WiMAX技术及射频模块测试方案

　　1 WiMAX简介

　　无线接入互联网和无线多媒体数据业务的巨大需求推动了无线通信技术的快速发展，通信技术宽带化，IP化和移动化成为未来的发展趋势。WiMAX技术是以IEEE802.16系列标准为基础的宽带无线接入技术，近两年发展迅速，并逐渐成为城域宽带无线接入技术的发展热点。WiMAX系统主要有两个技术标准，一个是满足固定宽带无线接入的WiMAX802.16d标准，另一个是满足固定和移动的宽带无线接入技术WiMAX802.16e标准。WiMAX的关键技术主要包括以下几个方面：

　　(1)OFDM/OFDMA

　　正交频分复用OFDM是一种高速传输技术，是未来无线宽带接入系统/下一代蜂窝移动系统的关键技术之一。在WiMAX系统中，OFDM/OFDMA技术为物理层技术。OFDMA系统可以支持长度为2048，1024，512和128的FFT点数。通常向下数据流被分为逻辑数据流，这些数据流可以采用不同的调制及编码方式，以及以不同信号功率接入不同信道特征的用户端;向上数据流子信道采用多址方式接入，通过下行发送的媒质接入协议MAP分配子信道传输上行数据流。

　　(2)HARQ

　　HARQ技术因为提高了频谱效率，所以可以明显提高系统吞吐量，同时因为重传可以带来合并增益，间接扩大了系统的覆盖范围。16e中只支持卷积码(CC)、卷积Turbo码(CTC)的HARQ方式。

　　(3)AMC

　　AMC在WiMAX的应用中有其特有的技术要求，由于AMC技术需要根据信道条件来判断将要采用的编码方案和调制方案，所以AMC技术必须根据WiMAX的技术特征来实现AMC功能。与CDMA技术不同的是，由于WiMAX物理层采用的是OFDM技术，所以时延扩展、多普勒频移、小区的干扰和PAPR值等对于OFDM解调性能有重要影响的信道因素必须被考虑到AMC算法中，用于调整系统编码调制方式，达到系统瞬时最优性能。

　　(4)MIMO

　　对于未来移动通信系统而言，如何能够在非视距和恶劣信道下保证高的QoS是一个关键问题，也是移动通信领域的研究重点。对于SISO系统，如果要满足上述要求就需要较多的频谱资源和复杂的编码调制技术，而频谱资源的有限和移动终端的特性都制约着SISO系统的发展，所以MIMO是未来移动通信的关键技术。MIMO技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码，这两种形式在WiMAX协议中都得到了应用。协议还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式。MIMO技术能显著地提高系统的容量和频谱利用率，可以大大提高系统的性能，是未来移动通信发展的一个重要方向。图1为MIMO系统原理图。

　　图1 MIMO系统原理图

　　2 WiMAX射频模块测试

　　2.1 WiMAX发射机测试

　　以功率放大器为例，说明WiMAX发射机的测试。

　　为了全面衡量WiMAX功放的性能，除了传统的增益，1dB压缩点和最大输出功率外，往往还需要测试以下参数：

　　图2 频率误差引起的载波间干扰

　　(1)“突发”输出功率。

　　(2)频率误差。频率误差可以用相对于频谱仪中心频率的载波频率误差来描述(见图2)。收发信机间的频率误差将引起各个子载波频谱相对于接收机FFT频率的移动，产生载波间干扰(ICI)。

　　(3)符号时钟误差。指相对于系统采样时钟的参考符号时钟与实际测量的符号时钟之差。如果符号时钟比参考时钟低会使OFDM信号比所要求的长，引起子载波间距减小;反之，则引起子载波间距增加。两种情况都产生载波间干扰，使信号的EVM性能恶化。

　　(4)EVM(误差矢量幅度)。这是最重要的测试参数之一，以保证放大器在输出足够功率的同时获得良好的信号质量。EVM的结果可以对所有载波、数据载波和导频载波。

　　(5)ACPR(邻信道功率比)。ACPR指相邻信道测得的功率与主信道功率之比，反映放大器失真对邻信道的干扰。

　　(6)频谱平坦度。反映WiMAX信号子载波的功率变化，它测量每个子载波的平均功率对所有子载波平均功率的偏离。

　　(7)频谱差(Spectrum Difference)。测量突发前导部分相邻子载波的功率差异。

　　(8)频谱模板(Spectrum Mask)。测量发信机发射频谱的“轮廓”，以保证主信道外没有过多的功率发射。

　　R&S为WIMAX功放测试提供了快速、准确的解决方案。测试设置如图3所示，主要包括3部分：

　　图3 R&S的WiMAX射频模块测试解决方案

　　●信号源：使用R&S信号源SMU200A或SMJ100A并加上相应选件K49，就可以方便地产生802.16 -2004-OFDM，WIMAX 802.16e OFDMA和WIBRO信号。其中，SMU200A除具有极佳的射频及基带性能外，还带有强大的衰落模拟功能，更适合研发使用。

　　●频谱仪：R&S FSQ系列频谱仪及选件R&S FSQ-K92可支持 802.16-2004-OFDM信号分析;或者使用R&S FSQ及选件FSQ-K93，可以支持WiMAX 802.16e OFDMA和WIBRO信号的分析;也可选择R&S FSL系列频谱仪及选件R&S FSL-K92，支持802.16-2004-OFDM信号的分析。

　　●免费的外部PC软件DemoMeas_WiMAX(可以从R&S网页www.rohde-schwarz.com下载)：它通过GPIB或LAN控制R&S信号源(SMU200或SMJ100)和频谱仪(FSQ或FSL)。如图4所示，用户只需在左边栏目选择待测的参数，软件可自动完成测试所需的设置，而且可同时生成测试报告。

　　图4 在FSQ上进行WiMAX频谱和星座图测试界面

　　2.2 WiMAX接收机测试

　　为了测试WiMAX接收机的性能，尤其是802.16e，衰落环境下的测试显得尤为重要。SMU200A内置了衰落模拟器，可以模拟单通道40径或者双通道20径的衰落环境，每个路径均可进行相应参数的设置，如损耗、延时、移动速度、多普勒频移等。目前，SUI(Stanford University Interim)模型(SUI1-SUI6)和ITU(国际电信联盟)模型(OIP-A/B和V-A)可以用来进行相关的WiMAX衰落测试。在SMU200A的衰落模拟器中，预定义了SUI和ITU模型，用户可直接调用。

　　使用传统的测试方法测试MIMO的性能需要两个信号源和相应的衰落模拟器。但由于SMU200A(或者基带源AMU200A)可以提供两路完全独立的基带和射频通道，因此只需一台仪器就实现MIMO测试。每路信号可以模拟4个衰落通道，并针对WiMAX提供了空时编码。R&S的单台仪器解决方案，不仅节约了空间和成本，而且对于两路信号及衰落通道的同步和合成提供了方便的设置和准确的精度。此外，直观的操作界面也大大方便了操作(见图5)。

　　图5 R&S SMU200A的MIMO接收机测试界面

　　3 WiMAX整机射频一致性测试

　　3.1 WiMAX射频一致性认证测试简介

　　WiMAX论坛的目标是把IEEE802.16标准转化为实际的应用。它是由制造商和网络运营商组成的业界协会，处理除了纯技术的IEEE标准以外的WiMAX其他所有相关方面。对WiMAX基站和终端的产品认证是论坛的一个重要工作。它的目标是保证WiMAX服务在全球的可用性和可靠性。一个相关的认证工作组CWG负责如下相关的工作：定义认证和测试过程;列出需要的测试用例清单;选择测试机构;选择一致性测试系统等。

　　WiMAX产品需要测试满足3个条件，即协议一致性、无线射频一致性和互操作性。对于最后一项条件，来自不同制造商的产品需要在一个测试网络中进行互操作性测试和性能评估。前两项测试条件需要特殊的测试系统。WiMAX的相关测试规范是技术工作组(TWG)制定的，其中一个重要的射频一致性测试规范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WiMAX规范的实现一致性程度。

　　根据WiMAX参数，射频测试主要是对WiMAX技术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值和帧定时;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。

　　对接收机进行测试的测试指标包括接收机灵敏度和动态范围;对发射机进行测试的测试指标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。

　　3.2 R&S TS8970 WiMAX射频一致性认证测试系统

　　WiMAX论坛选择了R&S公司的TS8970测试系统作为IEEE802.16e-2005移动WiMAX标准的无线射频一致性测试系统(见图6)。在2006年5月韩国和维也纳的WiMAX会议上，R&S第一次推出了这套系统。伴随着WiMAX论坛正在进行的测试标准化工作，R&S也正在TS8970系统上实行所有必须的测试用例。

　　图6 R&S WiMAX射频一致性认证测试系统

　　R&S TS8970系统是基于R&S公司高端仪表的基础上，采用了信号源SMU200A及其选件SMx-K49作为信号产生部分，信号分析仪FSQ及其选件FSQ-K93作为信号分析部分，所需的信令连接部分采用了一个OEM的基站和终端模拟器。同时，还有一个全自动的射频开关矩阵，它的频率达到6GHz，可以保证测试系统和被测件之间每个测试用例要求的信号转换通路。

　　与R&S TS895x 2G和3G移动通信的认证系统一样，R&S TS8970系统使用了可靠的RS-PASS控制软件。由于它具有模块化和独立于标准的结构，整个软件可以在TS8970中迅速实现。系统特定的一些应用，如全自动的射频路径校准补偿、系统自检程序和所有的管理、控制程序(如版本浏览器、测试用例和测试序列编辑器、测试参数和结果管理)，这些都可以直接使用，不需要做改变。此外，最初的WiMAX指定的一些测试用例可以使用一些RS-PASS基本程序来开发。而且，R&S TS8970是第一套全部使用以太网控制的测试系统。

　　4 WiMAX终端无线测试仪CMW270

　　在生产测试方面，R&S最新推出了集非信令测试和信令测试于一体的WiMAX802.16e终端无线测试仪CMW270，可以满足用户在非信令模式测量，信令模式测量和功能验证，校准、服务和质量保证等各种WiMAX测试领域的需求(见图7)。

　　图7 WiMAX终端无线测试仪CMW270

　　对于在非信令模式下射频测量方面，CMW270可以提供快速的发射机测量，测试发射机的突发功率，邻信道功率ACP，EVM和IQ不平衡度等调制指标，中心频率误差，频谱平坦度，频谱杂散模版等频谱性能。并内置了ARB信号源用于接收机测量，测试接收机在保持一定的PER或BER情况下的接收机灵敏度和最大输入电平等指标。此外，CMW270内置了通用的RF信号源和RF功率计，可以完成如外部射频电缆校准等通用测量功能。

　　对于信令模式下的射频验证，CMW270可以提供实时信令，从而可以作为一个基站模拟器使用。此时的WiMAX终端可以像在一个实际的WiMAX网络中一样进行操作，修改一些必要的发射参数，模拟各种复杂的测试场景进行测试。例如，测量载波干扰噪声信号比CINR和接收信号强度指示RSSI等指标，以及开机搜索、功率控制等物理层和MAC层功能的验证。

　　对于质量保证和服务等方面的应用，用户也可以通过外部的显示器、鼠标和键盘来进行手工操作，完成仪器所有的设置和测量。

　　由于具有实时信令模拟的能力，CMW270可以测试不同芯片厂商的终端而不需要特殊的测试模式接口，从而大大降低了测试时间和测试系统的复杂度。由于仪器体积小巧，CMW270可以很方便地集成到生产线中去，并且可以通过LAN，IEC/IEEE总线或者USB2.0接口来进行远程控制。

　　CMW270的频率范围从100MHz~6GHz，并且具有高信号质量和精度，包括QPSK和QAM等各种调制方式和从1/2，2/3到3/4各种信道编码方式，从而可以满足目前WiMAX标准的各种要求。

　　更进一步，CMW270采用了模块化的平台结构，从而可以轻松地适应未来IEEE802.16e标准的升级。内部的测量和信令功能是由可编程逻辑器件FPGA和数字信号处理器DSP来完成的，从而可以通过固件升级的方式来轻松升级，适应标准的变化。

　　CMW270还提供了应用测试的功能，通过在各种不同的测试场景下外部PC发送和接收TCP/IP数据包(数据或语音)来测试数据吞吐量。

　　由于其快速的测量能力、高精确度和面向未来的平台设计理念，R&S CMW270为用户提供了WiMAX 移动终端的高性能、低成本的测试解决方案。

　　5 WiMAX无线覆盖测试系统TSMW

　　在完成了WiMAX的网络部署之后，就要对WiMAX的网络覆盖进行测量并且对网络规划中存在的干扰进行测试，结合WiMAX终端还可以在现网中测试网络的QoS。R&S针对802.16e使用TSMW网络扫频仪对网络进行覆盖测量以及干扰分析。通过Romes路测软件的控制，可以解析出针对ID Cell和PA Index对小区进行覆盖测量。输出Preamble的覆盖质量(CINR)和覆盖电平(RSSI)参数。同时，TSMW还可以对每个ID Cell的多径进行测量，这样输出结果不仅包括了所有多径的合成功率，还针对每路多径分别给出RSSI和CINR。由于TSMW可以对每个Segment的所有小区进行测量，因此可以通过该功能实现网络之后的频率优化。

　　TSMW本身为独立双端口接收机设置，单一通道有20MHz的带宽，因此在设备的研发初期就考虑了对MIMO的支持(见图8)。它的频段范围可以达到6GHz，满足所有的频段需求，内置12通道高灵敏度GPS接收机，可以实现测量同GSS系统的完美结合。它在射频性能上表现尤其突出，内置预选器，可以提高对于接收系统干扰的抑制和仪表本身的动态范围，噪声系数极低，极大地提高了仪表的底噪指标。并且提供的IQ数据直接获取也给研发阶段一些非标准信号的分析提供了可能。

　　图8 WiMAX无线覆盖测试系统TSMW

　　6 结束语

　　在产品研发阶段，R&S WiMAX射频仪器强大的功能和出色的性能确保厂商能及时、准确地验证其射频模块和部件;在产品认证阶段，R&S利用其在移动通信一致性认证测试中的领先地位，率先提供了TS8970以满足WiMAX整机射频一致性测试的需求;在生产测试阶段，R&S有集WiMAX信令和非信令模式于一体的的生产测试解决方案——WiMAX终端无线测试仪CMW270，从而提供了从研发、认证到生产的全系列测试解决方案。