WiMAX的關(guān)鍵技術(shù)及R&S無線測(cè)試儀CMW270全系列測(cè)試解決方案

1 、WiMAX簡(jiǎn)介

無線接入互聯(lián)網(wǎng)和無線多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的巨大需求推動(dòng)了無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信技術(shù)寬帶化，IP化和移動(dòng)化成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。WiMAX技術(shù)是以IEEE802.16系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的寬帶無線接入技術(shù)，近兩年發(fā)展迅速，并逐漸成為城域?qū)拵o線接入技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)。WiMAX系統(tǒng)主要有兩個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是滿足固定寬帶無線接入的WiMAX802.16d標(biāo)準(zhǔn)，另一個(gè)是滿足固定和移動(dòng)的寬帶無線接入技術(shù)WiMAX802.16e標(biāo)準(zhǔn)。WiMAX的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）OFDM/OFDMA

正交頻分復(fù)用OFDM是一種高速傳輸技術(shù)，是未來無線寬帶接入系統(tǒng)/下一代蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在WiMAX系統(tǒng)中，OFDM/OFDMA技術(shù)為物理層技術(shù)。OFDMA系統(tǒng)可以支持長度為2048，1024，512和128的FFT點(diǎn)數(shù)。通常向下數(shù)據(jù)流被分為邏輯數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流可以采用不同的調(diào)制及編碼方式，以及以不同信號(hào)功率接入不同信道特征的用戶端;向上數(shù)據(jù)流子信道采用多址方式接入，通過下行發(fā)送的媒質(zhì)接入?yún)f(xié)議MAP分配子信道傳輸上行數(shù)據(jù)流。

（2）HARQ

HARQ技術(shù)因?yàn)樘岣吡祟l譜效率，所以可以明顯提高系統(tǒng)吞吐量，同時(shí)因?yàn)橹貍骺梢詭砗喜⒃鲆?，間接擴(kuò)大了系統(tǒng)的覆蓋范圍。16e中只支持卷積碼（CC）、卷積Turbo碼（CTC）的HARQ方式。

（3）AMC

AMC在WiMAX的應(yīng)用中有其特有的技術(shù)要求，由于AMC技術(shù)需要根據(jù)信道條件來判斷將要采用的編碼方案和調(diào)制方案，所以AMC技術(shù)必須根據(jù)WiMAX的技術(shù)特征來實(shí)現(xiàn)AMC功能。與CDMA技術(shù)不同的是，由于WiMAX物理層采用的是OFDM技術(shù)，所以時(shí)延擴(kuò)展、多普勒頻移、小區(qū)的干擾和PAPR值等對(duì)于OFDM解調(diào)性能有重要影響的信道因素必須被考慮到AMC算法中，用于調(diào)整系統(tǒng)編碼調(diào)制方式，達(dá)到系統(tǒng)瞬時(shí)最優(yōu)性能。

（4）MIMO

對(duì)于未來移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，如何能夠在非視距和惡劣信道下保證高的QoS是一個(gè)關(guān)鍵問題，也是移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。對(duì)于SISO系統(tǒng)，如果要滿足上述要求就需要較多的頻譜資源和復(fù)雜的編碼調(diào)制技術(shù)，而頻譜資源的有限和移動(dòng)終端的特性都制約著SISO系統(tǒng)的發(fā)展，所以MIMO是未來移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO技術(shù)主要有兩種表現(xiàn)形式，即空間復(fù)用和空時(shí)編碼，這兩種形式在WiMAX協(xié)議中都得到了應(yīng)用。協(xié)議還給出了同時(shí)使用空間復(fù)用和空時(shí)編碼的形式。MIMO技術(shù)能顯著地提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，可以大大提高系統(tǒng)的性能，是未來移動(dòng)通信發(fā)展的一個(gè)重要方向。圖1為MIMO系統(tǒng)原理圖。

圖1 MIMO系統(tǒng)原理圖

2、 WiMAX射頻模塊測(cè)試

2.1 WiMAX發(fā)射機(jī)測(cè)試

以功率放大器為例，說明WiMAX發(fā)射機(jī)的測(cè)試。

為了全面衡量WiMAX功放的性能，除了傳統(tǒng)的增益，1dB壓縮點(diǎn)和最大輸出功率外，往往還需要測(cè)試以下參數(shù)：

圖2 頻率誤差引起的載波間干擾

（1）“突發(fā)”輸出功率。

（2）頻率誤差。頻率誤差可以用相對(duì)于頻譜儀中心頻率的載波頻率誤差來描述（見圖2）。收發(fā)信機(jī)間的頻率誤差將引起各個(gè)子載波頻譜相對(duì)于接收機(jī)FFT頻率的移動(dòng)，產(chǎn)生載波間干擾（ICI）。

（3）符號(hào)時(shí)鐘誤差。指相對(duì)于系統(tǒng)采樣時(shí)鐘的參考符號(hào)時(shí)鐘與實(shí)際測(cè)量的符號(hào)時(shí)鐘之差。如果符號(hào)時(shí)鐘比參考時(shí)鐘低會(huì)使OFDM信號(hào)比所要求的長，引起子載波間距減小;反之，則引起子載波間距增加。兩種情況都產(chǎn)生載波間干擾，使信號(hào)的EVM性能惡化。

（4）EVM（誤差矢量幅度）。這是最重要的測(cè)試參數(shù)之一，以保證放大器在輸出足夠功率的同時(shí)獲得良好的信號(hào)質(zhì)量。EVM的結(jié)果可以對(duì)所有載波、數(shù)據(jù)載波和導(dǎo)頻載波。

（5）ACPR（鄰信道功率比）。ACPR指相鄰信道測(cè)得的功率與主信道功率之比，反映放大器失真對(duì)鄰信道的干擾。

（6）頻譜平坦度。反映WiMAX信號(hào)子載波的功率變化，它測(cè)量每個(gè)子載波的平均功率對(duì)所有子載波平均功率的偏離。

（7）頻譜差（Spectrum Difference）。測(cè)量突發(fā)前導(dǎo)部分相鄰子載波的功率差異。

（8）頻譜模板（Spectrum Mask）。測(cè)量發(fā)信機(jī)發(fā)射頻譜的“輪廓”，以保證主信道外沒有過多的功率發(fā)射。

R&S為WIMAX功放測(cè)試提供了快速、準(zhǔn)確的解決方案。測(cè)試設(shè)置如圖3所示，主要包括3部分：

圖3 R&S的WiMAX射頻模塊測(cè)試解決方案

●信號(hào)源：使用R&S信號(hào)源SMU200A或SMJ100A并加上相應(yīng)選件K49，就可以方便地產(chǎn)生802.16 -2004-OFDM，WIMAX 802.16e OFDMA和WIBRO信號(hào)。其中，SMU200A除具有極佳的射頻及基帶性能外，還帶有強(qiáng)大的衰落模擬功能，更適合研發(fā)使用。

●頻譜儀：R&S FSQ系列頻譜儀及選件R&S FSQ-K92可支持 802.16-2004-OFDM信號(hào)分析;或者使用R&S FSQ及選件FSQ-K93，可以支持WiMAX 802.16e OFDMA和WIBRO信號(hào)的分析;也可選擇R&S FSL系列頻譜儀及選件R&S FSL-K92，支持802.16-2004-OFDM信號(hào)的分析。

●免費(fèi)的外部PC軟件DemoMeas_WiMAX（可以從R&S網(wǎng)頁www.rohde-schwarz.com下載）：它通過GPIB或LAN控制R&S信號(hào)源（SMU200或SMJ100）和頻譜儀（FSQ或FSL）。如圖4所示，用戶只需在左邊欄目選擇待測(cè)的參數(shù)，軟件可自動(dòng)完成測(cè)試所需的設(shè)置，而且可同時(shí)生成測(cè)試報(bào)告。

圖4 在FSQ上進(jìn)行WiMAX頻譜和星座圖測(cè)試界面

2.2 WiMAX接收機(jī)測(cè)試

為了測(cè)試WiMAX接收機(jī)的性能，尤其是802.16e，衰落環(huán)境下的測(cè)試顯得尤為重要。SMU200A內(nèi)置了衰落模擬器，可以模擬單通道40徑或者雙通道20徑的衰落環(huán)境，每個(gè)路徑均可進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的設(shè)置，如損耗、延時(shí)、移動(dòng)速度、多普勒頻移等。目前，SUI（Stanford University Interim）模型（SUI1-SUI6）和ITU（國際電信聯(lián)盟）模型（OIP-A/B和V-A）可以用來進(jìn)行相關(guān)的WiMAX衰落測(cè)試。在SMU200A的衰落模擬器中，預(yù)定義了SUI和ITU模型，用戶可直接調(diào)用。

使用傳統(tǒng)的測(cè)試方法測(cè)試MIMO的性能需要兩個(gè)信號(hào)源和相應(yīng)的衰落模擬器。但由于SMU200A（或者基帶源AMU200A）可以提供兩路完全獨(dú)立的基帶和射頻通道，因此只需一臺(tái)儀器就實(shí)現(xiàn)MIMO測(cè)試。每路信號(hào)可以模擬4個(gè)衰落通道，并針對(duì)WiMAX提供了空時(shí)編碼。R&S的單臺(tái)儀器解決方案，不僅節(jié)約了空間和成本，而且對(duì)于兩路信號(hào)及衰落通道的同步和合成提供了方便的設(shè)置和準(zhǔn)確的精度。此外，直觀的操作界面也大大方便了操作（見圖5）。

圖5 R&S SMU200A的MIMO接收機(jī)測(cè)試界面

3、 WiMAX整機(jī)射頻一致性測(cè)試

3.1 WiMAX射頻一致性認(rèn)證測(cè)試簡(jiǎn)介

WiMAX論壇的目標(biāo)是把IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的應(yīng)用。它是由制造商和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商組成的業(yè)界協(xié)會(huì)，處理除了純技術(shù)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)以外的WiMAX其他所有相關(guān)方面。對(duì)WiMAX基站和終端的產(chǎn)品認(rèn)證是論壇的一個(gè)重要工作。它的目標(biāo)是保證WiMAX服務(wù)在全球的可用性和可靠性。一個(gè)相關(guān)的認(rèn)證工作組CWG負(fù)責(zé)如下相關(guān)的工作：定義認(rèn)證和測(cè)試過程;列出需要的測(cè)試用例清單;選擇測(cè)試機(jī)構(gòu);選擇一致性測(cè)試系統(tǒng)等。

WiMAX產(chǎn)品需要測(cè)試滿足3個(gè)條件，即協(xié)議一致性、無線射頻一致性和互操作性。對(duì)于最后一項(xiàng)條件，來自不同制造商的產(chǎn)品需要在一個(gè)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行互操作性測(cè)試和性能評(píng)估。前兩項(xiàng)測(cè)試條件需要特殊的測(cè)試系統(tǒng)。WiMAX的相關(guān)測(cè)試規(guī)范是技術(shù)工作組（TWG）制定的，其中一個(gè)重要的射頻一致性測(cè)試規(guī)范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WiMAX規(guī)范的實(shí)現(xiàn)一致性程度。

根據(jù)WiMAX參數(shù)，射頻測(cè)試主要是對(duì)WiMAX技術(shù)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值和幀定時(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)無線電管理部門的規(guī)定，即一般所說的要通過頻率核準(zhǔn)的測(cè)試。

對(duì)接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試的測(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)進(jìn)行測(cè)試的測(cè)試指標(biāo)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。

3.2 R&S TS8970 WiMAX射頻一致性認(rèn)證測(cè)試系統(tǒng)

WiMAX論壇選擇了R&S公司的TS8970測(cè)試系統(tǒng)作為IEEE802.16e-2005移動(dòng)WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的無線射頻一致性測(cè)試系統(tǒng)（見圖6）。在2006年5月韓國和維也納的WiMAX會(huì)議上，R&S第一次推出了這套系統(tǒng)。伴隨著WiMAX論壇正在進(jìn)行的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化工作，R&S也正在TS8970系統(tǒng)上實(shí)行所有必須的測(cè)試用例。

圖6 R&S WiMAX射頻一致性認(rèn)證測(cè)試系統(tǒng)

R&S TS8970系統(tǒng)是基于R&S公司高端儀表的基礎(chǔ)上，采用了信號(hào)源SMU200A及其選件SMx-K49作為信號(hào)產(chǎn)生部分，信號(hào)分析儀FSQ及其選件FSQ-K93作為信號(hào)分析部分，所需的信令連接部分采用了一個(gè)OEM的基站和終端模擬器。同時(shí)，還有一個(gè)全自動(dòng)的射頻開關(guān)矩陣，它的頻率達(dá)到6GHz，可以保證測(cè)試系統(tǒng)和被測(cè)件之間每個(gè)測(cè)試用例要求的信號(hào)轉(zhuǎn)換通路。

與R&S TS895x 2G和3G移動(dòng)通信的認(rèn)證系統(tǒng)一樣，R&S TS8970系統(tǒng)使用了可靠的RS-PASS控制軟件。由于它具有模塊化和獨(dú)立于標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，整個(gè)軟件可以在TS8970中迅速實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)特定的一些應(yīng)用，如全自動(dòng)的射頻路徑校準(zhǔn)補(bǔ)償、系統(tǒng)自檢程序和所有的管理、控制程序（如版本瀏覽器、測(cè)試用例和測(cè)試序列編輯器、測(cè)試參數(shù)和結(jié)果管理），這些都可以直接使用，不需要做改變。此外，最初的WiMAX指定的一些測(cè)試用例可以使用一些RS-PASS基本程序來開發(fā)。而且，R&S TS8970是第一套全部使用以太網(wǎng)控制的測(cè)試系統(tǒng)。

4、WiMAX終端無線測(cè)試儀CMW270

在生產(chǎn)測(cè)試方面，R&S最新推出了集非信令測(cè)試和信令測(cè)試于一體的WiMAX802.16e終端無線測(cè)試儀CMW270，可以滿足用戶在非信令模式測(cè)量，信令模式測(cè)量和功能驗(yàn)證，校準(zhǔn)、服務(wù)和質(zhì)量保證等各種WiMAX測(cè)試領(lǐng)域的需求（見圖7）。

圖7 WiMAX終端無線測(cè)試儀CMW270

對(duì)于在非信令模式下射頻測(cè)量方面，CMW270可以提供快速的發(fā)射機(jī)測(cè)量，測(cè)試發(fā)射機(jī)的突發(fā)功率，鄰信道功率ACP，EVM和IQ不平衡度等調(diào)制指標(biāo)，中心頻率誤差，頻譜平坦度，頻譜雜散模版等頻譜性能。并內(nèi)置了ARB信號(hào)源用于接收機(jī)測(cè)量，測(cè)試接收機(jī)在保持一定的PER或BER情況下的接收機(jī)靈敏度和最大輸入電平等指標(biāo)。此外，CMW270內(nèi)置了通用的RF信號(hào)源和RF功率計(jì)，可以完成如外部射頻電纜校準(zhǔn)等通用測(cè)量功能。

對(duì)于信令模式下的射頻驗(yàn)證，CMW270可以提供實(shí)時(shí)信令，從而可以作為一個(gè)基站模擬器使用。此時(shí)的WiMAX終端可以像在一個(gè)實(shí)際的WiMAX網(wǎng)絡(luò)中一樣進(jìn)行操作，修改一些必要的發(fā)射參數(shù)，模擬各種復(fù)雜的測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試。例如，測(cè)量載波干擾噪聲信號(hào)比CINR和接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI等指標(biāo)，以及開機(jī)搜索、功率控制等物理層和MAC層功能的驗(yàn)證。

對(duì)于質(zhì)量保證和服務(wù)等方面的應(yīng)用，用戶也可以通過外部的顯示器、鼠標(biāo)和鍵盤來進(jìn)行手工操作，完成儀器所有的設(shè)置和測(cè)量。

由于具有實(shí)時(shí)信令模擬的能力，CMW270可以測(cè)試不同芯片廠商的終端而不需要特殊的測(cè)試模式接口，從而大大降低了測(cè)試時(shí)間和測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜度。由于儀器體積小巧，CMW270可以很方便地集成到生產(chǎn)線中去，并且可以通過LAN，IEC/IEEE總線或者USB2.0接口來進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

CMW270的頻率范圍從100MHz~6GHz，并且具有高信號(hào)質(zhì)量和精度，包括QPSK和QAM等各種調(diào)制方式和從1/2，2/3到3/4各種信道編碼方式，從而可以滿足目前WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的各種要求。

更進(jìn)一步，CMW270采用了模塊化的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，從而可以輕松地適應(yīng)未來IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)。內(nèi)部的測(cè)量和信令功能是由可編程邏輯器件FPGA和數(shù)字信號(hào)處理器DSP來完成的，從而可以通過固件升級(jí)的方式來輕松升級(jí)，適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的變化。

CMW270還提供了應(yīng)用測(cè)試的功能，通過在各種不同的測(cè)試場(chǎng)景下外部PC發(fā)送和接收TCP/IP數(shù)據(jù)包（數(shù)據(jù)或語音）來測(cè)試數(shù)據(jù)吞吐量。

由于其快速的測(cè)量能力、高精確度和面向未來的平臺(tái)設(shè)計(jì)理念，R&S CMW270為用戶提供了WiMAX 移動(dòng)終端的高性能、低成本的測(cè)試解決方案。

5、 WiMAX無線覆蓋測(cè)試系統(tǒng)TSMW

在完成了WiMAX的網(wǎng)絡(luò)部署之后，就要對(duì)WiMAX的網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行測(cè)量并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中存在的干擾進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合WiMAX終端還可以在現(xiàn)網(wǎng)中測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的QoS。R&S針對(duì)802.16e使用TSMW網(wǎng)絡(luò)掃頻儀對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行覆蓋測(cè)量以及干擾分析。通過Romes路測(cè)軟件的控制，可以解析出針對(duì)ID Cell和PA Index對(duì)小區(qū)進(jìn)行覆蓋測(cè)量。輸出Preamble的覆蓋質(zhì)量（CINR）和覆蓋電平（RSSI）參數(shù)。同時(shí)，TSMW還可以對(duì)每個(gè)ID Cell的多徑進(jìn)行測(cè)量，這樣輸出結(jié)果不僅包括了所有多徑的合成功率，還針對(duì)每路多徑分別給出RSSI和CINR。由于TSMW可以對(duì)每個(gè)Segment的所有小區(qū)進(jìn)行測(cè)量，因此可以通過該功能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之后的頻率優(yōu)化。

TSMW本身為獨(dú)立雙端口接收機(jī)設(shè)置，單一通道有20MHz的帶寬，因此在設(shè)備的研發(fā)初期就考慮了對(duì)MIMO的支持（見圖8）。它的頻段范圍可以達(dá)到6GHz，滿足所有的頻段需求，內(nèi)置12通道高靈敏度GPS接收機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量同GSS系統(tǒng)的完美結(jié)合。它在射頻性能上表現(xiàn)尤其突出，內(nèi)置預(yù)選器，可以提高對(duì)于接收系統(tǒng)干擾的抑制和儀表本身的動(dòng)態(tài)范圍，噪聲系數(shù)極低，極大地提高了儀表的底噪指標(biāo)。并且提供的IQ數(shù)據(jù)直接獲取也給研發(fā)階段一些非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的分析提供了可能。

圖8 WiMAX無線覆蓋測(cè)試系統(tǒng)TSMW

6 、結(jié)束語

WiMAX是未來移動(dòng)通信發(fā)展的一個(gè)重要的發(fā)展方向。在產(chǎn)品研發(fā)階段，R&S WiMAX射頻儀器強(qiáng)大的功能和出色的性能確保廠商能及時(shí)、準(zhǔn)確地驗(yàn)證其射頻模塊和部件;在產(chǎn)品認(rèn)證階段，R&S利用其在移動(dòng)通信一致性認(rèn)證測(cè)試中的領(lǐng)先地位，率先提供了TS8970以滿足WiMAX整機(jī)射頻一致性測(cè)試的需求;在生產(chǎn)測(cè)試階段，R&S有集WiMAX信令和非信令模式于一體的的生產(chǎn)測(cè)試解決方案——WiMAX終端無線測(cè)試儀CMW270，從而提供了從研發(fā)、認(rèn)證到生產(chǎn)的全系列測(cè)試解決方案。

責(zé)任編輯：gt