IEEE802.16-2004 WiMAX物理層操作和測(cè)量

802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)描述了四種不同的空中接口。其中一種接口標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)NLOS，RF頻率小于11GHz和距離達(dá)到30km的無(wú)線通信而優(yōu)化的。雖然標(biāo)準(zhǔn)把這一物理層正式命名為 WirelessMAN-OFDM，但許多人都把它稱(chēng)為WiMAX空中接口。該空中接口的基本特性是256載波OFDM，帶寬范圍為1.25- 20MHz，載波頻率最高達(dá)11GHz。

一、WiMAX空中接口

WiMAX 系統(tǒng)可配置成使用1.25MHz至20MHz的任何帶寬；無(wú)論帶寬多寬，符號(hào)始終包含200個(gè)載波。因此窄帶寬系統(tǒng)子載波的間距很近，從而提供相對(duì)長(zhǎng)的符號(hào)周期（符號(hào)周期定義為1/子載波間距）。這些間距很近的子載波和長(zhǎng)符號(hào)有助于克服諸如多徑之類(lèi)的信道損傷。長(zhǎng)符號(hào)周期是WiMAX系統(tǒng)與無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)（相對(duì)短的符號(hào)）的關(guān)鍵差別，使WiMAX對(duì)于長(zhǎng)距離和NLOS應(yīng)用有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。

WiMAX空中接口中的基本OFDM符號(hào)基于256點(diǎn)FFT。類(lèi)似其它OFDM系統(tǒng)，256個(gè)子載波中有一部分作為保護(hù)頻段（不使用），中心頻率也不使用，因?yàn)樗鼘?duì)RF載波的直饋非常敏感。WiMAX中實(shí)際只使用200個(gè)子載波。這200個(gè)載波的分配是192個(gè)載波用于數(shù)據(jù)，8個(gè)載波用于導(dǎo)頻（見(jiàn)圖 1）。導(dǎo)頻載波始終為BPSK調(diào)制，數(shù)據(jù)載波則為BPSK、QPSK、16 QAM或64 QAM。

                          

                                        圖1. OFDM子載波

WiMAX 系統(tǒng)可部署為T(mén)DD、FDD或半雙工FDD。圖2示出TDD配置中的一個(gè)典型幀，這里基站和用戶(hù)設(shè)備以相同RF頻率發(fā)送，用時(shí)間分隔?；景l(fā)送下行鏈路子幀，接著是稱(chēng)為發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換間隙（TTG）的短間隙，然後是用戶(hù)發(fā)送上行鏈路子幀。各用戶(hù)間有精確的同步，因此它們的發(fā)射信號(hào)在到達(dá)基站時(shí)不會(huì)重疊。在所有上行鏈路幀後和基站能再次發(fā)射前，有另一個(gè)稱(chēng)為接收/發(fā)送轉(zhuǎn)換間隙（RTG）的短間隙。注意各個(gè)上行鏈路子幀前面是一個(gè)前置碼。它被稱(chēng)為“短前置碼”，它允許基站與每個(gè)用戶(hù)同步。讓我們進(jìn)一步看下行鏈路，下行鏈路的子幀始終由前置碼開(kāi)始，接著是報(bào)頭，然後是一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)突發(fā)。這些下行鏈路突發(fā)通常由多個(gè)符號(hào)構(gòu)成。每一突發(fā)內(nèi)的調(diào)制形式是固定的；但不同突發(fā)可能有不同的調(diào)制類(lèi)型。要先傳輸如 BPSK和QPSK等高抗擾性調(diào)制類(lèi)型的突發(fā)，接著是抗擾性稍差的調(diào)制類(lèi)型（16和64QAM）。包含所有4類(lèi)調(diào)制的下行鏈路子幀的次序?yàn)椤肂PSK, QPSK, 16 QAM和64 QAM。
                             

                                        圖2. 下行鏈路和上行鏈路子幀

在上行鏈路和下行鏈路上的每一次傳輸始終從前置碼開(kāi)始。該前置碼允許接收機(jī)與發(fā)射機(jī)同步，并用于信道評(píng)估。下行鏈路傳輸由長(zhǎng)前置碼開(kāi)始。長(zhǎng)前置碼（圖3）由兩個(gè)QPSK調(diào)制符號(hào)構(gòu)成。第一個(gè)符號(hào)使用200載波中的50個(gè)載波（每第4個(gè)子載波），第二個(gè)符號(hào)使用200個(gè)載波中的100個(gè)載波（所有偶數(shù)號(hào)的子載波）。這些前置碼符號(hào)的發(fā)送功率比下行鏈路子幀中的所有其它符號(hào)高3dB，使接收機(jī)更易于接收，以進(jìn)行正確的解調(diào)和解碼。在各上行鏈路突發(fā)的開(kāi)始處使用 “短前置碼”。該短前置碼是使用100個(gè)QPSK載波的一個(gè)符號(hào)（所有偶數(shù)號(hào)的子載波）。當(dāng)使用包含許多符號(hào)的極長(zhǎng)下行鏈路突發(fā)時(shí)，可能需要在下行鏈路突發(fā)間插入中同步碼（短前置碼）。該短前置碼幫助接收機(jī)再同步，并提供附加的信道評(píng)估。

跟著前置碼的是幀控制報(bào)頭（FCH）。FCH由BPSK調(diào)制中的一個(gè)符號(hào)實(shí)現(xiàn)。該符號(hào)包含88bit的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)數(shù)據(jù)，它描述如基站ID這類(lèi)關(guān)鍵系統(tǒng)信息，以及接收機(jī)解碼子幀所需要的下行鏈路突發(fā)信息。FCH所包含的信息雖然對(duì)于全面描述網(wǎng)絡(luò)或下行鏈路是不夠的，但足夠使接收機(jī)能夠開(kāi)始解碼下行鏈路突發(fā)。

下行鏈路突發(fā)包含用戶(hù)數(shù)據(jù)和控制消息。每一個(gè)下行鏈路突發(fā)都包含一個(gè)或多個(gè)符號(hào)。突發(fā)中的各符號(hào)包括12至108字節(jié)的有效載荷數(shù)據(jù)，字節(jié)數(shù)取決于調(diào)制類(lèi)型和編碼增益。表1示出7種不同調(diào)制類(lèi)型和編碼增益的組合。對(duì)于每種組合，各符號(hào)需要有規(guī)定數(shù)量的有效載荷數(shù)據(jù)。

                                   

                                                           圖3. 長(zhǎng)前置碼

編碼過(guò)程是從有效載荷數(shù)據(jù)變成發(fā)送至IQ映射器的實(shí)際比特，如表1所示。在有必要時(shí)可填充比特，使有效載荷數(shù)據(jù)具有映射至整數(shù)符號(hào)的正確塊大小。隨機(jī)化器把該數(shù)據(jù)與?隨機(jī)比特序列作異或運(yùn)算，以得到某些1至0和某些0至1的反轉(zhuǎn)。這樣，隨機(jī)化器就消除了有效載荷數(shù)據(jù)中1或0的長(zhǎng)串。再增加一個(gè)用于Reed- Solomon和卷積編碼的尾字節(jié)。這些編碼步驟提供了前向糾錯(cuò)，在數(shù)字通信系統(tǒng)中是非常普遍的編碼方法。這一編碼增加了冗馀數(shù)據(jù)，以幫助確定和修復(fù)缺失或被破壞的數(shù)據(jù)。

編碼中的最後步驟包括在兩個(gè)步驟中執(zhí)行的交織。交織的第一步是重新排列比特次序，確保相鄰比特不被映射至相鄰載波。在部分信道帶寬因某種類(lèi)型的寄生或帶內(nèi)噪聲而惡化時(shí)，這種方法能通過(guò)減少相鄰比特丟失機(jī)會(huì)而避免錯(cuò)誤。交織的第二步是再次對(duì)這些比特排序，使原來(lái)相鄰的比特交替映射至IQ星座上或多或少的可靠點(diǎn)。在64 QAM這類(lèi)復(fù)雜的調(diào)制中，每一個(gè)IQ點(diǎn)代表多個(gè)數(shù)據(jù)比特，其中一些比特比另一些比特更容易檢測(cè)（因此也更可靠）。在交織後，編碼比特被映射到IQ星座，從載波號(hào)-100開(kāi)始，直至載波號(hào)+100。

表1. 調(diào)制和編碼組合

為簡(jiǎn)化發(fā)射機(jī)和接收機(jī)設(shè)計(jì)，F(xiàn)CH中的所有符號(hào)和DL數(shù)據(jù)突發(fā)以相同功率傳送。由于這些符號(hào)使用四種不同的調(diào)制類(lèi)型（BPSK, QPSK等），因此需針對(duì)每種調(diào)制類(lèi)型進(jìn)行調(diào)整，使各符號(hào)的平均功率大致相同。圖5示出實(shí)際測(cè)量一個(gè)包含BPSK、QPSK、16QAM和64QAM符號(hào)的幀所得到的IQ星座圖。圖中示出各調(diào)制類(lèi)型有不同的標(biāo)度，因?yàn)楦鱅Q點(diǎn)未排齊，因此有可能看到所有86個(gè)離散的IQ點(diǎn)（64QAM＋16QAM＋ 4QPSK＋2BPSK）。這樣的測(cè)量能通過(guò)幅度標(biāo)度或IQ星座圖幫助設(shè)計(jì)師迅速確定有問(wèn)題的區(qū)域。前面曾講過(guò)前置碼突發(fā)比這些FCH和下行鏈路突發(fā)符號(hào)高3dB。該前置碼被解碼和用于信道評(píng)估，但在IQ星座圖中未示出這些符號(hào)。

  

圖5. Agilent 89600對(duì)WiMAX下行鏈路幀的IQ測(cè)量

二、RF特性

系統(tǒng)的總體性能依靠仔細(xì)地定義和控制RF特性。在802.16-2004和“WiMAX認(rèn)證”文件中定義了這些RF指標(biāo)。Agilent提供各種用于驗(yàn)證該 RF規(guī)范不同部分的測(cè)試解決方案。這篇應(yīng)用指南的下面部分講述每一項(xiàng)RF發(fā)射機(jī)和和接收機(jī)測(cè)量，并詳細(xì)介紹Agilent為每一項(xiàng)測(cè)量推薦的測(cè)試步驟和測(cè)試解決方案。應(yīng)把這些推薦看作是指導(dǎo)方針，或是針對(duì)每一項(xiàng)需要的出發(fā)點(diǎn)。

三、控制DUT

雖然802.16-2004中定義了RF參數(shù)的測(cè)試條件，但該標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定如何控制DUT。大多數(shù)設(shè)備制造商已實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)門(mén)的DUT控制軟件和DUT測(cè)試模式，它可控制發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的工作，并獨(dú)立于正常系統(tǒng)工作期間所使用的MAC和協(xié)議控制。這些專(zhuān)門(mén)的測(cè)試模式為可重復(fù)測(cè)量做了優(yōu)化，它能快速執(zhí)行，而沒(méi)有通過(guò)常規(guī)MAC/協(xié)議操作建立鏈接和控制空中接口的不必要開(kāi)銷(xiāo)。

四、發(fā)射機(jī)測(cè)試

IEEE 802.16-2004中的8.3.10和8.5.2項(xiàng)規(guī)定了發(fā)射機(jī)要求。這些測(cè)試包括∶