IEEE802.16-2004 WiMAX物理層操作和測(cè)量

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。

wimax 系統(tǒng)可部署為tdd、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，然後是用戶發(fā)送上行鏈路子幀。各用戶間有精確的同步，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)椤胋psk, qpsk, 16 qam和64 qam。

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)。

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)，fch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)楦鱥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)。

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∶

·8.3.10.1 - 發(fā)射功率級(jí)控制；
·8.3.10.1.1 - 發(fā)射機(jī)頻譜平坦度；
·8.3.10.1.2 - 發(fā)射機(jī)星座誤差；
·8.5.2 - 發(fā)射頻譜模板（對(duì)于未許可頻段的工作）。
其它一些關(guān)鍵的發(fā)射機(jī)測(cè)量，如acpr，最大輸出功率，雜散和諧波在802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)中未作規(guī)定，而把它留給設(shè)備將部署地區(qū)的“地區(qū)規(guī)章”。

1、發(fā)射機(jī)功率級(jí)控制

基站和用戶設(shè)備必須能在一定范圍內(nèi)調(diào)整其輸出功率?；局辽僖?0db的調(diào)整范圍，所有用戶設(shè)備至少要有30db，支持子信道化設(shè)備至少要有50db的調(diào)整范圍。在此范圍內(nèi)的步長(zhǎng)最小值須為1db，所有小于30db步長(zhǎng)的相對(duì)精度為±1.5db，更大步長(zhǎng)的相對(duì)精度為±3db。

表2. 發(fā)送功率級(jí)控制的指標(biāo)

（1）推薦的rf測(cè)試設(shè)備

agilent e4440a psa系列頻譜分析儀和配置選件b7s wimax分析軟件的89600系列矢量信號(hào)分析儀（vsa軟件）。

（2）agilent測(cè)試設(shè)置

對(duì)于這項(xiàng)測(cè)量，要把dut設(shè)置到各種輸出功率。用rf測(cè)試設(shè)備精確測(cè)量各dut功率設(shè)置的相對(duì)功率。
·把dut設(shè)置為發(fā)送有效功率，其幀結(jié)構(gòu)有正確的前置碼和數(shù)據(jù)突發(fā)；
·使用推薦的測(cè)試設(shè)備，測(cè)量和記錄dut數(shù)據(jù)突發(fā)的輸出功率；
·重復(fù)第2步，仔細(xì)觀察功率放大器開(kāi)關(guān)的通斷點(diǎn)（pa接通或斷開(kāi)處的功率級(jí)）。把測(cè)量數(shù)據(jù)與該設(shè)備預(yù)期輸出功率相比較。

（3）使用帶wimax分析軟件agilent 89600 vsa的考慮

如圖7所示，vsa軟件提供幀中各突發(fā)的功率測(cè)量結(jié)果。顯示中示出對(duì)前置碼、fch和各數(shù)據(jù)突發(fā)的功率測(cè)量結(jié)果。為提高精度，應(yīng)使用包含許多符號(hào)的突發(fā)。它提供大量樣本的平均。

（4）測(cè)試考慮

所發(fā)送的信號(hào)很有可能是跟著前置碼的數(shù)據(jù)突發(fā)。發(fā)送的前置碼符號(hào)功率要比數(shù)據(jù)突發(fā)高3db。由于幀中有幅度變化，為保證進(jìn)行正確的測(cè)量，有一些需要注意的事項(xiàng)。在進(jìn)行參考測(cè)量時(shí)，分別記錄前置碼的功率和數(shù)據(jù)突發(fā)的功率。然後當(dāng)改變信號(hào)輸出電平時(shí)，分別將新的前置碼功率和數(shù)據(jù)突發(fā)功率與原參考測(cè)量比較。 802.16-2004標(biāo)準(zhǔn)未明確定義用發(fā)送信號(hào)的哪一部分進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)量，但由于這是相對(duì)測(cè)量，因此只要參考測(cè)量正確，該測(cè)試就有效。