移動WiMax參數指標及射頻測試淺析

WiMax技術要在具體的應用場景中體現出自身的優勢，才能得到市場的認可，這就需要通過應用測試來衡量系統的性能參數。根據WiMax論壇制定的系統參數指標以及測試要求，WiMax的測試方法分為三部分：協議分析、無線射頻分析、傳輸性能分析。本文主要介紹移動WIMAX參數指標，介紹了一些針對802.16d(2004)、802.16e(2005)的標準信號射頻性能測試。

WiMAX簡介

WiMAX，即全球微波接入兼容(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，是WiMAX論壇仿照WiFi在全球市場成功的模式，而在IEEE定義的802.16系列標準的基礎上定義的。802.16在設計之初，是定位在固定無線傳輸的一種寬帶技術標準。而在2005年12月7日最終凍結的802.16e(正式名稱叫802.16-2005)在原來802.16d的基礎上增加了移動性，保證802.16e接入設備能夠在基站之間切換，從而也成為新一代WMAN寬帶無線接入標準，而且是具有移動性的標準，一般也稱作Mobile WiMAX。作為最新出現的標準，MobileWiMAX采用了很多先進技術來獲得高數據速率，包括：OFDMA、智能天線技術自適應波束成型、時空碼STC以及多重輸入輸出MIMO等。WiMax采用700MHz～66GHz的頻帶，傳送速度為2Mb/s～6Mb/s，距離為 3.2km。如果在有效距離內的路線不被干擾，其速度會更快，范圍也會更廣。

WiMAX的相關測試規范是技術工作組(TWG)制定的，這些工作都是針對固定無線接入的設備，對于移動無線接入設備的測試工作在IEEE 802.16e的標準定稿后才正式啟動。RCT(radio conformance test specification)規定了收發信機的基帶和射頻信號測試流程和測試條件，用于測試射頻接口與IEEE 802.16-2004規范的實現一致性程度。該文件適用于Wireless MAN-OFDM，Wireless HUMAN(-OFDM)空中接口。

移動WiMax參數指標

在2006年3月WiMax論壇的報告中表明，由于移動WiMax基于OFDMA伸縮性,可以通過調整系統運行參數,對不同帶寬進行靈活地配置，認為移動WiMAX系統的性能應該由以下方面來做定量評價。在以下各表中，表1提供系統參數，表2概述OFDMA參數，表3顯示了用于傳輸性能評價模型。

WiMAX射頻測試淺析

根據WiMAX參數，射頻測試主要是對WiMAX技術的物理層的關鍵指標和性能進行評估和驗證，一般按照基站側和終端側進行區分，并且在每一側都分別對發射機和接收機進行測試。具體而言，射頻參數測試中的核心內容通常包括接收機的靈敏度、CP值、幀定時；發射機的循環前綴與符號定時、調制與編碼、頻譜平坦度、功率控制、相對星座圖誤差、頻譜模板等內容。需要注意的是，射頻參數測試不僅應該參考WiMAX認證中RCT文檔的要求，而且，對于發射機的功率要求、雜散等具體的地區性指標，還需要符合所在地區無線電管理部門的規定，即一般所說的要通過頻率核準的測試。

● 測試設備

實驗室測試設備主要由以下產品組成：射頻分析儀(發射、接收)；矢量信號源，支持OFDM調制，可以設置到802.16-2004的幀級，功率可按照802.16-2004標準步進調整；矢量信號分析儀，支持OFDM解調，可以設置到802.16-2004的幀級，能對MAC的PDU進行編輯；頻譜儀，支持OFDM解調；信道模擬器，具備多徑反射模擬功能；天線；衰減器、饋線及其他配件；傳輸性能分析儀；IP性能分析軟件等。

外場測試設備包括：實驗室測試的全部設備；路測儀(信道下行掃描及解碼功能)、室外終端、車載電源、GPS、激光測距儀、羅盤、望遠鏡、數碼相機及其他配件。外場測試需要實際安裝系統設備，為保證測試效果，基站天線通常需要保證一定的高度，通常至少需要40～60m高，CPE可以放在測試車上。外場測試項目包括設備安裝及維護測試和系統性能及特性測試兩部分。由于是在室外安裝，因此設備的易安裝性和易維護性是設備安裝維護測試的一個主要指標，安裝及維護測試主要包括：基站及天線安裝測試、基站電源冗余配置測試、基站熱插拔卡測試以及CPE及天線安裝測試等。

● 測試流程

首先對接收機進行測試，測試指標包括接收機靈敏度和動態范圍，對發射機的測試，包括開環輸出功率范圍、閉環功率控制范圍、最大射頻輸出功率、最小受控輸出功率、待機輸出功率、DRC信道輸出功率、ACK信道輸出功率、數據信道輸出功率、發射機傳導性雜散發射、調制性能等。最后還包括終端的吞吐率性能測試，包括上行和下行吞吐率測試。

● 接收機測試

在進行WiMax放大器及模塊測試時，需要輸入一個理想的測試信號，在進行BS(基站)，RS(中繼站)或SS(終端)接收機性能測試時，需要輸入一個經過空間信道傳輸的測試信號，在對靈敏度測試時，需要對誤碼率進行準確統計。

● 發射測試

發射器信道帶寬是最先進行的測試，它決定了發射器發射信號的頻譜特性。通過頻譜的形狀和特性可以發現設計上的許多錯誤，并能大概推算出系統符號速率的錯誤率。載波頻率測試用于測試可能引起相鄰頻段信道干擾或影響接收器載波恢復的頻率誤差。信道功率測試用于測試有用信號在頻率帶寬內的平均能量。

在使用功率計測試WiMAX信號時使用Scope Mode，通過測量Power Vs Time，進行門限掃描，可以得出Burst平均功率。在使用頻譜儀在進行時域測試時，為了準確的得出測量結果，需要使得測量帶寬覆蓋WiMAX信號帶寬。下圖顯示的是使用Rohde&Schwarz公司的頻譜儀FSL測試時，時域上對WiMAX信號的Preamble功率進行測量結果，如圖1所示。

圖1  對WiMAX信號的Preamble功率的測量結果

由于儀器當中使用的濾波器SF(shape factor)不一樣，如果使用模擬中頻濾波器，其帶寬要等于5倍的信號帶寬；如果使用信道濾波器，其帶寬要大于信號帶寬。

在進行頻域測量時首先要使Wimax信號的SF盡量接近濾波器的SF，還要選擇合適的掃描時間，TSweep=NSweeppoints·TSignal Cyde，假設頻譜儀的掃描點數為625，被測信號周期10ms，則最小掃描時間是6.25s，如果掃描時間過短，每個掃描點不能覆蓋一個完整的信號周期，則不能反映其真實的頻域信息。圖2是對一幀64QAM的OFDM信號數據進行傅立葉分析的結果。該幀數據信噪比30dB，采樣率為80MHz。其中上面是時域描述，下面是頻域的描述。

圖2  對64QAM的OFDM信號數據進行傅立葉分析的結果

LitePoint公司的IQmax WiMAX測試系統滿足了從研發到制造測試過程中各個環節的物理層測試需求。圖3是使用IQmax WiMAX抓到的一包WiMAX數據，其中可以看到這包數據帶內功率-3.50dBm，信號EVM值   -40.56dB，帶內平坦度±0.3db等參數，也能得到頻譜掩模、星座圖等圖形。

圖3  WiMAX數據包的測試結果

搭配Agilent N7613A Signal Studio軟件的Agilent E4438C ESG信號發生器及Agilent 89600系列矢量信號分析儀也能作為測試及認證WiMAX基站和終端設備。Agilent ESG信號發生器和Signal Studio軟件提供了事先設定及可供使用者設定的WiMAX波形。Agilent VSA矢量信號分析儀覆蓋從基帶到11GHz以上的頻率下，可測量帶寬從1.25～28MHz的不同WiMAX設備。它也支持如子通道化(sub-channelization)等WiMAX特性。

另外，ROHDE&SCHWARZ公司的測試儀器如矢量信號源SMU200A、功率計NRP、頻譜儀FSL、信號分析儀FSQ的結合滿足IEEE802.16-2004和IEEE802.16e，能夠滿足WiMAX射頻測試的要求。

結束語

WiMAX產品的標準認證和性能測試由WiMAX論壇統一管理，目前由位于西班牙馬拉加的獨立第三方實驗室Cetecom負責測試。在國內，泰爾實驗室也可以作為第三方實驗室進行委托和摸底測試。因為802.16e/f/g等標準目前還處于完善階段，所以，目前探討整個802.16標準體系的測試還為時尚早，本文并未過深地探究。