移动WiMax参数指标及射频测试浅析

移动WiMax参数指标及射频测试浅析

WiMax技术要在具体的应用场景中体现出自身的优势，才能得到市场的认可，这就需要通过应用测试来衡量系统的性能参数。根据WiMax论坛制定的系统参数指标以及测试要求，WiMax的测试方法分为三部分：协议分析、无线射频分析、传输性能分析。本文主要介绍移动WIMAX参数指标，介绍了一些针对 802.16d(2004)、802.16e(2005)的标准信号射频性能测试。

WiMAX简介

    WiMAX，即全球微波接入兼容(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，是WiMAX论坛仿照WiFi在全球市场成功的模式，而在IEEE定义的802.16系列标准的基础上定义的。802.16在设计之初，是定位在固定无线传输的一种宽带技术标准。而在2005年12月7日最终冻结的802.16e(正式名称叫802.16-2005)在原来802.16d 的基础上增加了移动性，保证802.16e接入设备能够在基站之间切换，从而也成为新一代WMAN宽带无线接入标准，而且是具有移动性的标准，一般也称作 Mobile WiMAX。作为最新出现的标准，MobileWiMAX采用了很多先进技术来获得高数据速率，包括：OFDMA、智能天线技术自适应波束成型、时空码 STC以及多重输入输出MIMO等。WiMax采用700MHz～66GHz的频带，传送速度为2Mb/s～60Mb/s，距离为 3.2km。如果在有效距离内的路线不被干扰，其速度会更快，范围也会更广。

    WiMAX的相关测试规范是技术工作组(TWG)制定的，这些工作都是针对固定无线接入的设备，对于移动无线接入设备的测试工作在IEEE 802.16e的标准定稿后才正式启动。RCT(radio conformance test specification)规定了收发信机的基带和射频信号测试流程和测试条件，用于测试射频接口与IEEE 802.16-2004规范的实现一致性程度。该文件适用于Wireless MAN-OFDM，Wireless HUMAN(-OFDM)空中接口。

移动WiMax参数指标

    在2006年3月WiMax论坛的报告中表明，由于移动WiMax基于OFDMA伸缩性,可以通过调整系统运行参数,对不同带宽进行灵活地配置，认为移动 WiMAX系统的性能应该由以下方面来做定量评价。在以下各表中，表1提供系统参数，表2概述OFDMA参数，表3显示了用于传输性能评价模型。



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iMAX射频测试浅析

    根据WiMAX参数，射频测试主要是对WiMAX技术的物理层的关键指标和性能进行评估和验证，一般按照基站侧和终端侧进行区分，并且在每一侧都分别对发射机和接收机进行测试。具体而言，射频参数测试中的核心内容通常包括接收机的灵敏度、CP值、帧定时；发射机的循环前缀与符号定时、调制与编码、频谱平坦度、功率控制、相对星座图误差、频谱模板等内容。需要注意的是，射频参数测试不仅应该参考WiMAX认证中RCT文档的要求，而且，对于发射机的功率要求、杂散等具体的地区性指标，还需要符合所在地区无线电管理部门的规定，即一般所说的要通过频率核准的测试。

● 测试设备

    实验室测试设备主要由以下产品组成：射频分析仪(发射、接收)；矢量信号源，支持OFDM调制，可以设置到802.16-2004的帧级，功率可按照 802.16-2004标准步进调整；矢量信号分析仪，支持OFDM解调，可以设置到802.16-2004的帧级，能对MAC的PDU进行编辑；频谱仪，支持OFDM解调；信道模拟器，具备多径反射模拟功能；天线；衰减器、馈线及其他配件；传输性能分析仪；IP性能分析软件等。

    外场测试设备包括：实验室测试的全部设备；路测仪(信道下行扫描及解码功能)、室外终端、车载电源、GPS、激光测距仪、罗盘、望远镜、数码相机及其他配件。外场测试需要实际安装系统设备，为保证测试效果，基站天线通常需要保证一定的高度，通常至少需要40～60m高，CPE可以放在测试车上。外场测试项目包括设备安装及维护测试和系统性能及特性测试两部分。由于是在室外安装，因此设备的易安装性和易维护性是设备安装维护测试的一个主要指标，安装及维护测试主要包括：基站及天线安装测试、基站电源冗余配置测试、基站热插拔卡测试以及CPE及天线安装测试等。

● 测试流程

    首先对接收机进行测试，测试指标包括接收机灵敏度和动态范围，对发射机的测试，包括开环输出功率范围、闭环功率控制范围、最大射频输出功率、最小受控输出功率、待机输出功率、DRC信道输出功率、ACK信道输出功率、数据信道输出功率、发射机传导性杂散发射、调制性能等。最后还包括终端的吞吐率性能测试，包括上行和下行吞吐率测试。

● 接收机测试

    在进行WiMax放大器及模块测试时，需要输入一个理想的测试信号，在进行BS(基站)，RS(中继站)或SS(终端)接收机性能测试时，需要输入一个经过空间信道传输的测试信号，在对灵敏度测试时，需要对误码率进行准确统计。

● 发射测试

    发射器信道带宽是最先进行的测试，它决定了发射器发射信号的频谱特性。通过频谱的形状和特性可以发现设计上的许多错误，并能大概推算出系统符号速率的错误率。载波频率测试用于测试可能引起相邻频段信道干扰或影响接收器载波恢复的频率误差。信道功率测试用于测试有用信号在频率带宽内的平均能量。

    在使用功率计测试WiMAX信号时使用Scope Mode，通过测量Power Vs Time，进行门限扫描，可以得出Burst平均功率。在使用频谱仪在进行时域测试时，为了准确的得出测量结果，需要使得测量带宽覆盖WiMAX信号带宽。下图显示的是使用Rohde&Schwarz公司的频谱仪FSL测试时，时域上对WiMAX信号的Preamble功率进行测量结果，如图1 所示。


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图1  对WiMAX信号的Preamble功率的测量结果

由于仪器当中使用的滤波器SF(shape factor)不一样，如果使用模拟中频滤波器，其带宽要等于5倍的信号带宽；如果使用信道滤波器，其带宽要大于信号带宽。

    在进行频域测量时首先要使Wimax信号的SF尽量接近滤波器的SF，还要选择合适的扫描时间，TSweep=NSweeppoints·TSignal Cyde，假设频谱仪的扫描点数为625，被测信号周期10ms，则最小扫描时间是6.25s，如果扫描时间过短，每个扫描点不能覆盖一个完整的信号周期，则不能反映其真实的频域信息。图2是对一帧64QAM的OFDM信号数据进行傅立叶分析的结果。该帧数据信噪比30dB，采样率为80MHz。其中上面是时域描述，下面是频域的描述。



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图2  对64QAM的OFDM信号数据进行傅立叶分析的结果


    LitePoint公司的IQmax WiMAX测试系统满足了从研发到制造测试过程中各个环节的物理层测试需求。图3是使用IQmax WiMAX抓到的一包WiMAX数据，其中可以看到这包数据带内功率-3.50dBm，信号EVM值   -40.56dB，带内平坦度±0.3db等参数，也能得到频谱掩模、星座图等图形。



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图3  WiMAX数据包的测试结果


    搭配Agilent N7613A Signal Studio软件的Agilent E4438C ESG信号发生器及Agilent 89600系列矢量信号分析仪也能作为测试及认证WiMAX基站和终端设备。Agilent ESG信号发生器和Signal Studio软件提供了事先设定及可供使用者设定的WiMAX波形。Agilent VSA矢量信号分析仪覆盖从基带到11GHz以上的频率下，可测量带宽从1.25～28MHz的不同WiMAX设备。它也支持如子通道化(sub- channelization)等WiMAX特性。

    另外，ROHDE&SCHWARZ公司的测试仪器如矢量信号源SMU200A、功率计NRP、频谱仪FSL、信号分析仪FSQ的结合满足IEEE802.16-2004和IEEE802.16e，能够满足WiMAX射频测试的要求。

结束语

    WiMAX产品的标准认证和性能测试由WiMAX论坛统一管理，目前由位于西班牙马拉加的独立第三方实验室Cetecom负责测试。在国内，泰尔实验室也可以作为第三方实验室进行委托和摸底测试。因为802.16e/f/g等标准目前还处于完善阶段，所以，目前探讨整个802.16标准体系的测试还为时尚早，本文并未过深地探究。