移動(dòng)WiMax參數(shù)指標(biāo)及射頻測(cè)試淺析

移動(dòng)WiMax參數(shù)指標(biāo)及射頻測(cè)試淺析

WiMax技術(shù)要在具體的應(yīng)用場(chǎng)景中體現(xiàn)出自身的優(yōu)勢(shì)，才能得到市場(chǎng)的認(rèn)可，這就需要通過(guò)應(yīng)用測(cè)試來(lái)衡量系統(tǒng)的性能參數(shù)。根據(jù)WiMax論壇制定的系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)以及測(cè)試要求，WiMax的測(cè)試方法分為三部分：協(xié)議分析、無(wú)線射頻分析、傳輸性能分析。本文主要介紹移動(dòng)WIMAX參數(shù)指標(biāo)，介紹了一些針對(duì)802.16d(2004)、802.16e(2005)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)射頻性能測(cè)試。

WiMAX簡(jiǎn)介

WiMAX，即全球微波接入兼容(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，是WiMAX論壇仿照WiFi在全球市場(chǎng)成功的模式，而在IEEE定義的802.16系列標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上定義的。802.16在設(shè)計(jì)之初，是定位在固定無(wú)線傳輸?shù)囊环N寬帶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。而在2005年12月7日最終凍結(jié)的802.16e(正式名稱叫802.16-2005)在原來(lái)802.16d的基礎(chǔ)上增加了移動(dòng)性，保證802.16e接入設(shè)備能夠在基站之間切換，從而也成為新一代WMAN寬帶無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)，而且是具有移動(dòng)性的標(biāo)準(zhǔn)，一般也稱作Mobile WiMAX。作為最新出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)，MobileWiMAX采用了很多先進(jìn)技術(shù)來(lái)獲得高數(shù)據(jù)速率，包括：OFDMA、智能天線技術(shù)自適應(yīng)波束成型、時(shí)空碼STC以及多重輸入輸出MIMO等。WiMax采用700MHz～66GHz的頻帶，傳送速度為2Mb/s～6Mb/s，距離為 3.2km。如果在有效距離內(nèi)的路線不被干擾，其速度會(huì)更快，范圍也會(huì)更廣。

WiMAX的相關(guān)測(cè)試規(guī)范是技術(shù)工作組(TWG)制定的，這些工作都是針對(duì)固定無(wú)線接入的設(shè)備，對(duì)于移動(dòng)無(wú)線接入設(shè)備的測(cè)試工作在IEEE 802.16e的標(biāo)準(zhǔn)定稿后才正式啟動(dòng)。RCT(radio conformance test specification)規(guī)定了收發(fā)信機(jī)的基帶和射頻信號(hào)測(cè)試流程和測(cè)試條件，用于測(cè)試射頻接口與IEEE 802.16-2004規(guī)范的實(shí)現(xiàn)一致性程度。該文件適用于Wireless MAN-OFDM，Wireless HUMAN(-OFDM)空中接口。

移動(dòng)WiMax參數(shù)指標(biāo)

在2006年3月WiMax論壇的報(bào)告中表明，由于移動(dòng)WiMax基于OFDMA伸縮性,可以通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),對(duì)不同帶寬進(jìn)行靈活地配置，認(rèn)為移動(dòng)WiMAX系統(tǒng)的性能應(yīng)該由以下方面來(lái)做定量評(píng)價(jià)。在以下各表中，表1提供系統(tǒng)參數(shù)，表2概述OFDMA參數(shù)，表3顯示了用于傳輸性能評(píng)價(jià)模型。

WiMAX射頻測(cè)試淺析

根據(jù)WiMAX參數(shù)，射頻測(cè)試主要是對(duì)WiMAX技術(shù)的物理層的關(guān)鍵指標(biāo)和性能進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證，一般按照基站側(cè)和終端側(cè)進(jìn)行區(qū)分，并且在每一側(cè)都分別對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試。具體而言，射頻參數(shù)測(cè)試中的核心內(nèi)容通常包括接收機(jī)的靈敏度、CP值、幀定時(shí)；發(fā)射機(jī)的循環(huán)前綴與符號(hào)定時(shí)、調(diào)制與編碼、頻譜平坦度、功率控制、相對(duì)星座圖誤差、頻譜模板等內(nèi)容。需要注意的是，射頻參數(shù)測(cè)試不僅應(yīng)該參考WiMAX認(rèn)證中RCT文檔的要求，而且，對(duì)于發(fā)射機(jī)的功率要求、雜散等具體的地區(qū)性指標(biāo)，還需要符合所在地區(qū)無(wú)線電管理部門的規(guī)定，即一般所說(shuō)的要通過(guò)頻率核準(zhǔn)的測(cè)試。

● 測(cè)試設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)備主要由以下產(chǎn)品組成：射頻分析儀(發(fā)射、接收)；矢量信號(hào)源，支持OFDM調(diào)制，可以設(shè)置到802.16-2004的幀級(jí)，功率可按照802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)調(diào)整；矢量信號(hào)分析儀，支持OFDM解調(diào)，可以設(shè)置到802.16-2004的幀級(jí)，能對(duì)MAC的PDU進(jìn)行編輯；頻譜儀，支持OFDM解調(diào)；信道模擬器，具備多徑反射模擬功能；天線；衰減器、饋線及其他配件；傳輸性能分析儀；IP性能分析軟件等。

外場(chǎng)測(cè)試設(shè)備包括：實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的全部設(shè)備；路測(cè)儀(信道下行掃描及解碼功能)、室外終端、車載電源、GPS、激光測(cè)距儀、羅盤、望遠(yuǎn)鏡、數(shù)碼相機(jī)及其他配件。外場(chǎng)測(cè)試需要實(shí)際安裝系統(tǒng)設(shè)備，為保證測(cè)試效果，基站天線通常需要保證一定的高度，通常至少需要40～60m高，CPE可以放在測(cè)試車上。外場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目包括設(shè)備安裝及維護(hù)測(cè)試和系統(tǒng)性能及特性測(cè)試兩部分。由于是在室外安裝，因此設(shè)備的易安裝性和易維護(hù)性是設(shè)備安裝維護(hù)測(cè)試的一個(gè)主要指標(biāo)，安裝及維護(hù)測(cè)試主要包括：基站及天線安裝測(cè)試、基站電源冗余配置測(cè)試、基站熱插拔卡測(cè)試以及CPE及天線安裝測(cè)試等。

● 測(cè)試流程

首先對(duì)接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試指標(biāo)包括接收機(jī)靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)發(fā)射機(jī)的測(cè)試，包括開環(huán)輸出功率范圍、閉環(huán)功率控制范圍、最大射頻輸出功率、最小受控輸出功率、待機(jī)輸出功率、DRC信道輸出功率、ACK信道輸出功率、數(shù)據(jù)信道輸出功率、發(fā)射機(jī)傳導(dǎo)性雜散發(fā)射、調(diào)制性能等。最后還包括終端的吞吐率性能測(cè)試，包括上行和下行吞吐率測(cè)試。

● 接收機(jī)測(cè)試

在進(jìn)行WiMax放大器及模塊測(cè)試時(shí)，需要輸入一個(gè)理想的測(cè)試信號(hào)，在進(jìn)行BS(基站)，RS(中繼站)或SS(終端)接收機(jī)性能測(cè)試時(shí)，需要輸入一個(gè)經(jīng)過(guò)空間信道傳輸?shù)臏y(cè)試信號(hào)，在對(duì)靈敏度測(cè)試時(shí)，需要對(duì)誤碼率進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。

● 發(fā)射測(cè)試

發(fā)射器信道帶寬是最先進(jìn)行的測(cè)試，它決定了發(fā)射器發(fā)射信號(hào)的頻譜特性。通過(guò)頻譜的形狀和特性可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的許多錯(cuò)誤，并能大概推算出系統(tǒng)符號(hào)速率的錯(cuò)誤率。載波頻率測(cè)試用于測(cè)試可能引起相鄰頻段信道干擾或影響接收器載波恢復(fù)的頻率誤差。信道功率測(cè)試用于測(cè)試有用信號(hào)在頻率帶寬內(nèi)的平均能量。

在使用功率計(jì)測(cè)試WiMAX信號(hào)時(shí)使用Scope Mode，通過(guò)測(cè)量Power Vs Time，進(jìn)行門限掃描，可以得出Burst平均功率。在使用頻譜儀在進(jìn)行時(shí)域測(cè)試時(shí)，為了準(zhǔn)確的得出測(cè)量結(jié)果，需要使得測(cè)量帶寬覆蓋WiMAX信號(hào)帶寬。下圖顯示的是使用Rohde&Schwarz公司的頻譜儀FSL測(cè)試時(shí)，時(shí)域上對(duì)WiMAX信號(hào)的Preamble功率進(jìn)行測(cè)量結(jié)果，如圖1所示。

圖1  對(duì)WiMAX信號(hào)的Preamble功率的測(cè)量結(jié)果

由于儀器當(dāng)中使用的濾波器SF(shape factor)不一樣，如果使用模擬中頻濾波器，其帶寬要等于5倍的信號(hào)帶寬；如果使用信道濾波器，其帶寬要大于信號(hào)帶寬。

在進(jìn)行頻域測(cè)量時(shí)首先要使Wimax信號(hào)的SF盡量接近濾波器的SF，還要選擇合適的掃描時(shí)間，TSweep=NSweeppoints·TSignal Cyde，假設(shè)頻譜儀的掃描點(diǎn)數(shù)為625，被測(cè)信號(hào)周期10ms，則最小掃描時(shí)間是6.25s，如果掃描時(shí)間過(guò)短，每個(gè)掃描點(diǎn)不能覆蓋一個(gè)完整的信號(hào)周期，則不能反映其真實(shí)的頻域信息。圖2是對(duì)一幀64QAM的OFDM信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉分析的結(jié)果。該幀數(shù)據(jù)信噪比30dB，采樣率為80MHz。其中上面是時(shí)域描述，下面是頻域的描述。

圖2  對(duì)64QAM的OFDM信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉分析的結(jié)果

LitePoint公司的IQmax WiMAX測(cè)試系統(tǒng)滿足了從研發(fā)到制造測(cè)試過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的物理層測(cè)試需求。圖3是使用IQmax WiMAX抓到的一包WiMAX數(shù)據(jù)，其中可以看到這包數(shù)據(jù)帶內(nèi)功率-3.50dBm，信號(hào)EVM值   -40.56dB，帶內(nèi)平坦度±0.3db等參數(shù)，也能得到頻譜掩模、星座圖等圖形。

圖3  WiMAX數(shù)據(jù)包的測(cè)試結(jié)果

搭配Agilent N7613A Signal Studio軟件的Agilent E4438C ESG信號(hào)發(fā)生器及Agilent 89600系列矢量信號(hào)分析儀也能作為測(cè)試及認(rèn)證WiMAX基站和終端設(shè)備。Agilent ESG信號(hào)發(fā)生器和Signal Studio軟件提供了事先設(shè)定及可供使用者設(shè)定的WiMAX波形。Agilent VSA矢量信號(hào)分析儀覆蓋從基帶到11GHz以上的頻率下，可測(cè)量帶寬從1.25～28MHz的不同WiMAX設(shè)備。它也支持如子通道化(sub-channelization)等WiMAX特性。

另外，ROHDE&SCHWARZ公司的測(cè)試儀器如矢量信號(hào)源SMU200A、功率計(jì)NRP、頻譜儀FSL、信號(hào)分析儀FSQ的結(jié)合滿足IEEE802.16-2004和IEEE802.16e，能夠滿足WiMAX射頻測(cè)試的要求。

結(jié)束語(yǔ)

WiMAX產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證和性能測(cè)試由WiMAX論壇統(tǒng)一管理，目前由位于西班牙馬拉加的獨(dú)立第三方實(shí)驗(yàn)室Cetecom負(fù)責(zé)測(cè)試。在國(guó)內(nèi)，泰爾實(shí)驗(yàn)室也可以作為第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行委托和摸底測(cè)試。因?yàn)?02.16e/f/g等標(biāo)準(zhǔn)目前還處于完善階段，所以，目前探討整個(gè)802.16標(biāo)準(zhǔn)體系的測(cè)試還為時(shí)尚早，本文并未過(guò)深地探究。