IEEE802.16-2004 WiMAX物理層測(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符號(hào)有助于克服諸如多徑之類的信道損傷。長符號(hào)周期是WiMAX系統(tǒng)與無線局域網(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)制類型。要先傳輸如 BPSK和QPSK等高抗擾性調(diào)制類型的突發(fā),接著是抗擾性稍差的調(diào)制類型（16和64QAM）。包含所有4類調(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。下行鏈路傳輸由長前置碼開始。長前置碼（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)開銷數(shù)據(jù),它描述如基站ID這類關(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)制類型和編碼增益。表1示出7種不同調(diào)制類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. 長前置碼

　　編碼過程是從有效載荷數(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型的寄生或帶內(nèi)噪聲而惡化時(shí),這種方法能通過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)制類型（BPSK, QPSK等）,因此需針對(duì)每種調(diào)制類型進(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)量能通過幅度標(biāo)度或IQ星座圖幫助設(shè)計(jì)師迅速確定有問題的區(qū)域。前面曾講過前置碼突發(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)了專門的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。這些專門的測(cè)試模式為可重復(fù)測(cè)量做了優(yōu)化,它能快速執(zhí)行,而沒有通過常規(guī)MAC/協(xié)議操作建立鏈接和控制空中接口的不必要開銷。

　　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”。

圖6. 發(fā)射機(jī)測(cè)量的典型連接圖

　　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)的步長最小值須為1dB,所有小于30dB步長的相對(duì)精度為±1.5dB,更大步長的相對(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）。

　?。?）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)觀察功率放大器開關(guān)的通斷點(diǎn)（PA接通或斷開處的功率級(jí)）。把測(cè)量數(shù)據(jù)與該設(shè)備預(yù)期輸出功率相比較。

　?。?）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。

圖7. 下行鏈路子幀功率測(cè)量

　?。?）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。