IEEE802.16-2004 WiMAX物理層操作和測量

802.16-2004標準描述了四種不同的空中接口。其中一種接口標準是針對NLOS，RF頻率小于11GHz和距離達到30km的無(wú)線(xiàn)通信而優(yōu)化的。雖然標準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11GHz。

一、WiMAX空中接口

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

WiMAX空中接口中的基本OFDM符號基于256點(diǎn)FFT。類(lèi)似其它OFDM系統，256個(gè)子載波中有一部分作為保護頻段（不使用），中心頻率也不使用，因為它對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)載波用于數據，8個(gè)載波用于導頻（見(jiàn)圖 1）。導頻載波始終為BPSK調制，數據載波則為BPSK、QPSK、16 QAM或64 QAM。

                          

                                        圖1. OFDM子載波

WiMAX 系統可部署為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(zhù)是稱(chēng)為發(fā)送/接收轉換間隙（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)射信號在到達基站時(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(zhù)是報頭，然後是一個(gè)或多個(gè)數據突發(fā)。這些下行鏈路突發(fā)通常由多個(gè)符號構成。每一突發(fā)內的調制形式是固定的；但不同突發(fā)可能有不同的調制類(lèi)型。要先傳輸如 BPSK和QPSK等高抗擾性調制類(lèi)型的突發(fā)，接著(zhù)是抗擾性稍差的調制類(lèi)型（16和64QAM）。包含所有4類(lèi)調制的下行鏈路子幀的次序為∶BPSK, 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與發(fā)射機同步，并用于信道評估。下行鏈路傳輸由長(cháng)前置碼開(kāi)始。長(cháng)前置碼（圖3）由兩個(gè)QPSK調制符號構成。第一個(gè)符號使用200載波中的50個(gè)載波（每第4個(gè)子載波），第二個(gè)符號使用200個(gè)載波中的100個(gè)載波（所有偶數號的子載波）。這些前置碼符號的發(fā)送功率比下行鏈路子幀中的所有其它符號高3dB，使接收機更易于接收，以進(jìn)行正確的解調和解碼。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（所有偶數號的子載波）。當使用包含許多符號的極長(cháng)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再同步，并提供附加的信道評估。

跟著(zhù)前置碼的是幀控制報頭（FCH）。FCH由BPSK調制中的一個(gè)符號實(shí)現。該符號包含88bit的系統開(kāi)銷(xiāo)數據，它描述如基站ID這類(lèi)關(guān)鍵系統信息，以及接收機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)數據和控制消息。每一個(gè)下行鏈路突發(fā)都包含一個(gè)或多個(gè)符號。突發(fā)中的各符號包括12至108字節的有效載荷數據，字節數取決于調制類(lèi)型和編碼增益。表1示出7種不同調制類(lèi)型和編碼增益的組合。對于每種組合，各符號需要有規定數量的有效載荷數據。

                                   

                                                           圖3. 長(cháng)前置碼

編碼過(guò)程是從有效載荷數據變成發(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，使有效載荷數據具有映射至整數符號的正確塊大小。隨機化器把該數據與?隨機比特序列作異或運算，以得到某些1至0和某些0至1的反轉。這樣，隨機化器就消除了有效載荷數據中1或0的長(cháng)串。再增加一個(gè)用于Reed- Solomon和卷積編碼的尾字節。這些編碼步驟提供了前向糾錯，在數字通信系統中是非常普遍的編碼方法。這一編碼增加了冗馀數據，以幫助確定和修復缺失或被破壞的數據。

編碼中的最後步驟包括在兩個(gè)步驟中執行的交織。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)型的寄生或帶內噪聲而惡化時(shí)，這種方法能通過(guò)減少相鄰比特丟失機會(huì )而避免錯誤。交織的第二步是再次對這些比特排序，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)復雜的調制中，每一個(gè)IQ點(diǎn)代表多個(gè)數據比特，其中一些比特比另一些比特更容易檢測（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-100開(kāi)始，直至載波號+100。

表1. 調制和編碼組合

為簡(jiǎn)化發(fā)射機和接收機設計，FCH中的所有符號和DL數據突發(fā)以相同功率傳送。由于這些符號使用四種不同的調制類(lèi)型（BPSK, QPSK等），因此需針對每種調制類(lèi)型進(jìn)行調整，使各符號的平均功率大致相同。圖5示出實(shí)際測量一個(gè)包含BPSK、QPSK、16QAM和64QAM符號的幀所得到的IQ星座圖。圖中示出各調制類(lèi)型有不同的標度，因為各IQ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）。這樣的測量能通過(guò)幅度標度或IQ星座圖幫助設計師迅速確定有問(wèn)題的區域。前面曾講過(guò)前置碼突發(fā)比這些FCH和下行鏈路突發(fā)符號高3dB。該前置碼被解碼和用于信道評估，但在IQ星座圖中未示出這些符號。

  

圖5. Agilent 89600對WiMAX下行鏈路幀的IQ測量

二、RF特性

系統的總體性能依靠仔細地定義和控制RF特性。在802.16-2004和“WiMAX認證”文件中定義了這些RF指標。Agilent提供各種用于驗證該 RF規范不同部分的測試解決方案。這篇應用指南的下面部分講述每一項RF發(fā)射機和和接收機測量，并詳細介紹Agilent為每一項測量推薦的測試步驟和測試解決方案。應把這些推薦看作是指導方針，或是針對每一項需要的出發(fā)點(diǎn)。

三、控制DUT

雖然802.16-2004中定義了RF參數的測試條件，但該標準并未規定如何控制DUT。大多數設備制造商已實(shí)現了專(zhuān)門(mén)的DUT控制軟件和DUT測試模式，它可控制發(fā)射機和接收機的工作，并獨立于正常系統工作期間所使用的MAC和協(xié)議控制。這些專(zhuān)門(mén)的測試模式為可重復測量做了優(yōu)化，它能快速執行，而沒(méi)有通過(guò)常規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)射機測試

IEEE 802.16-2004中的8.3.10和8.5.2項規定了發(fā)射機要求。這些測試包括∶