IEEE802.16-2004 WiMAX物理層操作和測量

　　 

    作者：安捷倫科技有限公司

    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的無線通信而優化的。

    許多人都把它稱為WiMAX空中接口，其基本特性是256載波OFDM，帶寬范圍為1.25-20MHz，載波頻率最高達11GHz。本文是安捷倫科技有限公司專門為需要全面了解802.16-2004定義的256載波OFDM空中接口基本RF特性，以及使用Agilent測試解決方案實現的RF參數測量技術的工程師編寫的應用指南。

    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的無線通信而優化的。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；無論帶寬多寬，符號始終包含200個載波。因此窄帶寬系統子載波的間距很近，從而提供相對長的符號周期（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符號有助于克服諸如多徑之類的信道損傷。長符號周期是WiMAX系統與無線局域網系統（相對短的符號）的關鍵差別，使WiMAX對于長距離和NLOS應用有著明顯的優點。

    WiMAX空中接口中的基本OFDM符號基于256點FFT。類似其它OFDM系統，256個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中實際只使用200個子載波。這200個載波的分配是192個載波用于數據，8個載波用于導頻（見圖1）。導頻載波始終為BPSK調制，數據載波則為BPSK、QPSK、16QAM或64QAM。

    圖1.　　OFDM子載波

    WiMAX系統可部署為TDD、FDD或半雙工FDD。圖2示出TDD配置中的一個典型幀，這里基站和用戶設備以相同RF頻率發送，用時間分隔?；景l送下行鏈路子幀，接著是稱為發送/接收轉換間隙（TTG）的短間隙，然後是用戶發送上行鏈路子幀。各用戶間有精確的同步，因此它們的發射信號在到達基站時不會重疊。在所有上行鏈路幀後和基站能再次發射前，有另一個稱為接收/發送轉換間隙（RTG）的短間隙。

    注意各個上行鏈路子幀前面是一個前置碼。它被稱為“短前置碼”，它允許基站與每個用戶同步。讓我們進一步看下行鏈路，下行鏈路的子幀始終由前置碼開始，接著是報頭，然後是一個或多個數據突發。這些下行鏈路突發通常由多個符號構成。每一突發內的調制形式是固定的；但不同突發可能有不同的調制類型。要先傳輸如BPSK和QPSK等高抗擾性調制類型的突發，接著是抗擾性稍差的調制類型（16和64QAM）。包含所有4類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始。該前置碼允許接收機與發射機同步，并用于信道評估。下行鏈路傳輸由長前置碼開始。長前置碼（圖3）由兩個QPSK調制符號構成。第一個符號使用200載波中的50個載波（每第4個子載波），第二個符號使用200個載波中的100個載波（所有偶數號的子載波）。這些前置碼符號的發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，以進行正確的解調和解碼。在各上行鏈路突發的開始處使用“短前置碼”。該短前置碼是使用100個QPSK載波的一個符號（所有偶數號的子載波）。當使用包含許多符號的極長下行鏈路突發時，可能需要在下行鏈路突發間插入中同步碼（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。

    跟著前置碼的是幀控制報頭（FCH）。FCH由BPSK調制中的一個符號實現。該符號包含88bit的系統開銷數據，它描述如基站ID這類關鍵系統信息，以及接收機解碼子幀所需要的下行鏈路突發信息。FCH所包含的信息雖然對于全面描述網絡或下行鏈路是不夠的，但足夠使接收機能夠開始解碼下行鏈路突發。

    下行鏈路突發包含用戶數據和控制消息。每一個下行鏈路突發都包含一個或多個符號。突發中的各符號包括12至108字節的有效載荷數據，字節數取決于調制類型和編碼增益。表1示出7種不同調制類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.　　長前置碼

    編碼過程是從有效載荷數據變成發送至IQ映射器的實際比特，如表1所示。在有必要時可填充比特，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的長串。再增加一個用于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型的寄生或帶內噪聲而惡化時，這種方法能通過減少相鄰比特丟失機會而避免錯誤。交織的第二步是再次對這些比特排序，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。在64QAM這類復雜的調制中，每一個IQ點代表多個數據比特，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開始，直至載波號+100。

    表1.　　調制和編碼組合

    為簡化發射機和接收機設計，FCH中的所有符號和DL數據突發以相同功率傳送。由于這些符號使用四種不同的調制類型（BPSK,QPSK等），因此需針對每種調制類型進行調整，使各符號的平均功率大致相同。圖5示出實際測量一個包含BPSK、QPSK、16QAM和64QAM符號的幀所得到的IQ星座圖。圖中示出各調制類型有不同的標度，因為各IQ點未排齊，因此有可能看到所有86個離散的IQ點（64QAM＋16QAM＋4QPSK＋2BPSK）。這樣的測量能通過幅度標度或IQ星座圖幫助設計師迅速確定有問題的區域。前面曾講過前置碼突發比這些FCH和下行鏈路突發符號高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.　　Agilent89600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點。

    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現了專門的DUT控制軟件和DUT測試模式，它可控制發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和協議控制。這些專門的測試模式為可重復測量做了優化，它能快速執行，而沒有通過常規MAC/協議操作建立鏈接和控制空中接口的不必要開銷。

    四、發射機測試

    IEEE802.16-2004中的8.3.10和8.5.2項規定了發射機要求。這些測試包括∶

    ·8.3.10.1-發射功率級控制；

    ·8.3.10.1.1-發射機頻譜平坦度；

    ·8.3.10.1.2-發射機星座誤差；

    ·8.5.2-發射頻譜模板（對于未許可頻段的工作）。

    其它一些關鍵的發射機測量，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.　　發射機測量的典型連接圖

    1、發射機功率級控制

    基站和用戶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。在此范圍內的步長最小值須為1dB，所有小于30dB步長的相對精度為±1.5dB，更大步長的相對精度為±3dB。

    表2.　　發送功率級控制的指標

    （1）推薦的RF測試設備

    AgilentE4440APSA系列頻譜分析儀和配置選件B7SWiMAX分析軟件的89600系列矢量信號分析儀（VSA軟件）。

    （2）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設置為發送有效功率，其幀結構有正確的前置碼和數據突發；

    ·使用推薦的測試設備，測量和記錄DUT數據突發的輸出功率；

    ·重復第2步，仔細觀察功率放大器開關的通斷點（PA接通或斷開處的功率級）。把測量數據與該設備預期輸出功率相比較。

    （3）使用帶WiMAX分析軟件Agilent89600VSA的考慮

    如圖7所示，VSA軟件提供幀中各突發的功率測量結果。顯示中示出對前置碼、FCH和各數據突發的功率測量結果。為提高精度，應使用包含許多符號的突發。它提供大量樣本的平均。

    圖7.　　下行鏈路子幀功率測量

    （4）測試考慮

    所發送的信號很有可能是跟著前置碼的數據突發。發送的前置碼符號功率要比數據突發高3dB。由于幀中有幅度變化，為保證進行正確的測量，有一些需要注意的事項。在進行參考測量時，分別記錄前置碼的功率和數據突發的功率。然後當改變信號輸出電平時，分別將新的前置碼功率和數據突發功率與原參考測量比較。802.16-2004標準未明確定義用發送信號的哪一部分進行此項測量，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。

    2、發射頻譜平坦度

    在正常系統工作期間，所有上行鏈路和下行鏈路傳輸都從前置碼開始。由于接收機靠這些前置碼和發射機同步，以及執行各種信道評估和均衡處理，因此這些前置碼至為關鍵。前置碼使用QPSK調制，并且沒有嵌入的BPSK導頻。所以前置碼最適合規定所有子載波上的頻譜平坦度。802.16-2004標準規定了將從“信道評估步驟”取得的數據，即前置碼。其指標規定為“相鄰子載波間的絕對差不得超過0.1dB”。在前置碼中，由于僅實際使用200個子載波的一半或四分之一，因此前置碼中的相鄰載波間距要寬于數據突發。

    表3.　　發射機頻譜平坦度指標

    （1）推薦的RF測試設備

    AgilentPSA系列和VSA軟件，帶選件B7SWiMAX分析軟件。

    （2）Agilent測量設備

    ·把DUT設置為發送有效輸出功率，其幀結構有正確的前置碼；

    ·使用推薦的測試設備測量DUT頻譜平坦度。需要比較各子載波與相鄰子載波的相對幅度；

    ·重復第2步，在RF頻率和功率級各段邊界處的性能可能擦邊。

    （3）使用帶WiMAX分析軟件Agilent89600的考慮

    VSA分析軟件提供信道均衡功能，此功能最適合用于測量前置碼平坦度。該分析軟件像典型接收機那樣用前置碼進行信道評估。信道評估的步驟之一是確定前置碼的頻率響應（或頻率平坦度）。這項測量示出所測前置碼的頻譜平坦度。

    下面是來自該分析軟件的顯示，它示出為得到完美平坦度，需要用均衡器響應校正前置碼。其標度為0.05dB/格，因此對于各類載波，該響應能容易地落在0.1dB平坦度指標之內。

    這項測量使用的前置碼只包括偶數號載波。為評估奇數號載波的信道響應，軟件在二個相鄰的偶數號載波間使用簡單的線性內插。為確定各子載波的相對平坦度，可容易地把?線數據下載到電子表中，以進行與測試極限的比較。

    圖8.　　使用Agilent89601A得到的頻譜平坦度或信道頻率響應

    （4）測試考慮

    雖然標準規定這項測量僅對前置碼進行，但由于所有BPSK和QPSK調制子載波有相同的幅度，因此對于BPSK或QPSK調制，也能用數據突發（代替前置碼）表徵發射機指標。

    3、發射機星座誤差

    這項測試是測量發射機的調制精度。為保證接收機能以最少的解碼錯誤解調，發射機必須有精確的調制。這項測量類似于其它許多通信標準中使用的誤差矢量幅度（EVM）。802.16引入一個新的術語──相對星座誤差（RCE）。在標準中定義了專門的算法。這一測量方法確定各星座點的幅度誤差，以及對多個符號、幀和包一起的RMS平均。

    七種突發形式（調制/編碼類型）中的每一種形式都有以dB表示的RCE指標。下表示出各突發形式允許的RCE。

    表4.　　發射機星座誤差的指標

    （1）推薦的RF測試設備

    頻譜分析儀（如E4440A），帶WiMAX分析軟件（89600選件B7S）。

    ·DUT應設置至發送有效子幀（數據突發跟著前置碼）；

    ·用推薦的測試設備測量DUT相對星座誤差；

    ·重復第2步，在RF頻率、調制類型和功率級各段邊界處。

    （3）使用帶WiMAX分析軟件Agilent89600的考慮

    圖10示出使用VSA軟件的星座誤差測量結果。顯示包括圖形輸出（幫助查錯）和給出RCE計算數值結果的表格功能。這項計算是在解調特性配置中對所定義全部符號的平均結果。

    圖9.　　IQ星座的圖形顯示

    圖10.　　RCE結果的數值顯示

    （4）測試考慮

    在MeasSetupDemodProperties的情況下，分析軟件可以指定用捕獲RF信號中的哪些符號計算測量結果。這樣，用戶就能選擇具有特定調制類型的特定符號。由于各種調制類型都有自己的RCE指標，因此這樣做是必要的。802.16-2004標準規定了符號中可用于計算星座誤差的所有有效載波。這是VSA軟件中實現的算法。

    4、發射機頻譜模板

    這項測試是測量發射機的頻譜形狀，以驗證發射機在分配信道帶寬外未傳送過高的能量。大多數WiMAX部署的頻段受地區規章管制，由于各地區規章間有很大差異，因此802.16規范除“非許可”外，未規定任何操作的頻譜模板。這里定義的測量步驟是相同的，但用戶必須確定特定的極限，這取決于該設備的部署地區。

　　圖11示出對802.16“未許可”操作的頻譜模板規范。

    （1）推薦的RF測試設備

    頻譜分析儀（如E4440A），帶WiMAX分析軟件（89600選件B7S）。

    （2）Agilent測量設備

    ·DUT應設置至發送帶有前置碼和數據突發的有效子幀；

    ·用推薦的測試設備測量DUT的頻譜輸出；

    ·重復第2步，在RF頻率、調制類型和功率級各段邊界處。

    圖11.　　頻譜模板和極限

    （3）使用帶WiMAX分析軟件Agilent89600的考慮

    這一推薦的測試配置用于測量和顯示各種所選分辨率帶寬和視頻帶寬時的頻譜輸出。雖然軟件并未執行“通過_失敗”測試，但您可以定義?線，這是觀察頻譜是否在推薦頻譜模板之上或之下的易行方法。

    （4）測試考慮

    當發射機輸出功率極低時，就沒必要要求設備發射機模板比信道內功率低50dB。頻譜模板規章通常有一些低于極限的絕對值（以dBm為單位），用來規定這些低電平測量所要求的最低信道外功率。

    5、非規定的發射機測量

    有一些重要的發射機測量，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“地區規章”。這樣，測試極限將取決于設備將部署的地區，但這里描述的測試方法是通用的，能適用于幾乎所有環境。

    （1）ACPR/ACLR

    鄰道功率比（ACPR）或鄰道泄漏比（ACLR）是“泄漏”至相鄰或相間信道發送能量的度量。在理想情況下，發射機應把所有發送能量保持在所分配的信道內，但實際上總會有少量的發送能量出現在其它相近的信道。

    頻譜分析儀是進行這項測量的理想設備。第一步是測量信道內功率。然後分析儀重新調諧，使頻率偏移1個信道，再測量“泄漏”功率。這兩次測量的差即ACP比。根據不同應用，該值的典型范圍為30dB至80dB。在某些情況下，當測量信道功率時，分析儀本身沒有抑制信道內信號的足夠能力。因此在測量信道信號外的小信號時，可用專門的陷波濾波器壓縮信道內功率。

    （2）最大輸出功率

    WiMAX應用的最大輸出功率由地區規章按工作頻段規定。在一般工作時，發射機通常只發送能讓系統正常工作的足夠功率。較高的輸出功率會對系統和手持設備產生不必要的干擾；過高的輸出功率還加大電池的損耗。功率計和頻譜分析儀是進行輸出功率測量的理想設備。

    （3）雜散和諧波

    典型RF輸出級包括一些濾波設備，用以壓縮發送中的有害“內部”信號。這些內部信號是正常信號產生過程（如混頻、調制或放大）的有害副產物。一般可分成諧波和雜散兩大類。諧波是主發射機頻率的整數倍，因此能預知其出現頻率。而雜散信號通常是振蕩器或時鐘頻率與主發射機輸出頻率的內部混頻所造成的鏡像頻率。

    理解設備的框圖能幫助了解雜散能量的可能來源，但通常是用“雜散搜索”掃描設備的整個輸出頻譜，以查找雜散能量。頻譜分析儀是進行諧波和雜散測量的理想儀器。通常至少要測量5次諧波──也就是說對于3.5GHz信號，至少需要17.5GHz的頻譜分析儀。

    五、接收機測試

    IEEE802.16-20048.3.11項規定了接收機要求。這些測試包括∶

    ·8.3.11.1-接收機靈敏度；

    ·8.3.11.2-接收機相鄰和相間信道抑制；

    ·8.3.11.3-接收機最大輸入信號；

    ·8.3.11.4-接收機最大容許信號；

    ·8.3.11.5-接收機鏡像抑制。

    這五種接收機測試都可作為這里描述的接收機靈敏度測試的變體進行。接收機相鄰和相間信道抑制測試需要另增一臺作為干擾信號的RF源。該干擾源必須是OFDM調制信號。

    接收機靈敏度使用包括調制和編碼類型、SNR和輸入電平等已知信號條件測量接收機的性能。在這些規定條件下，接收機必須以低于1x10-6的BER解碼數據。IEEE802.16-20048.3.11.1.項規定了特定的數據碼型。表5歸納了對于各種帶寬和調制類型的測試條件。

    表5.　　接收機靈敏度指標（dBm）

    圖12.　　接收機測試的典型配置

    （1）推薦的RF測試設備

    AgilentE4438CESG矢量信號發生器，帶選件403（AWGN）和WiMAX應用軟件N7613ASignal Studio。

    （2）Agilent測量設備

    ·用該應用軟件把RF信號發生器設置到產生上表中規定的測試信號。至DUT的RF輸入電平是關鍵，必須把RF輸出電平調整到高于表中規定的量值，以補償RF源輸出和DUT輸入間的任何電纜損耗；

    ·設置DUT，以接收和解碼包含802.16-2004標準中定義特定數據碼型的連續數據包流。DUT必須計算BER，或向外部BER測試設備提供數據比特，由該設備通過把接收到的數據比特與預期值比較計算BER。BER計算是對不包括前向糾錯的所有解碼有效載荷數據進行；

    ·對所有有效調制和編碼率重復這項測試。

    （3）使用帶SignalStudio軟件AgilentESG信號發生器的考慮

    802.16-2004中描述的特定數據碼型也作為ESG信號發生器用AgilentSignalStudiofor WiMAX 應用軟件的一部分。帶選件403的ESG能以數字方式疊加AWGN噪聲和產生具有高精度SNR和輸出功率級的測試信號。由于有效載荷數據率因系統帶寬、調制類型和編碼率的不同而有很寬范圍，因此執行這項測試所需的時間也會不同。采用QAM調制的高帶寬系統只需要1s或2s的數據，而采用BPSK或QPSK 較低帶寬的系統則至少需要運行好幾秒。

    SignalStudio軟件帶有MACPDU編輯器，使用戶能配置各種數據選擇。IEEE802.16-2004的特定有效載荷數據是這些選擇中的一種。圖13示出Signal Studio軟件中MAC PDU編輯器的一張照片。

    圖13.　　MACPDU編輯器

    相關文獻

    1、89600系列矢量信號分析軟件89601A/89601AN/89601N12，技術資料，出版物號5989-1786EN

    2、E4438CESG矢量信號發生器，技術資料，出版物號5988-4039EN

    3、89600矢量信號分析儀，技術資料，出版物號5988-7811EN

    4、89600系列矢量信號分析軟件WiMAX演示說明和應用指南，出版物號5989-2029EN

    5、無線局域網的均衡技術的OFDM查錯，應用指南1455，出版物號5988-9440EN

原文轉自：http://www.kjueaiud.com