– På många sätt är faktiskt LTE lättare att testa än WCDMA. Till exempel så är ju ¬modulationstekniken OFDMA välkänd, det är densamma som i Wimax och Wlan, så den är ingen större utmaning, säger Renaud Duverne.

OFDMA används i nerlänken för LTE. I upplänken används en variant kallad SC-FDMA, som är mer seriell till sin natur. Poängen med SC-FDMA är att den sparar batterierna i terminalerna, eftersom effektförstärkarna inte behöver arbeta under lika svåra förhållanden då PAR, peak-to-average ratio, blir lägre än för OFDMA. Men SC-FDMA är oprövat, och kräver sålunda nyutvecklade tester. Testproblematiken kring SC-FDMA verkar dock löst, det finns flera instrument som klarar både OFDMA och SC-FDMA i samma burk.

Den ur testsynpunkt riktigt knepiga nyheten i LTE är mimo, multiple input multiple output. I sin enklaste form, med två antenner på basstationen och en i terminalen, är mimo fortfarande hanterbart. Redan vid 2 5 2 antenner börjar det dock bli knepigt, då krävs inte bara två signalgeneratorer och två spektrumanalysatorer utan även mjukvara som synkroniserar mätningarna. Hur signalerna för fädning ska alstras är ett kapitel för sig – fädningsgenerering är inbyggt i vissa signal-generatorer men det vanligaste är att det görs separat.

Mimo kan bli en joker
Mimo kommer sannolikt inte att implementeras i de första LTE-näten. Varken terminalerna eller basstationerna är redo för tekniken, och testföretagen har bara första generationen mimo-testare framme. Dessutom behövs det knappast förrän användningen tagit fart – poängen med mimo är att öka nätens effektivitet när många användare vill skicka mycket data samtidigt.

– Personligen tror jag mimo blir en joker som telekombolagen kan ta till om datahastigheten inte upplevs som tillräckligt hög, säger Olaf Eissrig.

Både testföretagen och deras kunder är måna om att komma bort från dagens situation där mimotest kräver höga staplar av dyra instrument. Det kanske fungerar i labbet, men knappast för fältbruk och blir helt ohållbart när tusentals nyproducerade terminaler ska kontrolleras mot standard, så kallad conformancetest.

– Vi har standardinstrument framme för 2x2 mimo och en del för 2x4 och 4x2, men inget för 4x4 ännu. För vi måste se till att kunden får en smidig lösning. Högst två-tre instrument ska behövas, säger Olaf Eissrig.

– 4x4 mimo är knepigt. Att alstra fyra sändarsignaler är inget problem, men att mäta fyra mottagarsignaler är mycket svårt, konstaterar Renaud Duverne.

Saknar telefonikanaler
LTE är helt byggt på Internetprotkollet, IP, och saknar dedikerade kanaler för telefoni. Hur röstsamtal ska implementeras är faktiskt inte standardiserat, vilket gör att vi förmodligen kommer att få se olika lösningar för röst över IP, så kallat VoIP. Standardiseringsorganisationen 3GPP vill ha IMS, IP Multimedia Subsystem, men eftersom det inte finns konsensus bland telekombolagen om hur IMS ska implementeras i LTE kommer troligen proprietära VoIP-lösningar som Skype eller liknande också att förekomma. Ericsson med flera driver även en industrigrupp kallad Volga, Voice over LTE via Generic Access, med målet att röst och SMS ska upplevas likadant av användarna oavsett om de skickas över GSM, UMTS eller LTE.

– Troligen kommer de förs¬ta LTE-mobilerna att utnyttja GSM för rösttelefoni, säger Renaud Duverne.

Donglar först
De allra första LTE-terminalerna blir dock inga mobil¬telefoner utan sannolikt så kallade ”donglar” eller inbyggnadsmoduler för laptops som antingen stöder enbart LTE eller möjligen även är kompatibla med HSPA+. Ett skäl till det är att testföretagen ännu inte löst utmaningen med bakåtkompatibiliteten på ett smidigt sätt. Att testa så kallad handover, alltså vad som händer när terminalen exempelvis lämnar ett område med LTE-täckning och går in i ett område med täckning av andra nät, är en rejäl utmaning.

– Vi har radiokomtestare och testfall för handover mellan HSPA+ och LTE. Vi började där, då blir det lättare att utveckla något för HSPA senare, exemplifierar Olaf Eissrig.

Stor efterfrågan på kompetens
Att efterfrågan på testkompetens är stor råder inget tvivel om. Alla de stora testföretagen har tagit fram faktafyllda affischer, skrivit white papers och utbildningsmaterial, och mycket finns nedladdningsbart på webben. Agilent publicerade i våras till och med en bok i ämnet, kallad ”LTE and the Evolution to 4G Wireless, Design and Measurement Challenges”, som på drygt 400 sidor går igenom LTE-tekniken och teststrategier.

– Den har sålts i över 500 exemplar, en kioskvältare med test- och mätmått mätt, berättar Renaud Duverne.

Utvecklingen tar dock inte slut med LTE, tvärtom. Redan finns långt gångna planer på nästa generation, kallad LTE Advanced, som enligt visionärerna blir det första verkliga 4G-systemet. Specifikationerna är långt ifrån klara, men det talas om datatakter på 1 Gbit/s, bandbredder på 100 MHz och mimo med upp till 8 5 8 antenner. Testinstrument för de ändamålen finns inte idag.

– Hur ska man mäta prestanda i ett sådant system? Det är det ingen som vet, säger Renaud Duverne.