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的無線通信而優(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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)與無線局域網系統(tǒng)（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(yōu)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(tǒng),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、16 QAM或64 QAM。

圖1. OFDM子載波

　　WiMAX 系統(tǒng)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(fā)送,用時間分隔?；景l(fā)送下行鏈路子幀,接著是稱為發(fā)送/接收轉換間隙（TTG）的短間隙,然後是用戶發(fā)送上行鏈路子幀。各用戶間有精確的同步,因此它們的發(fā)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(fā)射前,有另一個稱為接收/發(fā)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(fā)。這些下行鏈路突發(fā)通常由多個符號構成。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型。要先傳輸如 BPSK和QPSK等高抗擾性調制類型的突發(fā),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(fā)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(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,以進行正確的解調和解碼。在各上行鏈路突發(fā)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(fā)時,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(tǒng)開銷數據,它描述如基站ID這類關鍵系統(tǒng)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(fā)。

　　下行鏈路突發(fā)包含用戶數據和控制消息。每一個下行鏈路突發(fā)都包含一個或多個符號。突發(fā)中的各符號包括12至108字節(jié)的有效載荷數據,字節(jié)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(guī)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(fā)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(jié)。這些編碼步驟提供了前向糾錯,在數字通信系統(tǒng)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(zhí)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64 QAM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(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(qū)域。前面曾講過前置碼突發(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(tǒng)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(guī)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。

　　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(guī)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(fā)射機和接收機的工作,并獨立于正常系統(tǒng)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(yōu)化,它能快速執(zhí)行,而沒有通過常規(guī)MAC/協議操作建立鏈接和控制空中接口的不必要開銷。

　　四、發(fā)射機測試

　　IEEE 802.16-2004中的8.3.10和8.5.2項規(guī)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(guī)定,而把它留給設備將部署地區(qū)的“地區(qū)規(guī)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(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。

　?。?）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(fā)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(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。