IEEE802.16-2004 WiMAX物理層測量

　　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。

　　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∶

·8.3.10.1 - 發(fā)射功率級控制;
·8.3.10.1.1 - 發(fā)射機頻譜平坦度;
·8.3.10.1.2 - 發(fā)射機星座誤差;
·8.5.2 - 發(fā)射頻譜模板（對于未許可頻段的工作）。

　　其它一些關(guān)鍵的發(fā)射機測量,如ACPR,最大輸出功率,雜散和諧波在802.16-2004標準中未作規定,而把它留給設備將部署地區的“地區規章”。

圖6. 發(fā)射機測量的典型連接圖

　　1、發(fā)射機功率級控制

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

表2. 發(fā)送功率級控制的指標

　?。?）推薦的RF測試設備

　　Agilent E4440A PSA系列頻譜分析儀和配置選件B7S WiMAX分析軟件的89600系列矢量信號分析儀（VSA軟件）。

　?。?）Agilent測試設置

　　對于這項測量,要把DUT設置到各種輸出功率。用RF測試設備精確測量各DUT功率設置的相對功率。
·把DUT設置為發(fā)送有效功率,其幀結構有正確的前置碼和數據突發(fā);
·使用推薦的測試設備,測量和記錄DUT數據突發(fā)的輸出功率;
·重復第2步,仔細觀(guān)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）。把測量數據與該設備預期輸出功率相比較。

　?。?）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)的功率測量結果。顯示中示出對前置碼、FCH和各數據突發(fā)的功率測量結果。為提高精度,應使用包含許多符號的突發(fā)。它提供大量樣本的平均。

圖7. 下行鏈路子幀功率測量

　?。?）測試考慮

　　所發(fā)送的信號很有可能是跟著(zhù)前置碼的數據突發(fā)。發(fā)送的前置碼符號功率要比數據突發(fā)高3dB。由于幀中有幅度變化,為保證進(jìn)行正確的測量,有一些需要注意的事項。在進(jìn)行參考測量時(shí),分別記錄前置碼的功率和數據突發(fā)的功率。然後當改變信號輸出電平時(shí),分別將新的前置碼功率和數據突發(fā)功率與原參考測量比較。 802.16-2004標準未明確定義用發(fā)送信號的哪一部分進(jìn)行此項測量,但由于這是相對測量,因此只要參考測量正確,該測試就有效。